本發(fā)明屬于輸電線路，尤其涉及一種基于三維建模與參數(shù)化建模融合的輸電線路桿塔與導(dǎo)線弧垂建模的分析方法。

背景技術(shù)：

1、在輸電線路建設(shè)過(guò)程中，導(dǎo)線通常通過(guò)桿塔的支撐以懸掛的形式鋪設(shè)。在這種布置中，電線被固定在兩個(gè)支撐點(diǎn)a和b之間?？紤]到電線材料的柔性特性（即電線不承受明顯的彎曲應(yīng)力），電線在受力時(shí)會(huì)形成一種自然的下垂形狀。對(duì)于這種情況，當(dāng)電線的長(zhǎng)度較長(zhǎng)且使用的檔距（即支撐點(diǎn)a和b之間的水平距離）足夠大時(shí)，電線材料的剛性影響可以忽略不計(jì)。在此情況下，電線主要承受的是沿線長(zhǎng)均勻分布的荷載，例如自身的重量、環(huán)境因素（如風(fēng)荷載）等。因此，電線的懸掛形狀可以被近似認(rèn)為是懸鏈線形狀。實(shí)際輸電線路建設(shè)項(xiàng)目中，有些情況下，桿塔和導(dǎo)線都沒有完成建設(shè)建造，有些情況下，桿塔已經(jīng)完成建造，但是尚未完成架線工作，現(xiàn)有技術(shù)中尚缺乏一種可以準(zhǔn)確、可靠的輸電線路桿塔與導(dǎo)線的模擬、分析和安全性評(píng)估的方案，用以排除輸電線路建設(shè)過(guò)程中可能涉及的不安全因素。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的空白和不足，本發(fā)明提供了一種將實(shí)景采集的三維地形與參數(shù)化桿塔建模融合在一起進(jìn)而提前對(duì)輸電線路桿塔與導(dǎo)線弧垂進(jìn)行建模與分析的方案，基于激光雷達(dá)，可見光相機(jī)等傳感器采集已建桿塔部分的三維模型數(shù)據(jù)并生成三維點(diǎn)云模型，并將三維點(diǎn)云模型與預(yù)設(shè)的導(dǎo)線掛點(diǎn)相融合，根據(jù)輸入導(dǎo)線掛點(diǎn)的兩點(diǎn)坐標(biāo)基于弧垂計(jì)算公式生成可視化三維弧垂電力線模型，將導(dǎo)線弧垂模型融合到已建桿塔中共同進(jìn)行測(cè)量與模擬預(yù)警分析，構(gòu)建三維實(shí)景點(diǎn)云模型與虛擬建造融合的建造場(chǎng)景。進(jìn)一步還可以根據(jù)鐵塔建模的輪廓對(duì)掛點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記連接，根據(jù)軟件建模（鐵塔、導(dǎo)線掛點(diǎn)、弧垂）的幾何信息導(dǎo)出autocad支持的dwg格式文件，在三維空間根據(jù)導(dǎo)線擺動(dòng)公式計(jì)算懸鏈線，仿真導(dǎo)線擺動(dòng)軌跡，并根據(jù)規(guī)范允許的垂直距離和凈空距離，直觀地示意出導(dǎo)線擺動(dòng)及其砍伐面范圍。

2、本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案：

3、一種基于三維建模與參數(shù)化建模融合的輸電線路桿塔與導(dǎo)線弧垂建模的分析方法，采集已建桿塔部分的三維模型數(shù)據(jù)并生成三維點(diǎn)云模型，將三維點(diǎn)云模型與預(yù)設(shè)的導(dǎo)線掛點(diǎn)相融合，根據(jù)輸入導(dǎo)線掛點(diǎn)的兩點(diǎn)坐標(biāo)基于弧垂計(jì)算公式生成可視化三維導(dǎo)線弧垂模型；再將所述導(dǎo)線弧垂模型融合到已建桿塔中，構(gòu)建三維實(shí)景點(diǎn)云模型與虛擬建造融合的建造場(chǎng)景模型。

4、進(jìn)一步地，所述生成三維點(diǎn)云模型的具體過(guò)程包括：

5、采用無(wú)人機(jī)搭載可見光相機(jī)和機(jī)載激光雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；

6、然后進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)清洗、濾波和配準(zhǔn)：首先，使用統(tǒng)計(jì)離群值濾除算法移除點(diǎn)云中的噪聲點(diǎn)；再應(yīng)用體素網(wǎng)格濾波算法對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行降采樣，以減少數(shù)據(jù)量；對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行色彩校正、去噪和幾何校正；再進(jìn)行激光雷達(dá)數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)的時(shí)間同步和空間配準(zhǔn)，確保兩種數(shù)據(jù)精確對(duì)應(yīng)；

7、經(jīng)過(guò)預(yù)處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行分割和分類，以識(shí)別輸電線路的各個(gè)組成部分。

8、進(jìn)一步地，所述將三維點(diǎn)云模型與預(yù)設(shè)的導(dǎo)線掛點(diǎn)相融合，根據(jù)輸入導(dǎo)線掛點(diǎn)的兩點(diǎn)坐標(biāo)基于弧垂計(jì)算公式生成可視化三維導(dǎo)線弧垂模型具體為：

9、在導(dǎo)線弧垂的三維建模中，首先確定包括導(dǎo)線水平應(yīng)力、電線比載、檔距、高差的關(guān)鍵參數(shù)，然后利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算弧垂，接著在創(chuàng)建支撐點(diǎn)模型并在其間繪制導(dǎo)線的三維曲線，根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整導(dǎo)線屬性和附加組件，評(píng)估模型準(zhǔn)確性并進(jìn)行優(yōu)化后輸出輸電線路導(dǎo)線的三維模型。

10、進(jìn)一步地，將導(dǎo)線弧垂模型融合到已建桿塔中，構(gòu)建三維實(shí)景點(diǎn)云模型與虛擬建造融合的建造場(chǎng)景具體為：

11、通過(guò)粗配準(zhǔn)和精配準(zhǔn)兩個(gè)階段,將基于相對(duì)位置關(guān)系的桿塔參數(shù)化模型與三維實(shí)景地形融合：

12、粗配準(zhǔn)是在參數(shù)化桿塔模型與實(shí)際地形位置進(jìn)行配準(zhǔn)，通過(guò)一個(gè)旋轉(zhuǎn)平移變換矩陣將待配準(zhǔn)參數(shù)化桿塔數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系內(nèi)，為配準(zhǔn)提供初始值；

13、精配準(zhǔn)是在粗配準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，采用基于奇異值分解的算法使參數(shù)化桿塔模型與實(shí)際建成后的桿塔之間的空間位置差異最小化，得到一個(gè)更加精準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)平移變換矩陣。

14、進(jìn)一步地，所述基于奇異值分解的算法的具體實(shí)施過(guò)程為：

15、定義兩個(gè)數(shù)據(jù)特征點(diǎn)組p?=?{p1,p2,…,?pn},q?=?{q1,q2,…,n}，其中p為參考數(shù)據(jù)特征點(diǎn)組，q為實(shí)景數(shù)據(jù)特征點(diǎn)組；配準(zhǔn)的過(guò)程是將q通過(guò)一系列的旋轉(zhuǎn)與平移得到目標(biāo)p，構(gòu)建最小二乘問(wèn)題，將配準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為將所有匹配特征點(diǎn)對(duì)的距離之和作為待求解的目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題，利用奇異值分解求得以使以下目標(biāo)函數(shù)誤差的平方和達(dá)到極小時(shí)的r和t；獲得旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量；最終得到轉(zhuǎn)換參數(shù)將桿塔參數(shù)化建立的模型與三維實(shí)景地形融合：

16、

17、其中，wi代表每個(gè)點(diǎn)的權(quán)重。so(d)是d維空間中所有旋轉(zhuǎn)矩陣的集合。這些矩陣具有以下特性：它們是正交矩陣（orthogonal?matrices），數(shù)學(xué)表示：so(d)?=?{r∈rd×d?|rtr?=?rrt?=?i,?det(r)?=?1}?其中，r是旋轉(zhuǎn)矩陣，i?是單位矩陣，det?表示行列式。d的含義：空間維數(shù)。

18、進(jìn)一步地，基于所述建造場(chǎng)景模型，根據(jù)鐵塔建模的輪廓對(duì)掛點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記連接，根據(jù)建模的幾何信息導(dǎo)出工程圖紙，以在三維空間根據(jù)導(dǎo)線擺動(dòng)公式計(jì)算懸鏈線，仿真導(dǎo)線擺動(dòng)軌跡，并根據(jù)規(guī)范允許的垂直距離和凈空距離，顯示導(dǎo)線擺動(dòng)及砍伐面的范圍。

19、進(jìn)一步地，所述根據(jù)鐵塔建模的輪廓對(duì)掛點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記連接，根據(jù)建模的幾何信息導(dǎo)出工程圖紙的過(guò)程包括：

20、（1）幾何數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

21、首先，校驗(yàn)建模系統(tǒng)中幾何數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，包括：

22、鐵塔數(shù)據(jù)：塔型、高度、橫擔(dān)長(zhǎng)度、塔頂點(diǎn)坐標(biāo)；

23、導(dǎo)線掛點(diǎn)數(shù)據(jù)：每個(gè)掛點(diǎn)的三維坐標(biāo)；

24、弧垂數(shù)據(jù)：導(dǎo)線弧垂參數(shù)；

25、（2）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換

26、將內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為autocad可識(shí)別的幾何實(shí)體：

27、將鐵塔轉(zhuǎn)換為3d多段線或3d面的組合；

28、將導(dǎo)線掛點(diǎn)轉(zhuǎn)換為3d點(diǎn)實(shí)體；

29、將弧垂使用3d樣條曲線或一系列的3d多段線近似表示；

30、（3）dwg文件生成

31、使用autocad的api將生成的實(shí)體寫入dwg文件。

32、進(jìn)一步地，所述三維空間根據(jù)導(dǎo)線擺動(dòng)公式計(jì)算懸鏈線，仿真導(dǎo)線擺動(dòng)軌跡，并根據(jù)規(guī)范允許的垂直距離和凈空距離，顯示導(dǎo)線擺動(dòng)及砍伐面的范圍的過(guò)程包括：首先，使用懸鏈線方程描述導(dǎo)線的初始形狀，并通過(guò)計(jì)算懸鏈線狀態(tài)方程確定導(dǎo)線的張力和重量關(guān)系；接著，考慮包括風(fēng)力和溫度變化的因素，仿真導(dǎo)線的擺動(dòng)軌跡，使用數(shù)值方法或解析方法更新導(dǎo)線的位置并檢查邊界條件；然后，根據(jù)規(guī)范計(jì)算導(dǎo)線擺動(dòng)時(shí)的垂直距離和凈空距離，確保導(dǎo)線在允許范圍內(nèi)擺動(dòng)；最后，使用圖形工具繪制導(dǎo)線的擺動(dòng)軌跡及其砍伐面范圍，分析結(jié)果是否滿足規(guī)范要求，用于判斷是否需要調(diào)整參數(shù)以優(yōu)化導(dǎo)線的擺動(dòng)軌跡和砍伐面范圍。

33、一種電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述程序時(shí)實(shí)現(xiàn)如上所述的一種基于三維建模與參數(shù)化建模融合的輸電線路桿塔與導(dǎo)線弧垂建模的分析方法的步驟。

34、一種非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如上所述的一種基于三維建模與參數(shù)化建模融合的輸電線路桿塔與導(dǎo)線弧垂建模的分析方法的步驟。

35、相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明及其優(yōu)選方案實(shí)現(xiàn)了生成可視化三維弧垂電力線模型，將導(dǎo)線弧垂模型融合到已建桿塔中共同進(jìn)行測(cè)量與模擬預(yù)警分析，構(gòu)建三維實(shí)景點(diǎn)云模型與虛擬建造融合的建造場(chǎng)景，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)仿真導(dǎo)線擺動(dòng)軌跡，并根據(jù)規(guī)范允許的垂直距離和凈空距離，直觀地示意出導(dǎo)線擺動(dòng)及其砍伐面范圍，通過(guò)與實(shí)際地形融合分析，使得在架線工程實(shí)施前就能夠確定導(dǎo)線與樹木等干擾物之間的安全距離提升了輸電線路建設(shè)工程的安全性和效率。