結合傾斜攝影測量技術的變電站三維重建

鄭勇峰，王枝軍

(中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，浙江 杭州 310012)

隨著國民經濟快速發展，電網規模日益增大，我國電網規模和發電能力已位居世界第一。電網規模增大導致變電站規模也越來越大，變電站是電網的重要組成部分，國家電網運行維護部門每年都需要投入大量人力、物力、財力對變電站進行運維、監控、培訓，如何高效、精準、實時地建立變電站三維實景模型并對變電站進行運維、監控、培訓已成為亟待解決的問題。

國內已有相關學者對變電站三維重建開展研究并取得一定成果。龔慶武等基于虛擬現實技術開展變電站三維仿真和數字可視化技術研究[1-4]；劉求龍等開展三維激光掃描儀在惠泉變電站三維模型構建中的應用研究[5]；杜勇等開展變電站現場作業與風險管控的三維實景推演仿真研究[6]；曹炯等基于無人機的電網實景建模研究[7]。上述研究存在兩方面問題：一是利用VRML、3ds Max、Bentley等技術建立虛擬化三維模型，與變電站實景相比存在一定視覺偏差；二是三維激光掃描成果數據量大，導致數據處理的效率不高，而且成果展示對機器性能要求高。近年來，無人機傾斜攝影測量三維實景建模技術已成為測繪領域的研究熱點，具有快速、高精度、實景等特點，目前已廣泛應用于地形圖測量、水利工程、高鐵施工、河道整治等方面[8-14]。本文介紹一種利用拓普康天狼星無人機測圖系統的傾斜攝影測量技術，可快速、高效地實現變電站三維實景建模的應用。

1 無人機航攝系統組成

根據《無人機航攝系統技術要求》，無人機航攝系統基本構成包括飛行平臺、飛行導航與控制系統(以下簡稱“飛控系統”)、地面監控系統、任務設備、數據傳輸系統、發射與回收系統、地面保障設備[15]。拓普康天狼星無人機測圖系統組成如下。

1.1 飛行平臺

飛行平臺主要搭載任務設備并執行航攝飛行任務。天狼星無人機測圖系統飛行平臺主要性能參數和技術指標見表1。

表1 天狼星無人機測圖系統飛行平臺主要性能參數

1.2 飛控系統

飛控系統主要用于無人機的導航、定位和自主飛行控制。天狼星無人機測圖系統的飛控系統采用MAVinci Autopilot自動駕駛儀和MAVinci Desktop桌面軟件部分功能，實現GPS/INS慣性導航，應急控制，自動起飛和著陸控制，飛機姿態、飛行高度、飛行速度的控制等功能。

1.3 地面監控系統

地面監控系統主要用于飛行任務規劃設計、飛機飛行數據和任務設備監控顯示、飛機故障時報警提示等。天狼星無人機測圖系統的地面監控系統通過地面監控站(包括筆記本電腦、MAVinci Desktop桌面軟件、無線電遙控器等)實現地面監控功能。

1.4 任務設備

任務設備主要用于航攝影像的獲取與存儲。天狼星無人機測圖系統的任務設備為數碼相機富士X-M1，相機主要性能參數見表1。

1.5 數據傳輸系統

數據傳輸系統用于地面監控站與飛控系統及其他設備之間的數據和控制指令的傳輸。天狼星無人機測圖系統的數據傳輸系統采用發射電臺、MAVinci連接器、天線等實現數據傳輸。

1.6 發射與回收系統

發射與回收系統為無人機發射起飛、安全著陸提供保障。天狼星無人機采用手拋式起飛、自動著陸，自動駕駛輔助模式,手動飛行3種模式滑翔，腹部著地降落飛機。

1.7 地面保障設備

地面保障設備包括運輸保障設備和航攝作業保障設備。天狼星無人機的地面保障設備包括運輸箱、維修包、地面基準站，以保障設備運輸安全和航攝精度高的性能指標要求。

2 工程應用

2.1 工程概況

變電站試驗區位于浙江省杭州市某地，占地面積7.03 hm2，核心區地勢較平整，周邊均為山地。測區呈矩形，面積約19.4 hm2，高差約15 m，其中包括河流、道路、民房、耕地、電力線、鐵塔等地物類型。如圖1所示。

圖1 工程范圍

2.2 工作流程

工作流程如圖2所示。

圖2 工作流程

2.3 數據獲取

利用天狼星無人機測圖系統MAVinci Desktop桌面軟件制定測區飛行計劃， 地面采樣距離6 cm，航向重疊度85%，最小航向重疊度75%，旁向重疊度65%，測區內最高約50 m，最低約35m，飛行高度約300 m。根據以上參數設置，此次試驗共飛行一個架次，飛行時間約20 min，獲取影像525張。利用MAVinci Desktop桌面軟件對影像進行檢查篩選，獲得有效影像421張。

2.4 三維測圖應用

將影像和POS數據導入Agisoft Photoscan Pro后處理軟件，設置坐標系統、中央子午線、投影方法、數據處理精度等相關參數，自動化處理生成DOM、DSM、點云和三維實景模型等數據成果，數據成果如圖3、圖4所示。

圖3 DOM

圖4 三維實景模型

在測區內均勻布設10個檢核點，并在現場GPS信號穩定、固定解狀態下通過RTK獨立測量兩次，將實測三維坐標與DOM、DSM成果圖上坐標進行比較，計算得出平面中誤差和高程中誤差，最終評定整個測區DOM的平面精度和DSM的高程精度見表2。

由表2各點較差計算可得：DOM平面中誤差為10.0 cm，DSM高程中誤差為14.8 cm，符合1∶2000比例尺測圖精度要求。

2.5 地理信息應用

目前，筆者所在單位基于傾斜攝影測量的三維實景模型成果，利用三維地理信息平臺軟件，正在開展電力行業三維實景地理信息應用試驗，已經初步實現了三維場景下的實景模型漫游、三維模型單體化管理、屬性掛接、信息查詢、視頻監控、統計分析等應用功能，為變電站的運維、監控、培訓等應用提供技術支撐。

表2 檢核點平面及高程精度表 m

3 結 語

針對變電站三維實景建模的需求，本文提出了一種基于傾斜攝影測量技術的變電站三維實景模型重建方法。試驗表明，由于拓普康天狼星無人機測圖系統的內置實時動態差分RTK模塊和免像控技術，以及數據后處理軟件自動化程度高等特點，使用本方案可以大大節省外業數據采集、內業數據處理等工作量，而且成果精度完全滿足規范要求。

筆者下一步將深入挖掘變電站運維、監控、培訓等方面需求，研究建立電力設施、項目管理等各類專題信息數據庫，實現電力設施三維資產管理、工程管理、檢測分析、運維管理等深度應用功能，為電力部門電網運營一體化管理提供應用服務。