傾斜攝影生成實(shí)景模型在三維設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

文｜張梁 張兆虎

不同于傳統(tǒng)輸電線路設(shè)計(jì)手段的降維簡化的設(shè)計(jì)方法，利用傾斜攝影生成的實(shí)景模型在輸電線路三維設(shè)計(jì)中可以更加直觀的構(gòu)建三維場(chǎng)景，利用三維設(shè)計(jì)軟件的功能進(jìn)行距離校驗(yàn)等設(shè)計(jì)校核工作。

利用小型四旋翼無人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量三維實(shí)景建模技術(shù)因其成本較低，方便操作，能夠較為真實(shí)的反應(yīng)地物實(shí)際情況等特點(diǎn)，極大的擴(kuò)展了地形描述的手段，從而催生了許多利用實(shí)景模型進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法。目前實(shí)景模型在風(fēng)電場(chǎng)選址、變電站發(fā)電廠設(shè)計(jì)等方面已經(jīng)得到了一些應(yīng)用，但是在輸電線路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用較少。

三維場(chǎng)景構(gòu)建

實(shí)景建模技術(shù)一般包含以下處理流程：

實(shí)景模型的生成一般為軟件全自動(dòng)化方式生成。獲得航拍影像后，經(jīng)過勻光勻色等步驟，然后通過專業(yè)的自動(dòng)建模軟件生成三維模型。一般建模過程需要經(jīng)過多視角影像的幾何校正、聯(lián)合平差等處理流程。通過ContextCapture Center進(jìn)行空三運(yùn)算后可生成基于影像的超高密度點(diǎn)云，并以此生成基于影像紋理的高分辨率實(shí)景模型。

圖1 航飛區(qū)域的空三解算結(jié)果

圖2 點(diǎn)云構(gòu)建TIN網(wǎng)格模型示意圖

圖3 桿塔整體圖

圖4 桿塔細(xì)部圖

圖5 基礎(chǔ)模型

圖6 V型絕緣子串模型

軟件建模過程主要分為空三計(jì)算和模型構(gòu)建兩個(gè)過程。在空三計(jì)算過程中，軟件對(duì)影像進(jìn)行大量特征點(diǎn)的計(jì)算提取，對(duì)獲取的特征點(diǎn)再采用多視角匹配同名點(diǎn)，然后反向計(jì)算出每張圖片的空間位置和拍攝的姿態(tài)角度，從而確定圖片間的關(guān)系。在空三計(jì)算完成后，可以在軟件中查看到整個(gè)航帶的飛行情況、解算出空三點(diǎn)的位置密度、每張圖片的相對(duì)位置還有圖片所覆蓋的范圍方位角等信息，如圖1所示。

在模型構(gòu)建過程中軟件通過空三計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行三維場(chǎng)景的重建。在這個(gè)過程中軟件計(jì)算得到模型的稠密點(diǎn)云，通過簡化構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，且其不同的簡化比例可以使模型自帶多級(jí)LOD，以滿足海量數(shù)據(jù)模型的高調(diào)度能力和渲染性能。然后根據(jù)TIN生成白模的三維模型，再通過三維模型形狀位置從航片里面選取最合適的進(jìn)行紋理的貼合，最后輸出紋理逼真的實(shí)景模型。

三維模型數(shù)據(jù)量大小直接影響系統(tǒng)運(yùn)行效率，過多的面、材質(zhì)數(shù)據(jù)將嚴(yán)重影響模型加載的速度。建模“保證主體特征，不拘細(xì)節(jié)”。

具體而言，桿塔部分，建立桿塔主材、輔材和補(bǔ)助材的桿件模型，連接板和螺栓等不建立模型，掛點(diǎn)開孔需要建立相應(yīng)的模型。

基礎(chǔ)模型只需要建立外輪轂?zāi)Ｐ图纯桑瑑?nèi)部配筋模型可以不進(jìn)行建模。

絕緣子串建模過程需要描述金具的尺寸，但是需要簡化絕緣子片的模型和螺栓等細(xì)部的模型。

導(dǎo)地線弧垂計(jì)算。輸電線路中，電線是以桿塔為支持物而懸掛起來的，對(duì)于懸掛在兩固定點(diǎn)A、B 的一根柔軟的且荷載沿線長均勻繩索，其所形成的形狀為“懸鏈線”，當(dāng)所使用的檔距足夠大時(shí)，電線材料的剛性影響可以忽略，同時(shí)電線的荷載系沿線長均勻分布，則電線懸掛形狀也可認(rèn)為是“懸鏈線”；如果近似地認(rèn)為電線荷載沿懸掛點(diǎn)連線上均勻分布，則可把“懸鏈線”公式簡化為所謂斜拋物線公式；如果近似認(rèn)為電線荷載沿懸掛點(diǎn)間的水平線上均勻分布，則可簡化為所謂平拋物線公式。

從電線的懸鏈線、斜拋物線和平拋物線方程可以看出，懸鏈線公式足夠精確，但方程中包含有雙曲函數(shù)，計(jì)算及其繁雜，若選用此算法，則會(huì)大大影響系統(tǒng)效率。斜拋物線和平拋物線算法是從懸鏈線公式的級(jí)數(shù)展開式中取其主要項(xiàng)近似而得到，這些近似式在工程應(yīng)用中具有足夠的精度且計(jì)算簡便，工程應(yīng)用中當(dāng)高差系數(shù)較大時(shí)，一般使用斜拋物線算法計(jì)算和架設(shè)弧垂，斜拋物線公式是比較精確的，且隨著高差系數(shù)的增大反而誤差更小，高差系數(shù)較小時(shí)采用平拋物線公式。經(jīng)過計(jì)算，在非大跨越段，使用斜拋物線算法是可以滿足工程精度的要求。

應(yīng)用案例分析

應(yīng)用工程位于湖北境內(nèi)，線路路徑長度約為30km，電壓等級(jí)為220kV，沿線地形為平地、河網(wǎng)泥沼和少量丘陵，線路沿線有大量房屋零星分布，此外還需要跨越工業(yè)區(qū)。

通過傾斜攝影建立的實(shí)景模型，可以直觀、方便的對(duì)跨高速區(qū)域的地物地貌進(jìn)行辨識(shí)，從而實(shí)現(xiàn)跨越位置的精確定位。同時(shí)可以通過限定條件對(duì)跨越位置進(jìn)行呼高和檔距的核算。

圖7 跨高速塔位選擇

圖8 對(duì)地距離量算

輔助通道狹窄區(qū)域設(shè)計(jì)。由于此工程有5公里線路從市區(qū)內(nèi)穿越，通道狹窄，需要對(duì)原有的單回塔改造為雙回塔來滿足設(shè)計(jì)要求。通過建立三維實(shí)景模型，對(duì)路徑區(qū)域的線路長度、地形地貌、交通、障礙設(shè)施、檔距、施工、運(yùn)行等因素進(jìn)行了綜合評(píng)估，在充分考慮經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益的前提下，進(jìn)行多方案比較，使路徑走向安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。

利用傾斜攝影模型，可以在規(guī)劃路徑區(qū)域進(jìn)行精確量測(cè)，極大的方便了市區(qū)內(nèi)線路走廊的路徑優(yōu)化工作。由于可以精確定位區(qū)域內(nèi)每個(gè)桿塔的位置，在線路走廊狹窄的地段使用這種方法進(jìn)行精確設(shè)計(jì)，最大程度減小了工程對(duì)城市規(guī)劃區(qū)域的影響范圍。

三維帶電間隙分析。在選定的塔位可以通過系統(tǒng)自動(dòng)放置帶電間隙球?qū)λ贿M(jìn)行直觀的可行性判斷，避開不良地質(zhì)地段、林木密集區(qū)，并通過系統(tǒng)對(duì)間隙球和地物地貌的距離計(jì)算對(duì)危險(xiǎn)地物地貌進(jìn)行辨識(shí)。

圖9 市區(qū)內(nèi)桿塔路徑布置實(shí)時(shí)預(yù)覽

圖10 市區(qū)內(nèi)桿塔路徑方案對(duì)比

圖11 帶電間隙驗(yàn)證

圖12 三維間隙球與周邊地物的距離判斷

變電站出線規(guī)劃。此工程涉及到2個(gè)變電站的出線塔設(shè)計(jì)。在對(duì)變電站的出線進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過載入站址附近的實(shí)景模型作為設(shè)計(jì)參照，以便于因地制宜的考量各種設(shè)計(jì)因素。

在選定的出線位置可以通過模擬放塔放線的功能對(duì)預(yù)估的塔位進(jìn)行直觀的可行性判斷，避開不良地質(zhì)地段、林木密集區(qū)，減少與已有線路的交叉跨越，并通過系統(tǒng)的計(jì)算對(duì)危險(xiǎn)地物地貌進(jìn)行辨識(shí)。在地物地貌的辨識(shí)過程中，可以動(dòng)態(tài)計(jì)算線路對(duì)環(huán)境的距離，對(duì)不滿足安全距離的地物高亮顯示。

機(jī)械化施工方案優(yōu)化。在此工程的機(jī)械化施工方案的制定過程中，通過建立三維實(shí)景模型，對(duì)施工區(qū)域的路線長度、地形地貌、交通、障礙設(shè)施、沿線施工條件和經(jīng)濟(jì)性等因素進(jìn)行了綜合評(píng)估，在此基礎(chǔ)上制定適合本工程機(jī)械化施工專項(xiàng)設(shè)計(jì)方案。在充分考慮經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益的前提下，滿足了施工方案安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理的需求。

采用無人機(jī)傾斜攝影構(gòu)建實(shí)景三維，通過建模工具建立輸電線路桿塔、金具絕緣子串、基礎(chǔ)等元素，依據(jù)懸鏈線算法構(gòu)建架空線路導(dǎo)地線三維模型，實(shí)現(xiàn)三維模型與實(shí)景三維模型無縫融合。本文使用的技術(shù)流程可真實(shí)體現(xiàn)空間關(guān)系，并具備一定的空間分析能力，能夠滿足輸電線路規(guī)劃、選線、設(shè)計(jì)、施工輔助的要求。

圖13 規(guī)劃中的站址出線位置

圖14 茶庵嶺220Kv變電站出線情況

圖 15帶電距離校驗(yàn)提醒

圖16 運(yùn)輸車輛的寬度和轉(zhuǎn)彎半徑驗(yàn)證

圖17 施工機(jī)械的操作半徑驗(yàn)證