基于攝影測量在特高壓直流線路通道管控應用

陶雄俊

（中國南方電網超高壓輸電公司昆明局，昆明 650217）

0 前言

特高壓直流輸電線路是電網的重要組成部分，具有輸送容量大、輸電距離遠，安全可靠性高等特點。線路通道內的超高樹木、交叉跨越、違章作業施工等目標對特高壓直流線路運行存在著較大的安全隱患。通道管控一直是特高壓直流線路運維管理的一項重要工作內容，但由于監控困難或查找不及時，時常發生樹障放電或外力破壞導致的線路跳閘停電事件，嚴重時甚至會引起森林火災[1-2]。

目前，激光雷達測量技術已經成熟應用到輸電線路勘測設計中，但在輸電線路巡檢中的應用尚屬探索階段[3]，且因設備成本昂貴、人員技術要求高[4-6]，不利于基層單位大范圍推廣使用。而在基于遙感的電力線路巡檢影像處理技術與建模方面，利用攝影測量技術進行電力線路運維管理經實踐證明是可行的，不僅成本低，效率高，而且極大地節省了人力、物力[7-10]。鑒于攝影測量具有成本低、速度快、操作簡單等特點，因而在重點區段或小范圍區域測量上更有優勢，易于基層單位推廣。

本文主要基于攝影測量技術，研究解決常規攝影測量無法復原導線點云模型的難題，并針對輸電線路設備與地形特點，開發出輸電線路航線輔助規劃工具和點云分析工具，快速完成特高壓直流線路影像數據采集和導線點云模型生成，實現導線與其周圍地物空間位置關系快速評估與計算，進而為特高壓直流線路通道管控提供決策依據，確保輸電線路運行安全。

1 無人機相機參數計算

為確保攝影測量數據采集質量，需全面計算無人機相機參數，便于后期無人機航線的精準規劃。

1.1 傳感器參數

當前市場上無人機傳感器參數僅提供簡單參數，對于詳細參數需重新查詢計算。以大疆精靈 Phantom 4 Pro 為例，根據大疆提供的技術參數，影像傳感器參數為1 英寸CMOS，在照片尺寸為3:2 寬高比時，其照片分辨率為5472×3648 像素，則其傳感器尺寸為13.2 mm×8.8 mm。

圖1 傳感器參數

圖2 無人機飛行高度計算原理

1.2 鏡頭實際焦距

目前傳感器鏡頭常標注為35 mm 格式等效鏡頭，需轉化為實際焦距，如在傳感器尺寸3:2比例的情況下，實際焦距FR的計算公式如（1）：

式中，F35為對應于35 mm 等效物的焦距，FR為鏡頭實際焦距，SW為實際傳感器寬度。

2 無人機航線規劃

航線規劃算法是無人機技術中的重要組成部分, 對于提高無人機的生存能力和任務的成功率意義重大[11-14]。由于常規攝影測量航線規劃工具均以地表作為近似平面，無人機在飛行過程中保持水平飛行開展數據采集，此種作業方式在地形高差大的山區常常會因為重疊度不足，導致數據處理無法完成或導線點云殘缺不全，因此需結合輸電線路設備及通道地形特點，重新優化無人機飛行航線。

2.1 飛行相對高度計算

根據成像原理，無人機飛行高度計算如圖2所示。

為保障采集影像擁有足夠重疊度，無人機的飛行相對高度應以導線掛點作為基準進行計算。同時，為便于導線能夠被相機高清采集，每根子導線直徑長度方向應在采集相片中不少于1 像素。推導出無人機最大飛行高度公式如（2）：

式中，d 為導線直徑，NWP為寬度方向像素量，Hd為導線掛點相對參考面高度。

2.2 航線重疊度計算

足夠的相片重疊是攝影測量數據處理的前提條件，為保證航測區段導線點云模型的連續性和完整性，需將相對導線高度時對應重疊度轉化為相對地表重疊度，如圖3 所示。

圖3 重疊度計算原理圖

圖4 飛行控制程序航線規劃界面

根據重疊度計算原理圖推導出無人機重疊度轉換公式：

式中，Pf為相對地表重疊度，P 為相對導線重疊度。

2.3 飛行總體評估

根據計算獲取的飛行高度Hf與地表重疊度Of參數在專業的飛行控制程序中進行設置，即可在保證導線足夠的重疊度前提下，自動完成飛行航線規劃，如圖4 所示。同時，為保證拍攝照片質量，飛行作業應盡量選擇在正午或陰天進行。

3 數據處理

3.1 控制點設置

控制點數據采集采用GPS-RTK 完成，由于GPS-RTK 與傳統的測量技術相比，不受通視條件的限制，測量的距離遠、速度快、精度高，在工程應用中可以顯著地提高測量速度、測量精度和生產效率[15-17]。考慮線路走廊帶狀特性，為使控制點在測區合理分布，可在輸電線路測區范圍內兩端及中間加入控制點不少于3 個，通常100 張相片控制點6 個左右。控制點可用石灰粉在地面撒出十字標記符號，并用RTK 精確測量出相對坐標數據。

3.2 控制點與連接點加入

在Pix4D mapper 軟件進行數據處理時，為提高刺點效率，可以在初步處理后，在空三射線編輯器中設置控制點和添加連接點，其中連接點應選擇典型特征物體且位于地表，并在不同高程中均勻分布。

4 數據應用

4.1 點云直接測量分析

利用Pix4D mapper 軟件內部量測分析功能，可直接選取導線點云與地表點云進行測量，為提高測量導線對地表距離，可多次選取地表測量點與導線測量點，獲取最小距離數值為測量值。同時可以使用空三射線編輯器中對測量點重新刺點，對測量位置進行校正。

4.2 定制工具快速分析

將Pix4D mapper 軟件生成Las 點云文件導入定制開發工具，利用掛點位置與弧垂參數等信息，快速完成導線對象模型的構建。在測量分析時，通過調整導線位置與地表相切，即可快速計算出導線與地表距離關系，如圖5 所示。

圖5 定制工具距離分析

5 結束語

1）本文在常規飛行控制程序上針對特高壓直流線路開發出航線輔助規劃工具，使采集相片經處理后能夠完整復原導線點云模型。

2）提出了針對特高壓直流線路數據處理方式，通過加入地面控制點與連接點，提高了數據處理精度。

3）實際應用結果表明，本文研究的導線模型構建方案可高效應用于特高壓直流線路通道巡檢及交叉跨越檢查，其數據分析結果與人工地面巡查與測量結果一致，能可靠檢查輸電線路通道狀況，發現多種安全隱患，為運維管理提供決策依據。生成點云模型還可以為隱患評估提供可視化場景信息，方便人工輸助診斷和排查，提高了輸電線路巡檢質量和效率。

4）本文研究的特高壓直流線路導線模型復原與應用的解決方案，投入成本低、操作簡單，易于在特高壓電直流線路運維管理中推廣和使用。