輸電線路桿塔空氣間隙三維可視化管理系統

許 焱，郭 寧，張 輝，苗 堃，李 超，劉亞文

（1.國網河南省電力公司濟源供電公司，河南 濟源 459000；2.武漢大學遙感信息工程學院，湖北 武漢 430079）

隨著通信技術、網絡技術的廣泛應用，結合Web GIS和虛擬建模技術的輸電線路管理系統成為主流，如文獻[1]將三維仿真場景同日常輸電線路管理結合起來，實現電網企業智能化的運行和管理。文獻[2]提出一種基于全景的輸電線路可視化運維管理方法，提高了輸電線路運維管理的可靠性。文獻[3]采用基于圖形和圖像的混合建模方法，并充分利用VRML和3DS max建模技術來實現輸電線路三維場景建模。

采用虛擬場景的方法，無法真實展示輸電線路地形、地物、桿塔等的三維形狀及相互的空間分布和關聯。隨著新型遙感傳感器和無人機傾斜攝影測量技術的發展，高效獲取輸電線路影像并重建場景真實三維模型得到了保證，在真實場景下的架空線路管理與分析更加直觀、清晰和科學。文獻[4]通過建立激光點云三維可視化平臺，在線真實展現輸電線路及通道內地物的現場運行場景，為輸電線路在線管理和輔助決策提供了信息支撐平臺。文獻[6]集多源數據（點云、影像、模型、線路隱患診斷的缺陷數據等）構建了輸電線路巡檢可視化管理系統，有效提高輸電線路巡檢的工作效率。文獻[5]利用輸電線路通道的三維激光雷達點云以及各類坐標、尺寸、距離等信息，共同組成了對輸電線路通道的完整可視化描述，為生產作業提供重要的輔助決策信息。

現有真實場景方法中，輸電線路場景、桿塔及線路模型通常是由同一分辨率數據構建的，但在實際工作中，相對輸電線場景，桿塔和線路的模型需要更高分辨率數據來表現。另外，大多數的輸電線路管理系統側重設備臺賬信息，而結合輸電線路場景模型的線路關鍵參數管理對于輸電線路安全運維更有意義。在上述研究基礎上，本文提出了兼顧數據量和表現力的輸電線路建模方案，即對于輸電線路場景和桿塔采用不同分辨率建模方案，該方案能夠保證輸電線場景模型的精細度，保證桿塔模型的可量測性。同時，在Web GIS框架下構建了真三維場景的防風偏參數桿塔空氣間隙管理系統，實現可視環境下對桿塔空氣間隙的查看、瀏覽與分析，為輸電線路防風偏提供可靠的信息平臺。

1 輸電線路桿塔空氣間隙管理系統的關鍵技術

輸電線路三維模型數據的生成及桿塔空氣間隙管理系統構架是三維可視環境下，輸電線路桿塔空氣間隙管理系統的主要環節。輸電線路三維模型數據是系統實現真三維場景下可視化顯示、查詢及瀏覽的基礎數據。本文采用無人機航飛采集輸電線路影像，根據攝影測量方法構建輸電線路三維點云和紋理模型[7]。桿塔空氣間隙管理系統構架基于Web GIS，充分利用B/S模式的優點，實現在線輸電線路場景可視化展示，可以隨時隨地查詢、瀏覽數據。

1.1 輸電線路三維重建與桿塔空氣間隙量測

輸電線路走廊跨度大、覆蓋范圍廣，考慮到模型點云數據量及Web端瀏覽效率，對輸電線路的場景、桿塔和電力線采用不同建模方案。場景采用常規的攝影測量方式建模，桿塔和電力線則采用傾斜攝影測量與半自動幾何建模相結合的方式建模。

1）輸電線路場景三維建模。輸電線路場景一般為山地或者林地，且地形較為復雜，對其建模的目的是為了更清晰、直觀地展示桿塔和電力線所處的地形環境。因此，輸電線路場景建模可以采用傳統航測測圖的數據采集和處理方式。固定翼無人機航速快，續航時間長，適合用來對大范圍場景建模采集影像。航空攝影時，按照設計的飛行參數（航高、飛行速度、航向旁向重疊度等）和軌跡采集影像。影像數據建模處理主要步驟為空中三角測量、密集點匹配及數字表面模型（DMS）生成。

本文實驗選擇固定翼思洛普S180無人機，采用其自帶航線規劃軟件，按照常規測繪生產測圖的模式，在指定飛行區域，自動采集具有一定重疊度的影像。Pix4Dmapper用來完成輸電線路場景點云模型構建，如圖1所示。圖1左上方為某區域輸電線場景點云和紋理模型，數據采集相對航高為770 m，航線數為8，重疊度分別為航向80%和旁向65%，地面分辨率為9.8 cm，影像共947幅。

圖1 輸電線場景點云和紋理模型

圖1下方為圖1左上方局部放大圖，其中黃色圓圈標注的為桿塔，圖1右上方為黃色圓圈標注桿塔的放大圖。

2）桿塔三維重建與空氣間隙量測。航空傾斜攝影技術不同于傳統的從單一垂直角度進行拍攝的航空攝影模式，而是在一個飛行平臺上同時搭載多個成角度的感光器件，分別從垂直角度和傾斜布設的CCD傳感器獲取地面多方向的立體圖像信息[8]。本文采用具備定點凝視能力的旋翼無人機傾斜攝影數據采集平臺，通過搭載單個影像傳感器對桿塔進行多航線攝影任務，在每個航線任務中，通過調整傳感器的傾斜角度，獲取桿塔不同側面的影像。由多視角影像匹配得到桿塔點云模型具有一定的精度和可靠性，可以通過量測點間距離獲得桿塔的空氣間隙。通過建立桿塔模型及在模型上量測桿塔空氣隙間的方法，較傳統通過實地量測、推算等的方法具有方便、高效、可靠的特點。

本文實驗選用Phantom 4 RTK旋翼無人機采集桿塔影像，采用DJI GS RTK App航線規劃軟件中攝影測量3D（五向飛行）方式，對桿塔測區執行5次航線任務，分別為正射以及向東南西北的4次傾斜任務。DJI Terra完成數據處理，得到桿塔點云和紋理模型。圖2a為桿塔點云和紋理模型，數據采集相對航高為50 m，重疊度分別為航向80%和旁向70%，相機傾斜角為60°的影像共143幅。通過量測點間距離獲得桿塔空氣間隙，量測點獲得桿塔懸掛點坐標，如圖2b。

為了減少數據量和增強可視化效果，在點云模型基礎上，結合3DS Max半自動重建了桿塔幾何模型，如圖2c所示。

圖2 桿塔模型與空氣間隙量測

3）電力線三維重建。在電力線場景建模中，無人機飛行方向與電力線方向近似一致，使得立體影像中的左右視差方向幾乎與電力線方向平行，電力線三維重建難度加大[9]。考慮到架空電力線在實際環境中由于風偏而發生擺動，本文對電力線的重建方案是在采集桿塔懸掛點坐標基礎上，根據架空電線弧垂計算公式,采樣一定數量的數據點模擬風偏后的導線，提供可視化電力線三維模型[10]。

電力線在有風的情況下，會繞懸點連線轉動，形成一個風偏平面。將風偏平面分別投影到垂直平面和水平平面，可以得到垂直投影面內架空線弧垂公式（1）和水平投影面內架空線弧垂公式（2）。

式中，l為檔距；β為高差角；gv為垂直比載；gh為水平比載；σ0為水平應力。在得到垂直、水平投影面內架空線的有關數值后，風偏導線即可選取一定數量采樣點進行擬合。

1.2 基于Web GIS的輸電線路桿塔空氣間隙管理系統構架

系統架構如圖3所示，數據層包括OSM（open?street map）二維矢量圖、Google影像、輸電線路場景和桿塔三維點云和紋理數據、桿塔幾何模型數據及空氣間隙等相關屬性數據；服務層對應用提供數據服務和功能服務；應用層實現輸電線路場景可視化二維和三維瀏覽，桿塔空氣間隙等屬性查詢及分析等功能。

圖3 輸電線路桿塔空氣間隙管理系統框架

1）多源數據的組織與管理。輸電線路的多源數據包括Google影像、二維矢量地圖、輸電線路場景及桿塔的三維點云和紋理數據及桿塔空氣間隙等相關屬性數據。為實現輸電線路三維實時瀏覽、查詢及分析等功能，對于不同類型的數據采用不同的組織和管理以滿足三維場景實時瀏覽的需要。Google影像數據采用分級分塊組織，層與層之間的分辨率是2倍數關系，塊大小為256×256，最上層的分辨率最低，存儲的時候對這些標準塊根據其位置信息建立了索引號。在對目標物體進行放大、縮小、漫游等操作時，計算該物體最終在屏幕上成像的大小，并以此決定該使用哪一層分辨率的影像[11]。二維矢量地圖由OSM下載得到的瓦片地圖，以Tile格式存儲。輸電線路場景及桿塔的三維點云和紋理數據是由傾斜攝影采集影像處理生成，采用3D Tiles格式存儲。3D Tiles以樹結構來組織Tile，并結合了多細節層次LOD的概念，解決大數據量三維場景顯示和管理的優化問題，以便最快最佳地渲染空間數據。

空氣間隙是桿塔的重要屬性數據，無人機航飛影像生成精細的桿塔點云數據之后，可進行桿塔空氣間隙、桿塔高度及懸掛點等測量，桿塔類型、桿塔位置坐標等可以從已有線路數據中獲取。這些屬性數據采用Excel表進行存儲，每個桿塔具有唯一的標識號。系統支持從Web端讀入Excel文件，將桿塔屬性數據導入SQLite數據庫中，并自動基于桿塔標識號匹配相關的桿塔三維模型。

桿塔和線路是輸電線路三維模型的主要組成部分，在線路和桿塔之間增加一個虛擬線路桿塔的中間表，這樣可在數據庫中反映出多線同塔的情況，也可減少數據冗余，如圖4所示[1]。

圖4 線路和桿塔的數據組織模式

2）輸電線路的可視化瀏覽。本文采用二維和三維聯動顯示輸電線路，二維顯示以OSM矢量地圖為基準，桿塔以符號表示。三維顯示以三維球為依托，以google影像為基準，根據桿塔坐標可以快速定位輸電線路所在地理位置。多源數據可以實現同步加載，也可以根據需要，通過選擇的方式分別加載輸電線路場景點云和紋理數據、桿塔點云和影像數據、桿塔幾何模型數據等，以移動視點的方式，實現3D輸電線路場景瀏覽。

3）桿塔間隙查詢與分析。通過輸入桿塔位置坐標或名稱，搜索并查看桿塔的空氣間隙等屬性信息。也可以直接在二維顯示或三維球上可視化點擊桿塔，實現選中桿塔空氣間隙等屬性的查詢。在三維場景下，桿塔、線路及線路場景間的空間關系直觀，結合了線路空間模型的桿塔空氣間隙表達方式，更加形象，有利于管理人員準確掌握、分析與判斷線路運營的實際狀態。

相關研究表明，提高輸電線路導線懸掛高度，可以有效改善輸電線路對周圍環境的影響，但風力對線路的影響更大，更容易導致導線和桿塔之間的空氣間隙距離縮小，發生閃絡[12]。為此，本系統設計了線路模擬功能，通過調整桿塔位置和朝向來展示、分析地形、風向等因素可能對線路空氣間隙的影響。

2 系統實現與分析

部署并啟動服務器之后，訪問http://localhost:8081/smartTower即可打開主頁面。設置系統界面場景配置參數（視角空間位置和方向），場景會快速定位到實驗數據所在地理位置的OSM矢量地圖和Google影像。系統可以分別加載實驗數據的輸電線路場景三維點云和紋理模型（圖5a）、桿塔三維點云和紋理模型(圖5b)、桿塔的幾何模型（圖5c）和電力線模型（圖5d），也可以同時加載上述三維模型數據，并在系統界面通過鼠標、滾輪移動實現漫游、放大和縮小等瀏覽。

圖5 基于Web的輸電線路顯示

桿塔空氣間隙是輸電線路重要的屬性信息，圖6所示為在系統界面三維球上，可視化點擊桿塔，系統可以顯示桿塔的空氣間隙值。同時結合三維球上輸電線路桿塔模型，可以更加直觀地顯示桿塔間隙及桿塔所處線路場景環境。考慮到地形環境、風向等因素對輸電線路桿塔空氣間隙有較大影響，在三維球上，通過導入調整后的線路桿塔位置、方向數據，如圖7a所示，自動生成模擬線路，用于分析環境、氣候條件對輸電線路桿塔空氣間隙的影響。

圖7 線路模擬與空氣間隙分析

3 結語

本文構建了基于Web GIS的真實場景下輸電線路空氣間隙管理系統，能夠實現桿塔空氣間隙在輸電線路真實場景下的直觀展示、查詢與分析。在系統場景構建中，提出了結合傳統無人機攝影測量與傾斜攝影測量的輸電線路重建方案，保證了輸電線路場景、桿塔點云和紋理模型所需的精細度。系統設計方面，充分利用B/S模式的優點，搭建了基于Web GIS的完整、合理的桿塔空氣間隙管理系統架構，實現了三維可視化場景下的輸電線路桿塔空氣間隙的科學管理。