基于傾斜攝影的輸電線路三維建模應(yīng)用研究

馬海霞，李中興，陳斯炯

（1.華南理工大學(xué)廣州學(xué)院電氣工程學(xué)院，廣東廣州 510800；2.廣東機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣技術(shù)系，廣東廣州 510515；3.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司汕頭澄海供電局，廣東汕頭 515800）

近年來，我國電網(wǎng)建設(shè)高速發(fā)展，規(guī)模已居世界首位。無人機巡檢技術(shù)在輸配電線路巡檢中被迅速推廣應(yīng)用，以提高巡檢效率，降低工作人員勞動強度。目前無人機自主巡檢中，一個至關(guān)重要的制約其發(fā)展的因素是輸配電網(wǎng)絡(luò)三維模型的建立。輸電線路巡檢中三維建模一般采用激光雷達進行,但由于設(shè)備昂貴，導(dǎo)致電網(wǎng)企業(yè)需投入的資金較多，在短期內(nèi)無法實現(xiàn)全面覆蓋。而傳統(tǒng)3D MAX 建模技術(shù)難度較大、專業(yè)性強，主要應(yīng)用于建造設(shè)計中。現(xiàn)有技術(shù)的大規(guī)模三維建模流程也尚未規(guī)范，造成工作效率低下。無人機攝影技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種新的三維建模技術(shù)，主要在違章建筑監(jiān)測、測繪及智慧旅游等領(lǐng)域開始應(yīng)用，并取得了良好的效果[1-3]。文獻[4]針對單體建筑物三維精細化建模問題，使用單體建筑物影像三維環(huán)繞式航線規(guī)劃技術(shù)的數(shù)據(jù)采集的方法，提高模型精度和視覺效果[4]。文獻[5]提出了一種基于傾斜影像三維線特征約束的三維模型優(yōu)化方法，來消除模型的凹凸不平和邊緣鋸齒等視覺效果不佳問題[5]。目前已經(jīng)有研究人員開始探索將傾斜攝影技術(shù)用于電力行業(yè)，文獻[6]將激光雷達與傾斜攝影技術(shù)融合起來，對電力巡檢系統(tǒng)進行優(yōu)化[6]。文獻[7]使用傾斜攝影技術(shù)對水電站進行三維建模，以解決老水電站數(shù)字化困難的問題[7]。文中針對當前架空輸電線路三維建模的不足，提出使用傾斜攝影技術(shù)進行輸電線路的三維建模，并依據(jù)實際建模經(jīng)驗提出一套規(guī)范化的建模操作流程，降低設(shè)備成本，提高工作效率，為大規(guī)模輸電線路三維建模提供依據(jù)。

1 無人機傾斜攝影技術(shù)

1.1 傾斜攝影原理

無人機傾斜攝影技術(shù)是通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器（傾斜相機），同時從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體更為完整準確信息的一種方法。

傾斜相機不管是單鏡頭還是多鏡頭，都會拍攝一組正射影像和4 組傾斜影像，通過區(qū)域網(wǎng)平差算法將傾斜攝影影像進行聯(lián)合平差、影像匹配、三維建模，提取所需信息[8]。傾斜攝影圖像處理流程如圖1所示。

圖1 傾斜攝影圖像處理流程

多視角圖像具有垂直視角的正射圖像和傾斜圖像。多視影像在聯(lián)合平差過程中需要判斷物體遮擋情況，結(jié)合無人機提供的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)獲得影像外的方位信息，在建立連接點和連接線的過程中，將執(zhí)行相同名稱圖像點的自動匹配和自由網(wǎng)束方法的調(diào)整。控制點坐標、GPS 信息、三軸姿態(tài)角和加速度測量信息用作輔助數(shù)據(jù)，以進行算法的調(diào)整。影像匹配可以獲取高精度的數(shù)字表面模型（DSM），并且可以更好地表達地形的起伏形狀。在真正射影像糾正過程中，需要用到大量的多角度傾斜圖像和連續(xù)數(shù)字高程模型（DEM），而且需要用到離散分布且差異很大的地面物體。因此，需要分別在圖像側(cè)執(zhí)行校正、圖像分割、邊緣信息提取、紋理聚類等方法，以提取圖像側(cè)的立體信息。

通過上述步驟對斜攝影圖像進行處理后，可以使用專業(yè)的軟件生成斜攝影模型，即單體模型或非單體模型。單體模型基于圖像中側(cè)面紋理的特定細節(jié)，結(jié)合三維線框模型，在紋理映射后生成三維模型。在該過程中，高密度點云也可用于構(gòu)建不規(guī)則性的表面，三角網(wǎng)格模型可生成具有一定映射精度的斜攝影三維模型[9]。

1.2 傾斜攝影測量的優(yōu)點

如圖2 所示，傾斜攝影測量能夠清晰地展現(xiàn)真實地物信息，相比于傳統(tǒng)3D MAX 建模誤差大的缺點，能夠做出較好的補償。傾斜攝影三維模型的高度、面積、體積等信息可以通過軟件進行測量，相比使用全站儀等設(shè)備測量更加方便。相比于傳統(tǒng)3D MAX 建模方式，傾斜攝影測量從外業(yè)采集到內(nèi)業(yè)，數(shù)據(jù)處理整個流程所用的時間僅為傳統(tǒng)3D MAX 建模的1∕3，大大節(jié)省了建模時間。在三維模型建立過程中，傾斜攝影測量技術(shù)能夠進行大規(guī)模圖像采集和模型重建，同時能夠直觀地表現(xiàn)物體立面的紋理信息、壓縮建模時間、節(jié)約建模成本。使用傳統(tǒng)方法重建的三維模型數(shù)據(jù)量較大，不宜于儲存與發(fā)布，傾斜攝影三維模型的影像數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量較小，便于進行數(shù)據(jù)共享[10-11]。

圖2 傾斜攝影測量技術(shù)的優(yōu)點

1.3 圖像幾何失真處理

進行傾斜攝影測量時，首先應(yīng)對幾何圖形進行多視圖處理，糾正和消除圖像的幾何失真。導(dǎo)致圖像變形的原因包括地面的起伏、光折射的影響、傳感器的位置以及無人機飛行姿態(tài)的變化等。除此之外，由于攝像機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，成像分辨率和鏡頭質(zhì)量等原因，也會導(dǎo)致圖像變形。上述像點偏移的誤差是由傳感器結(jié)構(gòu)和各種外部原因引起的，而引起變形最主要的誤差來自鏡頭畸變，但它所產(chǎn)生的誤差屬于系統(tǒng)誤差，可以通過一定的計算方法進行消除[12]。鏡頭的構(gòu)造則不同，通常會導(dǎo)致出現(xiàn)變形的情況，這種變形稱為光學(xué)畸變。除了鏡頭本身的構(gòu)造外，感光元件及相機內(nèi)部光電轉(zhuǎn)換元件對影像進行處理時也會造成一定的誤差，形成畸變。徑向畸變、切向畸變和電荷耦合器件面陣變形都是常見的光學(xué)畸變。文中使用相機檢校軟件對相機進行檢校，獲取畸變參數(shù)，對影像進行畸變差糾正。

2 傾斜攝影三維建模規(guī)范化流程

使用無人機傾斜攝影測量技術(shù)進行輸電線路的三維模型重建工作，可以分為兩部分：外業(yè)工作和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。傾斜攝影測量的外業(yè)工作是在測量中進行所有前期數(shù)據(jù)采集工作的統(tǒng)稱，其工作流程包括：現(xiàn)場踏勘、航攝方案擬定和航攝實施。傾斜攝影航攝任務(wù)結(jié)束后，將影像數(shù)據(jù)從內(nèi)存卡拷貝到工作站上，開始進行數(shù)據(jù)處理。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要包括以下流程：原始數(shù)據(jù)準備、提交控制三角測量、提交三維重建、生成三維網(wǎng)格和三維點云、三維網(wǎng)格及三維點云的修飾以及三維模型的應(yīng)用。

通過多次實踐，總結(jié)出一套利用無人機傾斜攝影測量技術(shù)進行三維建模的流程，如圖3 所示。

圖3 無人機傾斜攝影三維建模流程

3 輸電線路實訓(xùn)基地三維建模

文中采用的三維建模系統(tǒng)為Bentley公司的Context Capture 軟件[13-14]。該軟件能夠根據(jù)相機內(nèi)部方位元素、照片位置、云臺姿態(tài)參數(shù)和POS 坐標等數(shù)據(jù)，通過空中三角測量和3D 重構(gòu)輸入相關(guān)參數(shù)，可以自動生成真實圖像的高密度點云，并生成三維模型。

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

文中以某輸電線路實訓(xùn)基地為例進行三維模型重建，實訓(xùn)基地西側(cè)樹木較高，對地高度約為30 m，東側(cè)為學(xué)生公寓，對地高度約為25 m。

1）測區(qū)劃定

文中以輸電線路實訓(xùn)基地中三基塔為主體，三基塔經(jīng)緯度坐標如表1所示，測繪區(qū)面積為2 075 m2。

表1 測區(qū)經(jīng)緯坐標

桿塔位置及邊界點位置如圖4 所示。

圖4 測區(qū)劃定

2）航攝技術(shù)參數(shù)確定

為確保無人機按照計劃航線完成此次航攝飛行任務(wù)，需根據(jù)無人機飛行安全規(guī)范以及低空數(shù)字航空攝影規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，在實施航攝之前完成各項航攝技術(shù)參數(shù)：航高、航線等參數(shù)的計算[15-16]。

首先要計算航高，根據(jù)測區(qū)地形與預(yù)計影像精度，對于不同任務(wù)需要選擇合適的測圖比例尺和分辨率，再依據(jù)式（1）計算航高參數(shù)：

式（1）中，H為攝影航高(m)；f為物鏡鏡頭焦距(mm)；a為像元尺寸(μm)；GSD為地面分辨率(cm)。

確定測區(qū)范圍后，通過測區(qū)的面積確定飛行航向以及飛行航線長度，根據(jù)式（2）計算可得出航線間隔寬度，根據(jù)式（3）計算可得出攝影長度：

其中，DX表示實地航線間隔寬度，BX表示實地攝影長度，LX表示像幅長度，LY表示像幅寬度；PX表示航向重疊率，QY表示旁向重疊率。

文中選用大疆Phantom4ProV2.0 無人機作為執(zhí)行航攝任務(wù)的平臺，相機云臺的傾角設(shè)置為-45°，飛行的平均速度設(shè)置為4 m∕s，航攝任務(wù)共計需要20 min。

3.2 三維模型重建

外業(yè)數(shù)據(jù)采集任務(wù)后獲得原始影像469 張，經(jīng)過檢查清晰度及坐標等原始數(shù)據(jù)確定其中339 張可用于三維重建，影像利用率為72%；利用空中三角測量，計算出關(guān)鍵連接點67 482 個；重投影誤差為0.66像素。空中三角測量完成后，由關(guān)鍵連接點生成3D視圖，如圖5 所示。

圖5 空中三角測量3D視圖

三維重建有兩種方法：三維網(wǎng)格重建和三維點云重建。三維網(wǎng)格重建效果如圖6 所示。

圖6 三維網(wǎng)格重建效果

圖6 為三維網(wǎng)格重建效果，其時間取決于模型范圍的大小和模型重建的精度，通過多次對不同模型范圍及不同精度進行建模對比，發(fā)現(xiàn)模型范圍越大，重建時間越長；精度越高，重建時間也越長。在規(guī)劃的測繪區(qū)域外，由于圖像數(shù)量較少、重疊率較低，導(dǎo)致出現(xiàn)空洞，影響模型的美觀，需要對其進行修飾，才能達到更好的效果。三維點云重建時，由于傾斜攝影所采集的影像是由像素點構(gòu)成的，能夠通過計算為每一個像素點定義屬性，與激光點十分相似，隨著相機像素不斷提高，大幅度提升了建模效果，對于一般的場景，足夠達到其應(yīng)用要求。

4 結(jié)論

無人機傾斜攝影三維建模相比于傳統(tǒng)建模技術(shù)，可以實現(xiàn)快速建模，并且其視覺效果更加接近于現(xiàn)實。文中針對輸電線路實習(xí)基地利用傾斜攝影技術(shù)建立了三維模型，得到了三維網(wǎng)格建模模型和三維點云建模模型，并對兩種模型作了對比分析。同時在建模傾斜攝影建模實踐中總結(jié)出建模工作流程。三維網(wǎng)格重建后精度基本上可以達到厘米級，滿足線路巡檢的基本要求，為無人機自主巡檢提供了依據(jù)。利用三維點云重建的三維模型可以自動測量導(dǎo)線的對地距離，不需要人工進行巡檢，節(jié)約了時間，提高了巡檢的效率。但是桿塔結(jié)構(gòu)或樹木的遮擋導(dǎo)致部分數(shù)據(jù)缺失是不可避免的，其對桿塔構(gòu)建精細部分的重建誤差較大，使輸電線路精細化巡檢具有一定的難度。但隨著技術(shù)的發(fā)展和硬件性能的提升，傾斜攝影三維建模精度逐步升高，輸電線路精細化巡檢的問題也將得以解決。