無人機傾斜攝影建模在變電工程勘察中的應用

史青禾，林文靜，馬 靜，靳 軍，王 田，侯帥超

（德州華德電力勘察設計有限公司，山東 德州 253000）

引言

無人機傾斜攝影建模是利用無人機采集的低空影像通過空中三角運算生成實景模型的技術，該技術已廣泛應用于地圖測繪、國土安全、工程建設等諸多行業，涵蓋了基礎測繪、規劃勘察、方案論證和運行維護等多個方向[1]。

變電工程的勘察作為電網建設的重要環節，是確保變電工程順利進行設計、施工及運維工作的前提，勘察結果應能真實地反映目標區域的地理空間信息和交通運輸通道，并且應與輸電線路走廊密切銜接，是最大程度提高土地使用效益、安全可靠供應清潔能源的基礎。

無人機傾斜攝影建模技術相較于傳統的人工勘察作業，在高效性、靈活性和直觀性等方面具備無可比擬的優勢，其建模成果也可應用到變電工程三維設計、施工管理和后期運維等方面，具有十分廣闊的應用前景和研究價值。

1 無人機傾斜攝影建模概述

無人機傾斜攝影建模技術是通過在飛行平臺上搭載高清傳感器，同時從垂直、傾斜等不同角度采集影像[2]，通過整合經緯度坐標、無人機飛行姿態信息（POS）、數字高程模型（DEM）、數字正射影像圖（DOM）等數據，進行基于原始影像的空中三角坐標測量[3]，最終得到與現實環境完全相同的三維實景模型的過程。這項技術融合了多視角影像聯合平差、密集匹配、DSM濾波融合等技術，能夠直觀地反映地理空間精細結構。

1.1 無人機傾斜攝影建模發展現狀

無人機正逐漸由重量級、固定翼、油動機向輕量級、多旋翼、電動機過渡，特別是近年來便攜式無人機的廣泛應用，可以低成本、高效率地采集指定區域的多視角影像資料。

在影像傳感器方面，目前廣泛采用有美國的UltraCam Osprey、瑞典的Leica RCD30、中國的SWDC-5等攝影系統。在建模軟件方面，比較有代表性的有美國Bentley公司的Context Capture Center、瑞士Pix4d公司的Pix4dMapper、法國Infoterra公司的像素工廠、徠卡公司的LPS工作站等系統，在國內主要有超圖軟件公司的SuperMap-GIS7C、天際航公司的DP-Modeler等三維建模系統。

無人機傾斜攝影建模技術如今在重大工程建設、國土安全、資源保護與開發、區域規劃發展等領域應用十分廣泛。在電力工程方面，實景三維模型為電力工程的規劃勘察提供了十分便利的數字化平臺，在輸電線路工程路徑選擇、變電站站址規劃勘察和工程三維設計等方面具有廣闊的應用前景。

1.2 傾斜攝影建模的特點和優勢

無人機傾斜攝影建模技術的技術特點和優勢主要有以下幾個方面：

1）快速、便捷、全自動。通過無人機實現影像數據的快速采集，進行全自動的實景建模，極大地節省了時間和人力成本。

2）身臨其境的實景三維模型。生成基于真實影像紋理的高分辨率實景三維模型，對指定區域的全要素還原達到了接近真實的極致。

3）建模成果可實現精準測量。建模成果直接進行坐標、高程、面積、土方量等參數的量測。

4）廣泛的數據兼容性。建模成果能夠輸出包括obj、osgb、dae等在內的多種兼容格式，方便導入各種三維應用平臺，并且可以流暢地應對本地訪問或互聯網遠程瀏覽。

2 技術路線

無人機傾斜攝影建模技術的應用流程可分為準備階段、傾斜影像獲取、影像數據處理和模型輸出及應用四個過程。

2.1 準備階段

在執行無人機航攝作業之前，根據擬建變電工程地理空間布局、工程規模和輸電線路走廊等信息，制定合理的飛行方案。如果目標區域在1 km2以內，且地勢較為開闊、氣象條件較好，適合采用輕量級無人機搭載單鏡頭或五鏡頭相機。如果區域超過2 km2，地勢起伏較大、氣象條件惡劣，則需固定翼或多旋翼無人機搭載專業攝影云臺來完成攝影任務。執行航攝任務的成員應受過專業培訓并取得適航證書，如果航攝任務涉及航空管制區域，需提前向所在軍區及航空管制部門進行申請與備案[4]。

無人機飛行航線是影響飛行安全和影像采集質量的關鍵指標，航線規劃應滿足以下要求：

1）確保目標區域全部涵蓋在拍攝范圍內。

2）根據地面分辨率的要求合理設置飛行高度和速度，表1所示數據為經過多次航攝作業得到的參考值。

表1 地面分辨率與無人機飛行高度、速度對照表

3）飛行高度應能避讓航攝區域內物體最高點。

4）確保航向重疊率和旁向重疊率均不小于70%。

2.2 傾斜影像獲取

執行無人機放飛任務之前，作業人員需合理選定無人機起降場地和坐標控制點。無人機起降場地應平坦開闊、視野良好，并遠離高大障礙物、機場、人口稠密區和無線電干擾源，確保無人機起降、飛行安全。

地面坐標控制點是用來輔助控制平差，為建模提供輔助性定位信息的措施。對區域添加控制點能夠避免相機的長距離幾何失真，賦予傾斜攝影成果真實的平面坐標，使模型具有更加準確的空間地理精度。航攝區域內有效的控制點集合需要包含3個及以上的坐標控制點，便于建模軟件正常運行。

2.3 數據處理

將航攝獲取的影像、飛行姿態信息（POS）、坐標控制點等作為原始數據源導入Context Capture Center系統進行數據處理工作。在導入數據時，不同焦距、分辨率的影像應分組導入，對于具有坐標控制點的影像，在空中三角運算前應將坐標控制點與影像刺點進行關聯。

空中三角運算是基于多視角影像聯合平差、密集匹配等算法對影像屬性和POS信息的精細化糾正，該過程是傾斜攝影實景建模過程的核心步驟，也是模型生成的前提?？罩腥沁\算生成的點云模型通過軟件TIN網格構建和紋理映射，最終生成滿足工程需要的三維實景模型。

2.4 模型輸出及應用

Context Capture Center軟件的建模成果具有高精度的空間地理信息，能夠直觀地展示目標區域內全要素的地理空間成果，可以將變電站三維模型與傾斜攝影實景模型進行關聯分析，將變電工程以實景可視化的方式呈現，最終得到既滿足電網工程要求，又滿足區域環境要求的變電工程方案。

3 工程應用案例

3.1 項目背景

為滿足山東省德州市經濟技術開發區中部日益增長的用電負荷需求，提高供電可靠性，優化網架結構，規劃建設德州崇德110 kV變電站，擬建站址位于德州市規劃大學東路以南、崇德三大道以西。為精準展現本工程站址及周邊地理空間布局，合理規劃各級輸電線路路徑和塔位，在本工程的勘察階段應用無人機傾斜攝影技術，創建三維實景模型。

3.2 傾斜影像采集

本工程傾斜攝影的目標區域東西長420 m，南北寬400 m，采用大疆悟Inspire 2.0型無人機搭載Zenmuse X5S型單鏡頭相機，使用DJIGSpro進行智能航線規劃，航攝區域設置4個坐標控制點。整個工程共作業3架次，獲取原始影像2 000余張。

3.3 數據處理

影像采集完成并進行畸變矯正預處理后，將原始影像、POS文件、坐標控制點信息導入Context Capture Center軟件中進行參數設置，提交空中三角運算，生成高密度三維點云模型。將點云模型提交模型重建任務，自動構建三維TIN網格和白體三維模型，然后擬合原始影像進行紋理映射，生成高精度的三維實景模型。

3.4 模型關聯與應用

三維模型的DEM/DOM文件可直接為變電工程的勘察提供精確的地理空間信息，如站址定位和土方測量等。模型經過精細化調整和修飾后，將傾斜攝影實景模型與在Revit軟件中搭建的變電站三維數字模型進行關聯融合。

3.5 精度分析

為驗證無人機傾斜攝影實景建模的精度，本工程利用RTK在區域內實測了10個位置的坐標，與生成的實景模型坐標進行對比。通過對兩組數據對比，平面精度中誤差為0.05 m，高程精度中誤差為0.10 m，根據《1∶500、1∶1 000、1∶2 000地形圖航空攝影測量內業規范（GB/T 7930—2008）》要求，本次作業生成的模型滿足規范要求的精度。

4 結語

無人機傾斜攝影建模技術以其便捷高效、實景精確、兼容性高的特點，能夠滿足變電工程在數字化、信息化方面不斷提出的新要求。生成的實景模型能夠為變電工程的全生命周期提供數據支撐服務，值得在未來的學習、生產中不斷試驗與探索。