基于實景三維模型的電力選線技術

張艷秋 李艷芳 花春亮

(1. 蘭州資源環境職業技術學院, 甘肅 蘭州, 730123;(2. 中國能源建設集團甘肅省電力設計院有限公司, 甘肅 蘭州, 730050)

0 引言

無人機傾斜攝影測量技術從一個垂直、多個傾斜角度對同一地物的不同角度進行拍攝,不僅能夠自動快速獲取地形地貌、建筑物、樹木等地理實體的紋理細節,而且可以彌補航空攝影測量只獲取地物正射影像的缺陷,具有較高冗余度的影像重疊,保證了高精度影像匹配的充足條件,使基于人工智能的三維(three-dimensional,3D)實景模型重建成為可能。傾斜攝影數據通過先進的定位、融合、建模等技術處理,能夠獲得高精度輸電線路地表的強真實感三維空間信息。

三維選線技術始于美國軍方研發的海拉瓦(HALAVA)系統,該方法能保證線(路徑)位塔位結合在一起,使路徑方案得到全方位優化,輔助電力工程的勘測設計,降低工程投資、縮短工程建設周期。實景三維模型數據位置精準、分辨率高、場景真實、要素全面,并且可以快速更新,現勢性好,是重要的基礎空間數據成果。本文將實景三維模型數據引入到輸電線路三維設計選線中,掌握研究區高精度地形地貌以及建筑物細節特征,并進行三維漫游分析,旨在研究如何將實景三維建模技術應用到電力三維設計選線任務中,實現三維模型數字化設計分析,使電力設計在選線過程中更具科學化、智能化,同時節省人力物力,優化資源配置,提升電力設計過程的效率。

1 無人機傾斜攝影三維建模技術原理

1.1 技術簡介

無人機傾斜攝影實景三維建模技術主要有以下幾個步驟：一是捕捉數據,進行區域網平差;二是將用傾斜攝影獲取的多視角影像進行密集匹配、空三加密,從中提取點云數據;三是進行紋理映射,得到研究區實景三維模型,獲得研究區地形地貌、植被、構筑物三維細節特征。其中,決定實景三維模型構建精度的最大影響因素是數據捕捉,即傾斜數據獲取,而布設合理的像控點是數據捕捉的核心。目前,布設像控點的主要方法有中心平高設控、邊緣平高設控、全面平高設控、中心高程設控和平高設控,實際布設過程中,優勢突出的是中心高程設控和平高設控法,優化處理后能大大提高三維建模的速度和精度,可以為電力工程勘測提供現勢性好、內容詳盡、數據精確、模型逼真的基礎空間地理信息數據。

1.2 系統構成

無人機傾斜攝影主要有3個系統構成：

(1)飛行平臺,低空航空攝影使用的航測無人機,不受場地的限制,并且能在航攝過程中保持飛行的穩定性。為了兼顧效率,本項目優先選用六旋翼無人機,搭載高性能傳感器,自動化、智能化同步記錄拍攝時的位置和姿態等信息。

(2)傳感器,由多鏡頭相機和全球導航衛星系統(global navigation satellite system,GNSS)定位裝置組成。為了建立三維實景模型,且保證拍攝對象立面影像信息的可用性,傾斜攝影獲取影像時通常以45°左右角度為優,從5個方向獲取目標地物的實景信息,包括一個垂直方向和4個側面方向。

(3)三維模型建立軟件處理系統,以Smart 3D為代表的人機交互半自動三維建模軟件,通過在獲得的目標區域傾斜影像上進行同名點提取、多視角匹配、三角網構建、紋理映射等操作步驟,實現把簡單連續的傾斜攝影影像轉換成實景真三維模型,且不需要太多的人工干預,既保證了精度有提高了建模的效率。

2 輸電線路工程三維選線技術介紹

建設輸電線路的首要環節是電力選線設計,選線成果的優劣直接影響到項目的進展情況、建設成本、運營成本、服務能力等方面。傳統的選線方法是基于1∶50 000地形圖進行粗選,設計人員進行現場探勘,再在地圖上進行修改,最后選出最終路徑方案,但地形圖圖幅所限,選線范圍固定,不易進行篩選、統計、分析,且存在地形圖的現勢性差的問題。為克服傳統外業選線的缺點,利用先進的測繪新技術進行選線方法革新,開展基于實景三維模型的電力設計選線研究十分必要。

輸電線路工程三維選線主要包括前期的踏勘、無人機傾斜攝影、三維模型建立、三維識別、線路初選等工序,實景三維模型建立的精度決定三維選線的效率和精確度。輸電線路的三維設計要以統一的數據模型和開放的平臺架構為基礎,以傾斜攝影數據庫為核心,以三維建模為技術手段,通過實景三維模型建立,可以對空間物體進行精確描繪,在計算機上實現三維地貌、地物的真實再現。將三維模型數據導入三維設計平臺,準確量測被跨越物的坐標、距離與高度信息,并直接對空間距離進行校驗,在三維平臺中較快捷且準確地對障礙物進行校驗或避讓,快速生產線路的平斷面圖,合理優化線路路徑跨越位置,設計階段綜合考慮跨越塔架立和放線施工,同時減少交叉跨越已建輸電線路,較大程度上提高了路徑優化工作的效率。

3 工程應用實例

3.1 測區概況

測區位于隴東高原黃土丘陵溝壑區,雨水豐沛、地形多變、地質構造復雜;新構造運動強烈,致使巖土破碎、滑坡、泥石流等地質災害發育較為頻繁;在以往的電力工程設計中,線路優化選擇主要靠人工決策,費時費力,工作效率低,并且遇突發自然災害,會危及工作人員的人身安全。該地區河流沖刷嚴重,交通條件較好,但是居民區、管線等地物分布零散,方便選擇無人機起降場地,開展無人機傾斜攝影測量,使整個選線過程達到最優,為線路選擇和設計提供輔助決策,在距離比較長、沿線地形較復雜、精度要求較高的輸電線路工程中,可以實現快速、精確的自動優化選線。

3.2 三維選線技術流程

依據電力工程三維數字選線設計要求,收集測區控制點數據、氣象資料、交通等基礎數據,開展無人機傾斜攝影測量,建立測區實景三維模型,在數字化選線平臺進行輸電線工程選線設計,具體的技術流程如圖1所示。

3.3 實景三維模型建立

按照每千米一對像控點布設,采用靜態GNSS接收機采集數據。航攝飛行方向自西向東,設置航向重疊度為80%,旁向重疊度為70%,選用6旋翼無人機作為飛行平臺,搭載5鏡頭傾斜相機,保證像片重疊度、像片傾斜角、像片旋偏角、航線歪曲度等要素要滿足飛行質量技術設計要求,對測區開展影像數據采集,經過空三加密、密集匹配生成點云數據,然后進行三維紋理貼膜等核心操作處理,生產測區實景三維模型數據,如圖2所示。

圖1 三維選線技術流程圖

圖2 研究區實景三維模型

3.4 精度分析

實景三維模型具有高精度、高分辨率、高清晰度的特征,能真實還原現實世界地物地貌特征,因此輸電線路工程三維設計在精度上是能夠滿足電力選線規程規范要求的。實景三維模型精度區別于傳統數字正射影像和數字高程模型,一般分為主觀評價和客觀數據分析,主觀評價是指人通過自己感官模型紋理的清晰度、色調、明暗程度、信息豐富度率等方面來評價實景三維模型表觀質量;客觀數據分析通過建立模型特征參數數據來評價其誤差。為了對三維實景模型的精度進行驗證,沿著輸電線路規劃路徑按照每500 m一個檢查點的標準選取40個檢查點進行精度評價分析,如表1所示。

表1 檢查點平面和高程誤差統計 單位：cm

平面中誤差計算公式為

(1)

高程中誤差計算公式為

(2)

利用式(1)計算得到平面中誤差為±6.4 cm,利用式(2)計算得到高程中誤差為±8.5 cm,平面和高程精度均符合三維數字化線路精度需,結果滿足電力工程數字攝影測量規程1∶1 000比例測圖精度要求。

3.5 基于實景三維模型的數字化選線設計

通過三維設計平臺在實景三維模型中進行輸變電工程優化設計選線和塔桿排位的優點是宏觀性好,可以直觀地從整體上對輸電線路路徑和塔桿的位置進行確定。

3.5.1

通過實景三維模型既能很清晰地識別電力線路、油氣管道、林木、房屋等地類的分布狀況,多角度觀察輸電線路路徑環境,又能準確量測線路斷面及房屋、樹木等地表物體的高程,精確統計并量測跨越物信息,進而實現對拆遷量的精確統計及路徑優化選擇的準確判斷,得到輸電線路設計選線的最優路徑,保證了電力選線精度,提高了勘察設計的效率,有利于合理控制工程造價。

3.5.2

依托實景三維模型數據在三維設計平臺中自動進行塔桿排位,首先要定義飛行路徑,設置高度值,在系統中沿固定高度進行三維漫游,這樣可以在高空總體上查看三維設計效果,使設計人員更直觀準確地對設計方案進行優化,實時校驗導線與障礙物的空間距離,對線路走廊的合理性和可行性進行綜合評價,最終確定塔桿的精確位置。借助平臺三維漫游功能,可以簡化煩瑣的統計工作和復雜的校核工作,較大程度上提高了塔桿排位的效率。三維選線成果見圖3。

圖3 三維選線成果圖

4 結束語

無人機搭載多角度傾斜相機快速獲取各個方位的地表影像數據,通過數據處理恢復真實地表三維模型,并利用三維實景模型線路優化選線等工作,為電力勘測設計人員提供一種經濟、快捷地電力三維選線途徑,解決了原始電力選線中地形圖現勢性差,受圖幅所限,選線范圍固定,不易進行篩選、統計分析等行業難題,大大提高了選線成果的效率、項目的進度,降低了建設成本。隨著行業的發展和三維選線系統的應用,它將改變電力線路設計原有的思維模式和操作方式,徹底擺脫設計人員進行現場探勘,再在地圖上進行修改,最后選出最終路徑方案的模式,而是將研究區域直觀地在平臺進行展示,為電力線路測量提供空間分析、坡度計算、坡向計算等輔助功能,為電力工程三維設計提供真實直觀的基礎三維實景地理信息數據模型,滿足電力測量地表三維數據獲取、管理及高效利用的全流程需求,是電力行業技術方法革新的關鍵性一步,將對提升電力行業效率和改善工作方式產生革命性影響。