無人機在電力勘測中的應用研究

孟浩燦 蔣達 申曉丹 林杰

（1.國網河南能源互聯網電力設計院有限公司，河南 鄭州 450001；2.河南省測繪院，河南 鄭州 450003；3.河南省地質科學研究所，河南 鄭州 450001）

1 引言

“十四五”以來，我國電網建設保持高速發展，對電網勘測、設計、建設等各階段作業效率提出了迫切需求。無人機航測技術憑借機動性強、分辨率高、實時性強、成圖比例尺大、三維建模迅速等優點，迅速應用于電力勘測設計領域，可實時量測、提取、分析，選擇變電站站址，輸電線路路徑優化，提高作業效率，保證勘測設計質量。

2 無人機在電力勘測中的綜合應用

本文通過無人機搭載5 鏡頭傾斜相機，采用傾斜攝影獲取高重疊度影像數據，利用集群處理影像數據，輸出實景三維模型，實現變電站選址、輸電線路三維選線、電力工程三維設計等應用。同時基于生成的4D產品，利用裸眼三維模型立體量測技術，實現變電站大比例尺地形圖、輸電線路平斷面圖、塔基斷面圖、房屋拆遷圖等圖件繪制。最后選取房角點、電塔腳點等電力工程敏感地物，對比三維模型與GPS 實測坐標差值，綜合評估三維模型精度，結果表明無人機航測精度完全滿足電力勘測需求。技術路線如圖1 所示。

圖1 技術路線

2.1 無人機傾斜攝影測量流程

（1）相機校準。光線在經過鏡頭中心時會發生一定程度的偏折，必須對相機進行校準標定。相機校準的參數主要有：主點偏移、徑向畸變和切向畸變，在進行無人機攝影測量之前需對上述偏移進行標定，這是保證無人機攝影測量精度的基礎[1]。

（2）航線規劃及實施。航線規劃的目的是為了更好地獲取航測數據，航線設計的主要內容有：航高、重疊度、曝光時間間隔等[2]。選擇合理的航高、重疊率對三維建模至關重要，無人機在電力領域航攝時尤其要注意高壓電塔及輸電線路的高度，航線設計高度要充分保證安全。無人機航高計算公式如下：

公式（1）中：H為航線航高；f為物鏡焦距；s為地面采樣距離；a為相機感光元件尺寸大小。

（3）空三解算。本文采用光束法進行空三解算，基本原理是像點、投影中心、地物點三點成一條直線，以共線條件方程作為平差的基礎方程，通過像控點的大地坐標，將每張像片的所有光束全部進行整體平差，以此來解算其他地物加密點的坐標，光束法空三加密共線方程如公式（2）所示。

公式（2）中：x、y為實際坐標值；x0、y0、f是影像的內方位元素；XS、YS、ZS為攝影點的物方空間坐標值；XA、YA、ZA是物方點的空間坐標；ai、bi、ci（i=1,2,3）為影像的3 個外方位角元素組成的9 個方向余弦[3]。

（4）點云構網。無人機航空攝影測量后獲得的影像經過空三測量、影像匹配后，形成點云，進而形成三角網，這個過程就是點云構網。航攝影像在進行上述處理后會形成超高密度的三維點云數據，利用三維點云構建TIN 三角網，TIN 三角網構網成果如圖2 所示。

圖2 TIN網構建

（5） 紋理映射。通過無人機航測獲得內外方位元素，將二維航片與三維模型上的同名點進行共線投影，然后篩選提出陰影遮擋、分辨率差、色彩分布不均的影像，將高質量的紋理映射到三維模型中，使三維模型精度更高，更加精細。

（6）傾斜攝影測量成品。利用Context Capture軟件生成實景三維模型，實景三維模型可放大、縮小、旋轉、量測，獲取三維坐標信息。將傾斜攝影測量生成的三維實景模型加載到EPS 三維測圖軟件，可裸眼觀察到模型細節，利用EPS 進行二三維聯動數字化繪圖，可繪制大比例尺地形圖，進而繪制線路平斷面圖。

2.2 傾斜攝影測量技術構建變電站三維模型

利用傾斜攝影測量能迅速建立變電站主控樓等建筑物的三維模型，但對電塔、電力線等線狀地物建模效果不佳，常出現電塔拉花、扭曲，電力線中斷等情況[4]。采用傾斜攝影測量對變電站面狀地物進行三維建模，桿塔、電力線等線狀地物由機載LiDAR 點云數據提供三維坐標及細節信息。

傾斜攝影三維建模及機載LiDAR點云如圖3所示，可見道路、主控樓等面狀地物建模效果較好，桿塔出現扭曲、電力線中斷，無法提供塔高、線高等信息。機載三維激光點云數據中桿塔、電力線等清晰可見，可進行量測分析。

圖3 傾斜攝影三維模型和機載LiDAR點云數據

2.3 機載LiDAR 獲取電塔及輸電線路點云數據

傾斜攝影對電塔及電力線建模效果不佳，因此采用機載LiDAR 構建電塔及電力線三維模型。采用機載LiDAR 獲取電力走廊的原始三維點云，主要包括通道內的地形地貌點云、電塔及輸電線路點云兩種。對原始點云進行配準、濾波、分類、縮減、建模等處理，提取原始點云中的有效信息，確定數據點之間的空間拓撲關系和鄰域信息。

使用專業點云處理軟件對數據進行預處理，對地表、水系、植被等經過抽稀、濾波除噪后進行粗略自動分類，點云自動分類流程如下：

點云數據→分離多次回波的首次回波和中間回波點→分離低點→分離空中點（電塔、輸電線）→分離地面點→分離低于地面點→自動分類后的點云數據。

自動分類結束后，還應采用人工輔助分類方式對點云進行精細分類，一些無法根據回波信息、高程信息及周邊點關系區分的點云需手動提取，并對地表植被、建筑物、電塔等構筑不規則三角網反復修正，剔除大部分錯誤。最后用處理后的高精點云導入三維平臺，對交跨處進行量測分析。三維平臺中呈現的電塔及輸電線路點云如圖4 所示。

圖4 機載LiDAR獲取的電塔及輸電線點云

3 工程實例

3.1 工程概況

本工程為鄭州地區新建500kV 變電站工程，北側為居民小區，南側為隴海鐵路，西側為三環快速路，東南側為現狀熱力電廠，目前為社區公園，植被覆蓋較為密集，GPS 信號較差。擬建變電站站址東西長約245m，南北寬約90m，面積約為22050m2，輸電線路路徑長度為34.9km，要求變電站站址繪制1∶500 地形圖，輸電線路繪制滿足施工圖設計精度要求。

3.2 傾斜攝影獲取實景三維模型

本工程采用科比特入云龍M6 六旋翼無人機，掛載睿博D2 五鏡頭相機，總像素達到1.2 億，采用PPK 工作模式，飛行高度120m，航向重疊率80%，旁向重疊率70%，飛行速度為8m/s，坐標系為CGCS2000 坐標系統、1985 高程系統，地面點分辨率達到2.1cm。航飛完成后首先檢查是否存在航攝漏洞，是否有大面積遮擋模糊等情況，然后利用UAV-PPK 軟件將無人機影像POS 數據同GPS 靜態觀測數據同步解算，獲得影像高精度POS 數據，最后利用Context Capture 軟件經過影像匹配、空三加密、生成TIN 和紋理貼圖等工序，建立高精度實景三維模型，如圖5 所示。

圖5 測區三維模型

3.3 機載LiDAR 獲取電塔及輸電線交跨信息

本工程使用大疆經緯M300RTK+L1 機載激光雷達對電塔及輸電線路進行掃描，掃描范圍為輸電線路兩側各50m，飛行高度為100m，航向重疊率65%，旁向重疊率60%，飛行速度為13m/s，坐標系、高程和傾斜攝影測量相同，采用CGCS2000 坐標系統、1985 高程系統，便于對生成的高精度DEM 和實景三維模型融合處理。

利用點云智繪軟件對激光點云進行濾波處理和點云分類，將點云數據劃分為地表點云、電塔點云、輸電線路點云及走廊內地物點云等。利用分類后的激光點云，對通道內已有的桿塔進行建模，獲取鐵塔的三維坐標信息，方便開展各種距離的量測作業，進行精準設計。輸電線路跟蹤相鄰點云數據，將同一條線路上的點云數據識別出來，并輸出矢量化的電力線成果，可分析線路走廊內導線與植被、建筑物、交叉跨越等凈空距離，進而確定線路運行狀態是否安全。地表點云生成高精度DEM 數據，可作為高程數據用于后續輸電線路平斷面的繪制。

3.4 變電站大比例尺地形圖繪制

大比例尺地形圖繪制采用清華山維EPS 軟件，將三維模型導入軟件后即可進行裸眼大比例尺地形圖繪制，選取需要繪制的地物，如房子、道路、水系、植被、電力鐵塔等，依次進行繪制。采用EPS 繪制大比例尺地形圖時，不僅具有平面坐標，還帶有高程信息，因此繪制時要正確選擇地物的高程。該軟件能夠實現二三維數據聯動，對于輸電塔腳等易遮擋地物，可通過旋轉視角，準確繪制出塔腳位置。該軟件繪制成品能夠直接導出cad 或南方cass 進行整理修飾，進而生成變電站大比例尺地形圖，利用該方法能省去大量外業實測和調繪工作，大大提高地形圖測繪效率。EPS繪制大比例尺地形圖如圖6 所示。

圖6 基于實景三維模型繪制大比例尺地形圖

3.5 輸電線路平斷面圖繪制

傾斜攝影測量獲得的實景三維模型直觀、精度高，能滿足各種比例尺地形圖繪制要求，但存在數據量過大的缺點。以本工程為例，變電站航測面積僅為0.22平方千米，航片已經有11350 張，數據量為110GB，因此本工程線路采用無人機垂直攝影測量，生成高精度DOM，DEM 采用機載LiDAR 生成的高精度DEM。將二者導入EPS 軟件形成垂直三維模型，繪制地物、地貌特征點，結合實地調繪信息繪制輸電線路大比例尺地形圖，進而繪制輸電線路平斷面圖。垂直三維模型細節不及傾斜實景三維模型，但其數據量少，精度也能滿足輸電線路要求。基于垂直三維模型繪制地物、地貌如圖7 所示，繪制的輸電線路平斷面圖如8 所示，其中輸電線路交叉跨越高度信息取自LiDAR點云數據。

圖7 基于垂直三維模型繪制高速公路

圖8 基于垂直三維模型生成的輸電線路平斷面圖

4 精度分析

4.1 像控點精度分析

選取變電站內5 個像控點進行精度分析，如表1 所示，像控點平面中誤差為0.02m，高程中誤差為0.052m，點位中誤差為0.025m，精度較高，能夠作為繪制大比例尺地形圖的控制點使用。

表1 三維模型像控點精度分析

4.2 地形點精度評價

在電力工程中，對高壓電塔、房屋等地物信息較為關注，故本工程采集房屋角點坐標18 個，采集高壓電塔塔基點28 個，并對其進行精度分析，房角點平面最大誤差為0.225m，高程最大誤差為0.159m，三維最大誤差為0.274m，塔腳點平面最大誤差為0.237m，高程最大誤差為0.273m，三維最大誤差為0.283m，房角點及塔腳點誤差分布如圖9 所示，中誤差分析如圖10所示，均滿足1∶500 大比例尺地形圖測圖精度需要。

圖9 三維模型房角點和塔腳點精度分析

圖10 中誤差分析

5 結論

本文討論了將無人機傾斜攝影測量及機載LiDAR技術應用于電力工程的方法，利用高精度三維實景模型及點云數據獲取變電站和輸電線路大比例尺地形圖，并以鄭州市某新建500kV 變電站地形圖繪制為例，分析了像控點、房角點、塔腳點等電力工程敏感地物精度，結果表明精度滿足1∶500 大比例尺地形圖所需，該技術應用于電力工程可行，相較傳統電力測繪大大減少了外業工作，效率提升較為明顯，有較大的實用價值和經濟效益。