結(jié)合傾斜攝影測量技術(shù)的變電站三維重建

鄭勇峰，王枝軍

(中國能源建設(shè)集團浙江省電力設(shè)計院有限公司，浙江 杭州 310012)

隨著國民經(jīng)濟快速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模日益增大，我國電網(wǎng)規(guī)模和發(fā)電能力已位居世界第一。電網(wǎng)規(guī)模增大導致變電站規(guī)模也越來越大，變電站是電網(wǎng)的重要組成部分，國家電網(wǎng)運行維護部門每年都需要投入大量人力、物力、財力對變電站進行運維、監(jiān)控、培訓，如何高效、精準、實時地建立變電站三維實景模型并對變電站進行運維、監(jiān)控、培訓已成為亟待解決的問題。

國內(nèi)已有相關(guān)學者對變電站三維重建開展研究并取得一定成果。龔慶武等基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)開展變電站三維仿真和數(shù)字可視化技術(shù)研究[1-4]；劉求龍等開展三維激光掃描儀在惠泉變電站三維模型構(gòu)建中的應用研究[5]；杜勇等開展變電站現(xiàn)場作業(yè)與風險管控的三維實景推演仿真研究[6]；曹炯等基于無人機的電網(wǎng)實景建模研究[7]。上述研究存在兩方面問題：一是利用VRML、3ds Max、Bentley等技術(shù)建立虛擬化三維模型，與變電站實景相比存在一定視覺偏差；二是三維激光掃描成果數(shù)據(jù)量大，導致數(shù)據(jù)處理的效率不高，而且成果展示對機器性能要求高。近年來，無人機傾斜攝影測量三維實景建模技術(shù)已成為測繪領(lǐng)域的研究熱點，具有快速、高精度、實景等特點，目前已廣泛應用于地形圖測量、水利工程、高鐵施工、河道整治等方面[8-14]。本文介紹一種利用拓普康天狼星無人機測圖系統(tǒng)的傾斜攝影測量技術(shù)，可快速、高效地實現(xiàn)變電站三維實景建模的應用。

1 無人機航攝系統(tǒng)組成

根據(jù)《無人機航攝系統(tǒng)技術(shù)要求》，無人機航攝系統(tǒng)基本構(gòu)成包括飛行平臺、飛行導航與控制系統(tǒng)(以下簡稱“飛控系統(tǒng)”)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、任務設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、發(fā)射與回收系統(tǒng)、地面保障設(shè)備[15]。拓普康天狼星無人機測圖系統(tǒng)組成如下。

1.1 飛行平臺

飛行平臺主要搭載任務設(shè)備并執(zhí)行航攝飛行任務。天狼星無人機測圖系統(tǒng)飛行平臺主要性能參數(shù)和技術(shù)指標見表1。

表1 天狼星無人機測圖系統(tǒng)飛行平臺主要性能參數(shù)

1.2 飛控系統(tǒng)

飛控系統(tǒng)主要用于無人機的導航、定位和自主飛行控制。天狼星無人機測圖系統(tǒng)的飛控系統(tǒng)采用MAVinci Autopilot自動駕駛儀和MAVinci Desktop桌面軟件部分功能，實現(xiàn)GPS/INS慣性導航，應急控制，自動起飛和著陸控制，飛機姿態(tài)、飛行高度、飛行速度的控制等功能。

1.3 地面監(jiān)控系統(tǒng)

地面監(jiān)控系統(tǒng)主要用于飛行任務規(guī)劃設(shè)計、飛機飛行數(shù)據(jù)和任務設(shè)備監(jiān)控顯示、飛機故障時報警提示等。天狼星無人機測圖系統(tǒng)的地面監(jiān)控系統(tǒng)通過地面監(jiān)控站(包括筆記本電腦、MAVinci Desktop桌面軟件、無線電遙控器等)實現(xiàn)地面監(jiān)控功能。

1.4 任務設(shè)備

任務設(shè)備主要用于航攝影像的獲取與存儲。天狼星無人機測圖系統(tǒng)的任務設(shè)備為數(shù)碼相機富士X-M1，相機主要性能參數(shù)見表1。

1.5 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)用于地面監(jiān)控站與飛控系統(tǒng)及其他設(shè)備之間的數(shù)據(jù)和控制指令的傳輸。天狼星無人機測圖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用發(fā)射電臺、MAVinci連接器、天線等實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

1.6 發(fā)射與回收系統(tǒng)

發(fā)射與回收系統(tǒng)為無人機發(fā)射起飛、安全著陸提供保障。天狼星無人機采用手拋式起飛、自動著陸，自動駕駛輔助模式,手動飛行3種模式滑翔，腹部著地降落飛機。

1.7 地面保障設(shè)備

地面保障設(shè)備包括運輸保障設(shè)備和航攝作業(yè)保障設(shè)備。天狼星無人機的地面保障設(shè)備包括運輸箱、維修包、地面基準站，以保障設(shè)備運輸安全和航攝精度高的性能指標要求。

2 工程應用

2.1 工程概況

變電站試驗區(qū)位于浙江省杭州市某地，占地面積7.03 hm2，核心區(qū)地勢較平整，周邊均為山地。測區(qū)呈矩形，面積約19.4 hm2，高差約15 m，其中包括河流、道路、民房、耕地、電力線、鐵塔等地物類型。如圖1所示。

圖1 工程范圍

2.2 工作流程

工作流程如圖2所示。

圖2 工作流程

2.3 數(shù)據(jù)獲取

利用天狼星無人機測圖系統(tǒng)MAVinci Desktop桌面軟件制定測區(qū)飛行計劃， 地面采樣距離6 cm，航向重疊度85%，最小航向重疊度75%，旁向重疊度65%，測區(qū)內(nèi)最高約50 m，最低約35m，飛行高度約300 m。根據(jù)以上參數(shù)設(shè)置，此次試驗共飛行一個架次，飛行時間約20 min，獲取影像525張。利用MAVinci Desktop桌面軟件對影像進行檢查篩選，獲得有效影像421張。

2.4 三維測圖應用

將影像和POS數(shù)據(jù)導入Agisoft Photoscan Pro后處理軟件，設(shè)置坐標系統(tǒng)、中央子午線、投影方法、數(shù)據(jù)處理精度等相關(guān)參數(shù)，自動化處理生成DOM、DSM、點云和三維實景模型等數(shù)據(jù)成果，數(shù)據(jù)成果如圖3、圖4所示。

圖3 DOM

圖4 三維實景模型

在測區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)10個檢核點，并在現(xiàn)場GPS信號穩(wěn)定、固定解狀態(tài)下通過RTK獨立測量兩次，將實測三維坐標與DOM、DSM成果圖上坐標進行比較，計算得出平面中誤差和高程中誤差，最終評定整個測區(qū)DOM的平面精度和DSM的高程精度見表2。

由表2各點較差計算可得：DOM平面中誤差為10.0 cm，DSM高程中誤差為14.8 cm，符合1∶2000比例尺測圖精度要求。

2.5 地理信息應用

目前，筆者所在單位基于傾斜攝影測量的三維實景模型成果，利用三維地理信息平臺軟件，正在開展電力行業(yè)三維實景地理信息應用試驗，已經(jīng)初步實現(xiàn)了三維場景下的實景模型漫游、三維模型單體化管理、屬性掛接、信息查詢、視頻監(jiān)控、統(tǒng)計分析等應用功能，為變電站的運維、監(jiān)控、培訓等應用提供技術(shù)支撐。

表2 檢核點平面及高程精度表 m

3 結(jié) 語

針對變電站三維實景建模的需求，本文提出了一種基于傾斜攝影測量技術(shù)的變電站三維實景模型重建方法。試驗表明，由于拓普康天狼星無人機測圖系統(tǒng)的內(nèi)置實時動態(tài)差分RTK模塊和免像控技術(shù)，以及數(shù)據(jù)后處理軟件自動化程度高等特點，使用本方案可以大大節(jié)省外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理等工作量，而且成果精度完全滿足規(guī)范要求。

筆者下一步將深入挖掘變電站運維、監(jiān)控、培訓等方面需求，研究建立電力設(shè)施、項目管理等各類專題信息數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)電力設(shè)施三維資產(chǎn)管理、工程管理、檢測分析、運維管理等深度應用功能，為電力部門電網(wǎng)運營一體化管理提供應用服務。