基于地理信息系統(tǒng)的輸電線路無人機(jī)巡檢管理平臺研究與實現(xiàn)

周宏輝，汪從敏，江 炯，王 群

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司寧波供電公司，浙江 寧波 315010）

0 引言

隨著數(shù)據(jù)采集技術(shù)的進(jìn)步以及遙感技術(shù)的發(fā)展[1-2]，利用無人機(jī)搭載多傳感器獲取多源數(shù)據(jù)已經(jīng)成為可能[3]。利用機(jī)載多傳感器系統(tǒng)進(jìn)行電力巡線是近年來國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的一項技術(shù)[4]。

目前國內(nèi)多數(shù)電力公司建設(shè)了基于二維地理信息的電網(wǎng)管理系統(tǒng)[5]，但是傳統(tǒng)的二維平臺系統(tǒng)無法滿足無人機(jī)輸電線路巡線的數(shù)據(jù)瀏覽，尤其是根據(jù)多基線影像的實景建模數(shù)據(jù)[6-8]，因此需要提供一種三維可視化的管理平臺[9-10]，將不同時間、不同航線的巡線路徑進(jìn)行統(tǒng)一管理，同時需要提供一種將多尺度、多分辨率、多源空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)相集成的方法[11]。

本文以GIS（地理信息系統(tǒng)）為基礎(chǔ)，結(jié)合實際項目，以寧波市某輸電線路為試點，利用空間地理信息技術(shù)，整合輸電線路資料，構(gòu)建基于GIS的輸電線路無人機(jī)巡檢管理平臺，極大地提高了輸電線路無人機(jī)巡檢作業(yè)的能力和效率[12-13]。

1 平臺構(gòu)建邏輯

目前無人機(jī)視距內(nèi)及超視距巡視、基于無人機(jī)巡視的通道缺陷分析和樹障分析已在寧波供電公司全面展開，輸電線路無人機(jī)巡檢管理平臺作為核心環(huán)節(jié)，實現(xiàn)缺陷發(fā)現(xiàn)、上報、分析、消缺的閉環(huán)鏈條是設(shè)計的基本出發(fā)點。

針對無人機(jī)巡檢任務(wù)多、巡檢資料雜、人工干預(yù)量大等特點，本文提出一種基于Laravel的無人機(jī)巡線管理系統(tǒng)框架，以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建了無人機(jī)巡檢管理平臺，構(gòu)建邏輯如圖1所示。平臺涵蓋了圖層管理、實景模型、桿塔管理、線路管理、巡視任務(wù)管理、巡視視頻回放、巡視照片管理等內(nèi)容，實現(xiàn)基于試驗線路的無人機(jī)智能巡檢作業(yè)和流程化管理，以及巡檢資料的精確化、可視化管理。

圖1 無人機(jī)巡檢管理平臺構(gòu)建邏輯

2 核心技術(shù)分析

2.1 實景模型可視化

無人機(jī)攜帶多傳感器能夠快速獲取輸電線路三維走廊地形、地貌的實景數(shù)據(jù)。實景數(shù)據(jù)由于真實度高，通常數(shù)據(jù)量較大。因此，需要通過一種適合網(wǎng)絡(luò)發(fā)布使用的格式和協(xié)議對其進(jìn)行解析和渲染，WebGL是理想的選擇。

WebGL是一種3D繪圖協(xié)議，這種繪圖技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)通過增加OpenGL ES 2.0的一個JavaScript綁定，為HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，使平臺數(shù)據(jù)呈現(xiàn)效率、兼容性大幅提高。

利用市場上成熟的實景模型生產(chǎn)軟件如ContextCapture，Pix4D，PhotoMesh等，將無人機(jī)獲取的大量航拍數(shù)據(jù)制作成實景模型數(shù)據(jù)格式（如OSGB），并對其進(jìn)行Lod（多細(xì)節(jié)層次）處理。Lod策略并沒有固定模式，可以根據(jù)實際需求對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本文采用標(biāo)準(zhǔn)四叉樹策略進(jìn)行數(shù)據(jù)分層，如圖2所示。

Lod后的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3所示，可以看出Lod后數(shù)據(jù)量更小，結(jié)構(gòu)更優(yōu)化，適用于進(jìn)行大面積的網(wǎng)絡(luò)請求和發(fā)布。借助WebGL技術(shù)的特性，即可對模型進(jìn)行逐個讀取和渲染。采用ThreeJS引擎加載的片段代碼如圖4所示。

圖2 四叉樹分割

圖3 Lod后的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

圖4 ThreeJS加載代碼

2.2 Laravel框架模式

Laravel是一套簡潔、優(yōu)雅的PHP（一種通用開源腳本語言）Web開發(fā)框架。Laravel充分運用了PHP面向?qū)ο蟮奶匦院蛙浖こ痰乃枷耄捎媒M件式開發(fā)，應(yīng)用composer進(jìn)行安裝和管理，具備優(yōu)雅、可讀性強(qiáng)的代碼風(fēng)格，是當(dāng)今PHP領(lǐng)域最流行的框架之一。

利用Laravel的框架模式，在平臺架構(gòu)中引入MVC（一種軟件設(shè)計典范）的設(shè)計模式，即把軟件分為模型、視圖、控制器3個部分，如圖5所示。

由于巡檢業(yè)務(wù)的變化性和復(fù)雜性，利用MVC模式，將表現(xiàn)層與邏輯代碼進(jìn)行分離，從而使軟件可以應(yīng)對不同的業(yè)務(wù)模型。

圖5 MVC設(shè)計模式

將底層的數(shù)據(jù)表、業(yè)務(wù)表及對表的邏輯操作封裝到一個個獨立的模型中，利用視圖的刷新機(jī)制監(jiān)視模型中數(shù)據(jù)的變化，利用控制器控制整個業(yè)務(wù)流程的組織，如圖6所示。

圖6 業(yè)務(wù)流程

基于這種設(shè)計，可以將輸電線路巡檢的業(yè)務(wù)模型和地理信息數(shù)據(jù)可視化相結(jié)合，對其進(jìn)行具象化的表達(dá)，如影像管理、巡線通道三維模型管理、巡檢視頻巡檢管理、巡檢照片巡檢管理、無人機(jī)設(shè)備管理、巡檢線路管理等，使業(yè)務(wù)模型與GIS分離，將耦合性降至最低。

2.3 空間變換模型

為了將無人機(jī)采集的精確坐標(biāo)位置反映到巡檢管理平臺中，還需要將三維空間模型變換到顯示屏幕。三維模型變換到二維屏幕上需要經(jīng)過模型位置變換、觀察視角（相機(jī)視角）變換以及投影方式變換，分別對應(yīng)模型變換矩陣M、視角變換矩陣V和投影變換矩陣P。其變換表達(dá)式為：

式中：向量v為模型在原三維空間下的頂點坐標(biāo)；向量p為其在顯示屏幕上的坐標(biāo)；矩陣M包含模型頂點在三維空間下的位置變換；矩陣V包含三維模型向相機(jī)或視點的變換；矩陣P包含視點采用的投影方式，三維空間中通常采用透視投影。矩陣V和矩陣P通常由加載解析模型的運行環(huán)境設(shè)置，矩陣M一般保存在存儲模型的數(shù)據(jù)文件中。當(dāng)需要使模型進(jìn)行空間移動翻轉(zhuǎn)等位置變換時，需要重新計算矩陣M的值，這也是使模型在三維空間中運動或者改變位置的關(guān)鍵點。

2.4 坐標(biāo)系統(tǒng)變換

進(jìn)行空間變換后，應(yīng)將輸電線路的三維通道模型與地球模型坐標(biāo)融合，就需要進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)變換。一般將以球心為原點的坐標(biāo)定義為球心坐標(biāo)，將以球面任意一點為原點的坐標(biāo)定義為局部坐標(biāo)。如圖7所示，局部坐標(biāo)為NED（北東地）坐標(biāo)系統(tǒng)。

圖7 坐標(biāo)系統(tǒng)關(guān)系

為了解決球心坐標(biāo)和局部坐標(biāo)之間的變換，需要對模型坐標(biāo)原點進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移，這里通過矩陣變換來實現(xiàn)，如圖8所示。

圖8 坐標(biāo)系統(tǒng)變換

假設(shè)對應(yīng)的笛卡爾坐標(biāo)為（X，Y，Z），兩者結(jié)合得出矩陣的計算公式見式（2），依次為正東單位向量、正北單位向量、上單位向量和坐標(biāo)原點值：

3 系統(tǒng)總體設(shè)計

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)前文所述，本系統(tǒng)采用MVC的應(yīng)用模式，構(gòu)建B/S（瀏覽器-服務(wù)器）系統(tǒng)架構(gòu)，利用Laravel建立完整的無人機(jī)巡線管理流程，利用天地圖空間框架體系，建立一個多尺度、多分辨率、多源空間數(shù)據(jù)的無人機(jī)巡檢管理平臺框架，如圖9所示。整個框架結(jié)構(gòu)包括接入層、應(yīng)用服務(wù)層、系統(tǒng)服務(wù)層、工具層、數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)設(shè)施層、規(guī)范體系和安全保障體系8個層次，它們構(gòu)成了一個有機(jī)的整體。

接入層是交互層。系統(tǒng)是一個門戶網(wǎng)站，用戶通過網(wǎng)頁瀏覽器實現(xiàn)對系統(tǒng)所提供服務(wù)的接入。

應(yīng)用服務(wù)層是系統(tǒng)所提供的各種應(yīng)用服務(wù)，包括圖層管理、實景模型瀏覽與加載、線路管理、任務(wù)管理等功能。

系統(tǒng)服務(wù)層是訪問底層接口的基礎(chǔ)，實現(xiàn)如數(shù)據(jù)疊加、數(shù)據(jù)管理等服務(wù)。

工具層是在數(shù)據(jù)入庫和系統(tǒng)服務(wù)發(fā)布過程中涉及和使用到的功能，包括數(shù)據(jù)編譯、數(shù)據(jù)發(fā)布、數(shù)據(jù)管理等。

數(shù)據(jù)層是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)層包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)2個部分，各個數(shù)據(jù)庫可以實行分布式部署和統(tǒng)一化管理。

基礎(chǔ)設(shè)施層是數(shù)據(jù)及其應(yīng)用的基礎(chǔ)支撐環(huán)境。通過專線網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器等設(shè)施，實現(xiàn)對軟件、數(shù)據(jù)等層面的整合和應(yīng)用。

數(shù)字城市空間框架指本系統(tǒng)對應(yīng)接入的天地圖空間框架。

安全保障體系是指本系統(tǒng)建設(shè)過程中建立的安全保障機(jī)制。

3.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型設(shè)計

前文提及，利用MVC模式將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)封裝成獨立的模型類，并將對其的操作邏輯同樣封裝成模型。巡檢平臺系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務(wù)劃分主要包括輸電線路表、電力塔表、飛行任務(wù)表、巡檢記錄表、巡檢線路表、巡檢視頻表、巡檢照片表等。其主要模型邏輯關(guān)系如圖10所示。

從模型關(guān)系上可以看出，巡檢平臺的數(shù)據(jù)核心是輸電線路數(shù)據(jù)，巡檢主要業(yè)務(wù)都是圍繞輸電線路展開，其中包括輸電線路的管理、基于線路的飛行任務(wù)管理、基于飛行任務(wù)的軌跡管理、基于飛行任務(wù)的成果管理等。

3.3 系統(tǒng)主要功能設(shè)計與實現(xiàn)

以寧波地區(qū)某2條220 kV架空輸電線路為試驗區(qū)域，完成系統(tǒng)的主要功能設(shè)計與實現(xiàn)。

（1）圖層管理。包括底圖切換、地圖定位、數(shù)據(jù)展示。

圖9 無人機(jī)巡檢管理平臺框架

圖10 模型關(guān)系示意

1）底圖切換。依托天地圖，能夠任意切換衛(wèi)星影像圖和電子地圖作為系統(tǒng)底圖。

2）數(shù)據(jù)展示。直接在地圖上顯示出試驗線路的地理范圍，可以在影像上瀏覽線路全貌，實現(xiàn)輸電線路和位置信息的可視化一張圖。

3）線路定位。根據(jù)線路名稱，自動在地圖上定位到試驗線路，改變傳統(tǒng)線路列表管理方式，以地圖為入口對輸電線路檔案進(jìn)行靈活調(diào)閱，系統(tǒng)界面如圖11所示。

圖11 線路定位

（2）輸電線路實景模型加載與管理。利用網(wǎng)絡(luò)瓦片式加載方式請求體量較大的輸電線路實景模型，系統(tǒng)界面如圖12所示。

圖12 實景模型

（3）桿塔管理。包括名稱快速檢索、圖形直接查閱、巡檢資料查看，系統(tǒng)界面如圖13所示。

1）名稱快速檢索。根據(jù)桿塔名稱，進(jìn)行快速檢索，并在第一時間定位到地圖上正確位置。

2）圖形直接查閱。點擊地圖上桿塔圖形，可以快速調(diào)閱桿塔檔案數(shù)據(jù)資料。

3）巡檢資料查看。直接獲取該電力塔相關(guān)巡檢作業(yè)的巡檢照片等，方便管理。

圖13 桿塔管理

（4）任務(wù)管理。包括對無人機(jī)作業(yè)進(jìn)行任務(wù)流程建立、任務(wù)實施、任務(wù)結(jié)果查詢，系統(tǒng)界面如圖14所示。

圖14 任務(wù)管理

（5）巡檢照片管理?；陔娏U塔的精確位置對巡檢照片進(jìn)行對象化管理，系統(tǒng)界面如圖15所示。

圖15 巡檢照片管理

（6）巡線視頻管理?；趩螚l飛行任務(wù)進(jìn)行巡線視頻的數(shù)據(jù)管理?？稍谕敛殚喤c對比輸電線路三維通道數(shù)據(jù)和GIS地圖二維線路數(shù)據(jù)，系統(tǒng)界面如圖16所示。

圖16 巡線視頻管理

無人機(jī)巡檢管理平臺的構(gòu)建，使得無人機(jī)巡視作業(yè)與通道缺陷及樹障分析工作站可以無縫連接，打通了無人機(jī)巡視的缺陷發(fā)現(xiàn)、上報、分析、消缺處理鏈條，實現(xiàn)了基于試驗線路的無人機(jī)智能巡檢作業(yè)和流程化管理，實現(xiàn)了巡檢資料的精確化、可視化管理，無人機(jī)輸電線路巡檢效率及質(zhì)量均得到了顯著提升。

4 結(jié)語

本文討論了在輸電線路無人機(jī)巡檢作業(yè)中利用GIS技術(shù)建設(shè)無人機(jī)巡檢管理平臺，對其中的系統(tǒng)框架、數(shù)據(jù)建庫以及功能開發(fā)進(jìn)行了設(shè)計與實現(xiàn)。在如今“互聯(lián)網(wǎng)+”盛行的大背景下，利用GIS實現(xiàn)真實場景與虛擬對象在空間上的有機(jī)融合，圖形化展示輸電線路的空間地理分布信息，同時將巡檢任務(wù)與巡檢數(shù)據(jù)納入系統(tǒng)管理維護(hù)中，對開展大規(guī)模輸電線路無人機(jī)自助巡檢具有重要的研究意義。