輸電線路桿塔空氣間隙三維可視化管理系統(tǒng)

許 焱，郭 寧，張 輝，苗 堃，李 超，劉亞文

（1.國網(wǎng)河南省電力公司濟源供電公司，河南 濟源 459000；2.武漢大學遙感信息工程學院，湖北 武漢 430079）

隨著通信技術、網(wǎng)絡技術的廣泛應用，結(jié)合Web GIS和虛擬建模技術的輸電線路管理系統(tǒng)成為主流，如文獻[1]將三維仿真場景同日常輸電線路管理結(jié)合起來，實現(xiàn)電網(wǎng)企業(yè)智能化的運行和管理。文獻[2]提出一種基于全景的輸電線路可視化運維管理方法，提高了輸電線路運維管理的可靠性。文獻[3]采用基于圖形和圖像的混合建模方法，并充分利用VRML和3DS max建模技術來實現(xiàn)輸電線路三維場景建模。

采用虛擬場景的方法，無法真實展示輸電線路地形、地物、桿塔等的三維形狀及相互的空間分布和關聯(lián)。隨著新型遙感傳感器和無人機傾斜攝影測量技術的發(fā)展，高效獲取輸電線路影像并重建場景真實三維模型得到了保證，在真實場景下的架空線路管理與分析更加直觀、清晰和科學。文獻[4]通過建立激光點云三維可視化平臺，在線真實展現(xiàn)輸電線路及通道內(nèi)地物的現(xiàn)場運行場景，為輸電線路在線管理和輔助決策提供了信息支撐平臺。文獻[6]集多源數(shù)據(jù)（點云、影像、模型、線路隱患診斷的缺陷數(shù)據(jù)等）構(gòu)建了輸電線路巡檢可視化管理系統(tǒng)，有效提高輸電線路巡檢的工作效率。文獻[5]利用輸電線路通道的三維激光雷達點云以及各類坐標、尺寸、距離等信息，共同組成了對輸電線路通道的完整可視化描述，為生產(chǎn)作業(yè)提供重要的輔助決策信息。

現(xiàn)有真實場景方法中，輸電線路場景、桿塔及線路模型通常是由同一分辨率數(shù)據(jù)構(gòu)建的，但在實際工作中，相對輸電線場景，桿塔和線路的模型需要更高分辨率數(shù)據(jù)來表現(xiàn)。另外，大多數(shù)的輸電線路管理系統(tǒng)側(cè)重設備臺賬信息，而結(jié)合輸電線路場景模型的線路關鍵參數(shù)管理對于輸電線路安全運維更有意義。在上述研究基礎上，本文提出了兼顧數(shù)據(jù)量和表現(xiàn)力的輸電線路建模方案，即對于輸電線路場景和桿塔采用不同分辨率建模方案，該方案能夠保證輸電線場景模型的精細度，保證桿塔模型的可量測性。同時，在Web GIS框架下構(gòu)建了真三維場景的防風偏參數(shù)桿塔空氣間隙管理系統(tǒng)，實現(xiàn)可視環(huán)境下對桿塔空氣間隙的查看、瀏覽與分析，為輸電線路防風偏提供可靠的信息平臺。

1 輸電線路桿塔空氣間隙管理系統(tǒng)的關鍵技術

輸電線路三維模型數(shù)據(jù)的生成及桿塔空氣間隙管理系統(tǒng)構(gòu)架是三維可視環(huán)境下，輸電線路桿塔空氣間隙管理系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)。輸電線路三維模型數(shù)據(jù)是系統(tǒng)實現(xiàn)真三維場景下可視化顯示、查詢及瀏覽的基礎數(shù)據(jù)。本文采用無人機航飛采集輸電線路影像，根據(jù)攝影測量方法構(gòu)建輸電線路三維點云和紋理模型[7]。桿塔空氣間隙管理系統(tǒng)構(gòu)架基于Web GIS，充分利用B/S模式的優(yōu)點，實現(xiàn)在線輸電線路場景可視化展示，可以隨時隨地查詢、瀏覽數(shù)據(jù)。

1.1 輸電線路三維重建與桿塔空氣間隙量測

輸電線路走廊跨度大、覆蓋范圍廣，考慮到模型點云數(shù)據(jù)量及Web端瀏覽效率，對輸電線路的場景、桿塔和電力線采用不同建模方案。場景采用常規(guī)的攝影測量方式建模，桿塔和電力線則采用傾斜攝影測量與半自動幾何建模相結(jié)合的方式建模。

1）輸電線路場景三維建模。輸電線路場景一般為山地或者林地，且地形較為復雜，對其建模的目的是為了更清晰、直觀地展示桿塔和電力線所處的地形環(huán)境。因此，輸電線路場景建?？梢圆捎脗鹘y(tǒng)航測測圖的數(shù)據(jù)采集和處理方式。固定翼無人機航速快，續(xù)航時間長，適合用來對大范圍場景建模采集影像。航空攝影時，按照設計的飛行參數(shù)（航高、飛行速度、航向旁向重疊度等）和軌跡采集影像。影像數(shù)據(jù)建模處理主要步驟為空中三角測量、密集點匹配及數(shù)字表面模型（DMS）生成。

本文實驗選擇固定翼思洛普S180無人機，采用其自帶航線規(guī)劃軟件，按照常規(guī)測繪生產(chǎn)測圖的模式，在指定飛行區(qū)域，自動采集具有一定重疊度的影像。Pix4Dmapper用來完成輸電線路場景點云模型構(gòu)建，如圖1所示。圖1左上方為某區(qū)域輸電線場景點云和紋理模型，數(shù)據(jù)采集相對航高為770 m，航線數(shù)為8，重疊度分別為航向80%和旁向65%，地面分辨率為9.8 cm，影像共947幅。

圖1 輸電線場景點云和紋理模型

圖1下方為圖1左上方局部放大圖，其中黃色圓圈標注的為桿塔，圖1右上方為黃色圓圈標注桿塔的放大圖。

2）桿塔三維重建與空氣間隙量測。航空傾斜攝影技術不同于傳統(tǒng)的從單一垂直角度進行拍攝的航空攝影模式，而是在一個飛行平臺上同時搭載多個成角度的感光器件，分別從垂直角度和傾斜布設的CCD傳感器獲取地面多方向的立體圖像信息[8]。本文采用具備定點凝視能力的旋翼無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)采集平臺，通過搭載單個影像傳感器對桿塔進行多航線攝影任務，在每個航線任務中，通過調(diào)整傳感器的傾斜角度，獲取桿塔不同側(cè)面的影像。由多視角影像匹配得到桿塔點云模型具有一定的精度和可靠性，可以通過量測點間距離獲得桿塔的空氣間隙。通過建立桿塔模型及在模型上量測桿塔空氣隙間的方法，較傳統(tǒng)通過實地量測、推算等的方法具有方便、高效、可靠的特點。

本文實驗選用Phantom 4 RTK旋翼無人機采集桿塔影像，采用DJI GS RTK App航線規(guī)劃軟件中攝影測量3D（五向飛行）方式，對桿塔測區(qū)執(zhí)行5次航線任務，分別為正射以及向東南西北的4次傾斜任務。DJI Terra完成數(shù)據(jù)處理，得到桿塔點云和紋理模型。圖2a為桿塔點云和紋理模型，數(shù)據(jù)采集相對航高為50 m，重疊度分別為航向80%和旁向70%，相機傾斜角為60°的影像共143幅。通過量測點間距離獲得桿塔空氣間隙，量測點獲得桿塔懸掛點坐標，如圖2b。

為了減少數(shù)據(jù)量和增強可視化效果，在點云模型基礎上，結(jié)合3DS Max半自動重建了桿塔幾何模型，如圖2c所示。

圖2 桿塔模型與空氣間隙量測

3）電力線三維重建。在電力線場景建模中，無人機飛行方向與電力線方向近似一致，使得立體影像中的左右視差方向幾乎與電力線方向平行，電力線三維重建難度加大[9]?？紤]到架空電力線在實際環(huán)境中由于風偏而發(fā)生擺動，本文對電力線的重建方案是在采集桿塔懸掛點坐標基礎上，根據(jù)架空電線弧垂計算公式,采樣一定數(shù)量的數(shù)據(jù)點模擬風偏后的導線，提供可視化電力線三維模型[10]。

電力線在有風的情況下，會繞懸點連線轉(zhuǎn)動，形成一個風偏平面。將風偏平面分別投影到垂直平面和水平平面，可以得到垂直投影面內(nèi)架空線弧垂公式（1）和水平投影面內(nèi)架空線弧垂公式（2）。

式中，l為檔距；β為高差角；gv為垂直比載；gh為水平比載；σ0為水平應力。在得到垂直、水平投影面內(nèi)架空線的有關數(shù)值后，風偏導線即可選取一定數(shù)量采樣點進行擬合。

1.2 基于Web GIS的輸電線路桿塔空氣間隙管理系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，數(shù)據(jù)層包括OSM（open?street map）二維矢量圖、Google影像、輸電線路場景和桿塔三維點云和紋理數(shù)據(jù)、桿塔幾何模型數(shù)據(jù)及空氣間隙等相關屬性數(shù)據(jù)；服務層對應用提供數(shù)據(jù)服務和功能服務；應用層實現(xiàn)輸電線路場景可視化二維和三維瀏覽，桿塔空氣間隙等屬性查詢及分析等功能。

圖3 輸電線路桿塔空氣間隙管理系統(tǒng)框架

1）多源數(shù)據(jù)的組織與管理。輸電線路的多源數(shù)據(jù)包括Google影像、二維矢量地圖、輸電線路場景及桿塔的三維點云和紋理數(shù)據(jù)及桿塔空氣間隙等相關屬性數(shù)據(jù)。為實現(xiàn)輸電線路三維實時瀏覽、查詢及分析等功能，對于不同類型的數(shù)據(jù)采用不同的組織和管理以滿足三維場景實時瀏覽的需要。Google影像數(shù)據(jù)采用分級分塊組織，層與層之間的分辨率是2倍數(shù)關系，塊大小為256×256，最上層的分辨率最低，存儲的時候?qū)@些標準塊根據(jù)其位置信息建立了索引號。在對目標物體進行放大、縮小、漫游等操作時，計算該物體最終在屏幕上成像的大小，并以此決定該使用哪一層分辨率的影像[11]。二維矢量地圖由OSM下載得到的瓦片地圖，以Tile格式存儲。輸電線路場景及桿塔的三維點云和紋理數(shù)據(jù)是由傾斜攝影采集影像處理生成，采用3D Tiles格式存儲。3D Tiles以樹結(jié)構(gòu)來組織Tile，并結(jié)合了多細節(jié)層次LOD的概念，解決大數(shù)據(jù)量三維場景顯示和管理的優(yōu)化問題，以便最快最佳地渲染空間數(shù)據(jù)。

空氣間隙是桿塔的重要屬性數(shù)據(jù)，無人機航飛影像生成精細的桿塔點云數(shù)據(jù)之后，可進行桿塔空氣間隙、桿塔高度及懸掛點等測量，桿塔類型、桿塔位置坐標等可以從已有線路數(shù)據(jù)中獲取。這些屬性數(shù)據(jù)采用Excel表進行存儲，每個桿塔具有唯一的標識號。系統(tǒng)支持從Web端讀入Excel文件，將桿塔屬性數(shù)據(jù)導入SQLite數(shù)據(jù)庫中，并自動基于桿塔標識號匹配相關的桿塔三維模型。

桿塔和線路是輸電線路三維模型的主要組成部分，在線路和桿塔之間增加一個虛擬線路桿塔的中間表，這樣可在數(shù)據(jù)庫中反映出多線同塔的情況，也可減少數(shù)據(jù)冗余，如圖4所示[1]。

圖4 線路和桿塔的數(shù)據(jù)組織模式

2）輸電線路的可視化瀏覽。本文采用二維和三維聯(lián)動顯示輸電線路，二維顯示以OSM矢量地圖為基準，桿塔以符號表示。三維顯示以三維球為依托，以google影像為基準，根據(jù)桿塔坐標可以快速定位輸電線路所在地理位置。多源數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)同步加載，也可以根據(jù)需要，通過選擇的方式分別加載輸電線路場景點云和紋理數(shù)據(jù)、桿塔點云和影像數(shù)據(jù)、桿塔幾何模型數(shù)據(jù)等，以移動視點的方式，實現(xiàn)3D輸電線路場景瀏覽。

3）桿塔間隙查詢與分析。通過輸入桿塔位置坐標或名稱，搜索并查看桿塔的空氣間隙等屬性信息。也可以直接在二維顯示或三維球上可視化點擊桿塔，實現(xiàn)選中桿塔空氣間隙等屬性的查詢。在三維場景下，桿塔、線路及線路場景間的空間關系直觀，結(jié)合了線路空間模型的桿塔空氣間隙表達方式，更加形象，有利于管理人員準確掌握、分析與判斷線路運營的實際狀態(tài)。

相關研究表明，提高輸電線路導線懸掛高度，可以有效改善輸電線路對周圍環(huán)境的影響，但風力對線路的影響更大，更容易導致導線和桿塔之間的空氣間隙距離縮小，發(fā)生閃絡[12]。為此，本系統(tǒng)設計了線路模擬功能，通過調(diào)整桿塔位置和朝向來展示、分析地形、風向等因素可能對線路空氣間隙的影響。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)與分析

部署并啟動服務器之后，訪問http://localhost:8081/smartTower即可打開主頁面。設置系統(tǒng)界面場景配置參數(shù)（視角空間位置和方向），場景會快速定位到實驗數(shù)據(jù)所在地理位置的OSM矢量地圖和Google影像。系統(tǒng)可以分別加載實驗數(shù)據(jù)的輸電線路場景三維點云和紋理模型（圖5a）、桿塔三維點云和紋理模型(圖5b)、桿塔的幾何模型（圖5c）和電力線模型（圖5d），也可以同時加載上述三維模型數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)界面通過鼠標、滾輪移動實現(xiàn)漫游、放大和縮小等瀏覽。

圖5 基于Web的輸電線路顯示

桿塔空氣間隙是輸電線路重要的屬性信息，圖6所示為在系統(tǒng)界面三維球上，可視化點擊桿塔，系統(tǒng)可以顯示桿塔的空氣間隙值。同時結(jié)合三維球上輸電線路桿塔模型，可以更加直觀地顯示桿塔間隙及桿塔所處線路場景環(huán)境?？紤]到地形環(huán)境、風向等因素對輸電線路桿塔空氣間隙有較大影響，在三維球上，通過導入調(diào)整后的線路桿塔位置、方向數(shù)據(jù)，如圖7a所示，自動生成模擬線路，用于分析環(huán)境、氣候條件對輸電線路桿塔空氣間隙的影響。

圖7 線路模擬與空氣間隙分析

3 結(jié)語

本文構(gòu)建了基于Web GIS的真實場景下輸電線路空氣間隙管理系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)桿塔空氣間隙在輸電線路真實場景下的直觀展示、查詢與分析。在系統(tǒng)場景構(gòu)建中，提出了結(jié)合傳統(tǒng)無人機攝影測量與傾斜攝影測量的輸電線路重建方案，保證了輸電線路場景、桿塔點云和紋理模型所需的精細度。系統(tǒng)設計方面，充分利用B/S模式的優(yōu)點，搭建了基于Web GIS的完整、合理的桿塔空氣間隙管理系統(tǒng)架構(gòu)，實現(xiàn)了三維可視化場景下的輸電線路桿塔空氣間隙的科學管理。