一種基于傾斜攝影的變電站三維實(shí)景建模方法

楊梓瀚

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司汕頭供電局，廣東汕頭,515000）

0 引言

近年來(lái)，數(shù)字孿生電網(wǎng)的建設(shè)逐步推進(jìn)[1]，構(gòu)建電網(wǎng)設(shè)備三維模型，對(duì)數(shù)字孿生電網(wǎng)的支撐作用將愈加明顯。利用成熟于測(cè)繪領(lǐng)域的傾斜攝影航測(cè)技術(shù)，采用空間三角測(cè)量學(xué)解算方法，生成電網(wǎng)設(shè)備三維模型的方式，可高效產(chǎn)出具有還原度高、可使用性強(qiáng)、功能拓展性廣泛等眾多優(yōu)勢(shì)的設(shè)備三維模型。當(dāng)下，傾斜攝影[2]運(yùn)用于輸配電線路建模，已逐步普及，但對(duì)于變電設(shè)備的三維實(shí)景建模，則尚且鮮有涉足。本文嘗試提出一種變電站傾斜攝影建模方法。

1 電網(wǎng)設(shè)備傾斜攝影建模應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 輸電線路傾斜攝影實(shí)景建模應(yīng)用現(xiàn)狀

傾斜攝影用于構(gòu)建城市、工廠、農(nóng)田等區(qū)域的三維實(shí)景，是一項(xiàng)測(cè)繪領(lǐng)域的技術(shù)，目前已趨于成熟。三維實(shí)景模型在輸電設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)、巡檢、生產(chǎn)管理等方面，大大提高了信息化、智能化生產(chǎn)水平，帶來(lái)了輸電線路運(yùn)檢的減負(fù)增效，甚至推動(dòng)了生產(chǎn)組織模式優(yōu)化[2-3]。

1.2 變電設(shè)備傾斜攝影的應(yīng)用前景

與輸電線路類似，變電站傾斜攝影建模，是變電站數(shù)字孿生的重要實(shí)現(xiàn)方式之一，其具有以下兩方面的優(yōu)勢(shì)。從功能上，變電站傾斜攝影三維實(shí)景模型，具有真實(shí)的設(shè)備外觀，清晰可見(jiàn)的設(shè)備編號(hào)，厘米級(jí)誤差的位置精度，在生產(chǎn)中應(yīng)用于設(shè)備管理、施工管理、生產(chǎn)過(guò)程管控、仿真演練及培訓(xùn)，起到重要支撐作用。從成本上，基本僅需一次性購(gòu)置采集設(shè)備、建模軟件、工作站等軟硬件，建模過(guò)程的自動(dòng)化水平高，人工干預(yù)少，因此生產(chǎn)成本低廉，并且模型生產(chǎn)周期也較短。

1.3 變電設(shè)備傾斜攝影建模的技術(shù)問(wèn)題

一般的無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，主要是利用無(wú)人機(jī)搭載航測(cè)相機(jī)，在高空從多角度采集設(shè)備，而由于航拍高度較高，此種方法生成的三維模型，不利于對(duì)變電設(shè)備復(fù)雜結(jié)構(gòu)、局部細(xì)節(jié)的復(fù)現(xiàn)，并且，這些需要復(fù)現(xiàn)的細(xì)節(jié)，在后續(xù)模型功能的使用中十分重要。因此，如直接將一般的傾斜攝影航測(cè)方法應(yīng)用于變電站三維實(shí)景建模，通常或不能滿足變電站無(wú)人機(jī)作業(yè)的安全要求，或不能達(dá)到理想的建模效果，因此該方式尚且鮮有涉足。

1.4 變電站傾斜攝影建模的主要思路

根據(jù)上文所述，變電站傾斜攝影建模方法，務(wù)必需要滿足變電站無(wú)人機(jī)安全飛行的要求，又需提高模型精細(xì)度。因此，可以認(rèn)為，變電站無(wú)人機(jī)傾斜攝影，主要就是解決如何使無(wú)人機(jī)飛得更低、更貼近設(shè)備的同時(shí)，又保證飛行安全的問(wèn)題。

為此，本文提出如下構(gòu)想（圖1）：先使用一般的傾斜攝影建模方法，在高空對(duì)變電站全站進(jìn)行航測(cè)建模，得到一個(gè)初步的模型（后文簡(jiǎn)稱“粗?！保?，在粗模上規(guī)劃無(wú)人機(jī)自動(dòng)航線，利用驗(yàn)證過(guò)的、安全可靠的自動(dòng)航線，在更低的高度、更貼近設(shè)備的距離，采集設(shè)備近照，最后將高空、低空航測(cè)的照片共同用于建模解算，得到變電站的精細(xì)模型（后文簡(jiǎn)稱“精模”）。下面，本文將對(duì)此方案展開(kāi)詳述。

圖1 變電站無(wú)人機(jī)傾斜攝影建模主要流程

2 安全技術(shù)介紹

2.1 安全優(yōu)先原則

變電站的無(wú)人機(jī)航測(cè)，應(yīng)同時(shí)兼顧飛行安全以及航測(cè)精度，但在安全與精度存在矛盾時(shí)，應(yīng)按照優(yōu)先考慮安全因素的原則。例如：建模精度不足時(shí)，優(yōu)先考慮使用更長(zhǎng)焦距的鏡頭，而不是通過(guò)降低飛行高度提升精度。

2.2 自動(dòng)駕駛優(yōu)先原則

由于變電站的特殊性，手動(dòng)駕駛無(wú)人機(jī)航測(cè)作業(yè)，對(duì)飛手的操作要求較高，勞動(dòng)強(qiáng)度也更大，帶來(lái)一定安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，航測(cè)無(wú)論是高空或低空，均優(yōu)先采用自動(dòng)航線，通過(guò)航線控制無(wú)人機(jī)避開(kāi)有電設(shè)備、構(gòu)（建）筑物等障礙物。手動(dòng)駕駛僅用于緊急情況下飛機(jī)操作收回。

2.3 自動(dòng)航線驗(yàn)證方法

由于高精度的航測(cè)，需要使用的無(wú)人機(jī)尺寸往往會(huì)超過(guò)中型無(wú)人機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)，其無(wú)論是尺寸或是重量，均給變電站安全飛行帶來(lái)挑戰(zhàn)。因此，若采用中型以上無(wú)人機(jī)以自動(dòng)航線航測(cè)的方式，則需要先通過(guò)以下方法進(jìn)行驗(yàn)證：選取輕型無(wú)人機(jī)（即起飛重量在4kg以內(nèi)的）作為安全檢查專用無(wú)人機(jī)，使其按建模航測(cè)的航線飛行，飛行過(guò)程宜開(kāi)啟各類避障功能，用以檢測(cè)航線的安全性。在經(jīng)過(guò)安全飛行驗(yàn)證，并確認(rèn)本條自動(dòng)航線安全裕度足夠時(shí)，再啟用中型無(wú)人機(jī)進(jìn)行自動(dòng)采集。

2.4 無(wú)人機(jī)失控處置方法

為保證無(wú)人機(jī)的失控風(fēng)險(xiǎn)隨時(shí)可控，飛行航線須按照緊急返航通道，嚴(yán)格劃分為兩類（圖2）：第一類為“上跨型”，無(wú)人機(jī)上方不能存在任何設(shè)備或?qū)Ь€，該類航線的預(yù)設(shè)失控行為為升高返航；另一類為“下穿型”，無(wú)人機(jī)下方不能存在任何設(shè)備或?qū)Ь€，該類航線的預(yù)設(shè)失控行為為原地降落。自動(dòng)航線起飛前，應(yīng)設(shè)置并檢查不同類型的失控返航行為，包括返航高度、返航點(diǎn)等參數(shù)。

圖2 兩類航線各自的緊急返航通道

2.5 安全距離

（1）高空航測(cè)的飛行高度，應(yīng)躲過(guò)實(shí)際飛行區(qū)域所覆蓋的避雷針、臨近輸電桿塔等較高構(gòu)（建）筑物的最高點(diǎn)，應(yīng)至少高于5米以上。

（2）無(wú)人機(jī)與非帶電體（構(gòu)架、避雷針、建筑物等）的安全距離：應(yīng)距離站內(nèi)設(shè)備3米以上（圖3），包括：與高于飛行高度的設(shè)備水平距離不小于3米，與無(wú)人機(jī)下方的設(shè)備垂直距離不小于3米。

圖3 無(wú)人機(jī)高、低空測(cè)時(shí)與非帶電體的最低安全距離

（3）無(wú)人機(jī)與帶電體的安全距離：按電壓等級(jí)，500kV大于3.9米，220kV大于2.1米，110kV大于1.2米，35kV大于0.7米。

（4）無(wú)人機(jī)飛行中，人與無(wú)人機(jī)的安全距離不小于3米。

（5）注意變電站圍墻外的輸電桿塔、輸電線路、高大建筑物等帶電或非帶電體，并按以上標(biāo)準(zhǔn)保持安全距離。

3 變電站傾斜攝影建模操作流程

3.1 高空航測(cè)

（1）現(xiàn)場(chǎng)勘察

航測(cè)作業(yè)前，應(yīng)做好變電站內(nèi)設(shè)備的實(shí)地、高空勘查工作。實(shí)地勘察應(yīng)確認(rèn)高空航測(cè)的飛行高度、航測(cè)范圍、飛行范圍。

飛行高度一般選擇高于站內(nèi)需建模設(shè)備（通常為避雷針）的最高點(diǎn)約5到10米左右，航測(cè)范圍一般為變電站圍墻及圍墻外一定面積的區(qū)域。由飛行高度和航測(cè)范圍，即可確定飛行范圍（圖4）。應(yīng)注意的是，當(dāng)傾斜攝影的角度過(guò)低時(shí)，飛行范圍的邊距會(huì)顯著超出航測(cè)范圍，此時(shí)要重新勘查，以策安全。

圖4 傾斜攝影角度較小時(shí)飛行邊距會(huì)顯著超出航測(cè)區(qū)域

（2）高空勘察

在得到航測(cè)適合的高度后，需將無(wú)人機(jī)鏡頭水平朝前，操作起飛至該高度后，環(huán)繞航測(cè)范圍區(qū)域巡視一周，確認(rèn)該高度內(nèi)確實(shí)無(wú)高于此高度的構(gòu)（建）筑物，方可開(kāi)展航測(cè)作業(yè)。該步驟建議使用安全檢查的輕型無(wú)人機(jī)。

（3）高空航測(cè)作業(yè)

與一般的傾斜攝影航測(cè)一樣，變電站上空開(kāi)展航測(cè)作業(yè)。

作業(yè)時(shí)，航拍傾斜角可選-55°至-75°范圍，為兼顧效率，旁向重疊率70%，航向重疊率80%，主航線的飛行方向與站內(nèi)設(shè)備的排布方向斜錯(cuò)開(kāi)，以使得所有設(shè)備擁有較大暴露面。飛行高度應(yīng)符合高空勘察結(jié)果，飛行速度越低則效率越低，但安全性越高，拍攝密度越高，效果越好，建議不超過(guò)3米每秒。

3.2 獲取粗模

將高空航測(cè)得到的采集結(jié)果，使用空間三維計(jì)算軟件進(jìn)行解算、建模，得到初步的結(jié)果（即“粗模”），該解算結(jié)果用于下一步規(guī)劃低空補(bǔ)測(cè)的航線。粗模無(wú)需十分精密，僅需選取“五向”飛行中的俯視正攝圖進(jìn)行解算即可?？紤]到規(guī)劃航線的方便性，解算結(jié)果宜為點(diǎn)云。

3.3 低空補(bǔ)測(cè)

在粗模上圍繞需要精細(xì)修模的設(shè)備，規(guī)劃低空補(bǔ)測(cè)的自動(dòng)航線，使航測(cè)照片整體上呈“三層式”分布（圖5），即以高空航測(cè)為第一層，主要用于覆蓋全站所有設(shè)備；以導(dǎo)線、構(gòu)架上方補(bǔ)測(cè)為第二層，覆蓋主要設(shè)備；以近地飛行的航線為第三層，主要針對(duì)部分重要設(shè)備的細(xì)節(jié)精修。

圖5 變電站傾斜攝影建模的“三層式”航拍法

考慮到變電站設(shè)備的排布規(guī)律大致與導(dǎo)線延伸方向相同，低空補(bǔ)測(cè)的“第二層”航線，可以沿著如下兩個(gè)方向，分別各飛一個(gè)往返：一個(gè)方向沿設(shè)備區(qū)的主母線，另一個(gè)方向沿各電氣連接間隔內(nèi)的導(dǎo)線方向，一般而言，兩個(gè)方向成垂直相交，效果較好。

第三層非絕對(duì)必要，在有以下需要時(shí)，可適當(dāng)增加該層：一是主變等設(shè)備具有的重要附屬件，由于位置靠近地面，通過(guò)高空航測(cè)以及第二層補(bǔ)拍難以近距離覆蓋的；二是部分設(shè)備的雙重編號(hào)牌需要在模型中清晰呈現(xiàn)的，以及其他因各種需求，須更清晰復(fù)現(xiàn)的。

如添加第三層的補(bǔ)測(cè)拍攝，需注意盡量與第二層、第一層的垂直重疊率，例如，某張第二層拍攝的照片，應(yīng)與某張第三層拍攝的照片具有50%的畫(huà)面相似部分。最終的采集結(jié)果，應(yīng)使所有的照片都與其他至少1張照片擁有50%以上的畫(huà)面重疊率。

3.4 解算精模

將高空航測(cè)和低空補(bǔ)測(cè)所拍攝的照片，放在同一次解算中運(yùn)算，即可得到較高精度的傾斜攝影實(shí)景模型。建模時(shí)，建議對(duì)變電站外圍環(huán)境同樣納入模型生成范圍，以供后期使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

在變電站使用傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行精細(xì)化建模，擁有廣闊的應(yīng)用前景，但該技術(shù)應(yīng)用也尚處于摸索期。本文從建模的主要思路、保障安全的技術(shù)措施以及具體建模的操作方法，構(gòu)想了一種變電站傾斜攝影建模的一種新模式，其中還有許多欠考慮之處，但本文旨在拋磚引玉，為后續(xù)進(jìn)一步研究提供借鑒參考。