基于影像特征分析的架空輸電線路三維實(shí)景建模*

林志軍，劉寶軍，關(guān)俊峰，張 艷

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局，廣東 江門 529000)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，地貌復(fù)雜且處于交通不便地區(qū)的電力系統(tǒng)建設(shè)得到了快速發(fā)展[1]。這給架空輸電線路的運(yùn)行和維護(hù)工作帶來了更大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)針對(duì)架空輸電線路的巡視主要依靠人力來開展工作[2－3]。隨著輸電線路增長(zhǎng)迅速但巡視人員相對(duì)確定，每個(gè)人需要巡視的輸電線路增加，運(yùn)維人員的壓力變大，這將導(dǎo)致巡視人員的巡視效率下降，不利于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[4－6]。

三維實(shí)景重現(xiàn)技術(shù)作為一種新技術(shù)被應(yīng)用于電力系統(tǒng)的輸電方面，將架空輸電線路在仿真系統(tǒng)中重現(xiàn)，使得整個(gè)架空輸電線路和其周圍的環(huán)境變得直觀，在仿真系統(tǒng)中就可以看出各個(gè)電氣設(shè)備的大小和其與周圍環(huán)境的相對(duì)位置。為了保證整個(gè)三維實(shí)景的真實(shí)性，需要定期對(duì)架空輸電線路和其周圍場(chǎng)景進(jìn)行考察并實(shí)時(shí)更新，以此來減輕運(yùn)維人員的工作壓力[7]。同時(shí)為了提高巡視人員的巡視效率，克服地面巡視的局限性，可以通過航拍建模展示空中視角的架空輸電線路[8－9]。

作為一個(gè)新興測(cè)量技術(shù)，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可以從不同的角度進(jìn)行地表數(shù)據(jù)獲取，再將大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，提供一個(gè)相對(duì)真實(shí)的地表現(xiàn)狀，滿足客戶的需求[5]。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)具備可以對(duì)地表物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、效率高和性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。

本文針對(duì)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在桿塔和導(dǎo)線建模時(shí)效果差的缺陷，對(duì)桿塔和導(dǎo)線的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，并對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化擬合建模，使其有一個(gè)很好的模型展示。最后將它們和地表物模型進(jìn)行整體化處理，形成一個(gè)滿足應(yīng)用需求的架空輸電線路三維實(shí)景模型。

1 架空輸電線路三維建模流程

進(jìn)行架空輸電線路三維建模需要包含兩個(gè)內(nèi)容，主要為周圍實(shí)景環(huán)境建模和電力桿塔與導(dǎo)線建模，周圍實(shí)景環(huán)境建模主要流程為影像連接點(diǎn)提取、影像密集匹配、空中三角解算等。電力桿塔與導(dǎo)線建模使用在圖像的基礎(chǔ)上提取數(shù)據(jù)的方法，使其呈現(xiàn)出真實(shí)的模型狀態(tài)。其數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1 架空輸電線路三維實(shí)景數(shù)據(jù)處理流程

2 傳統(tǒng)的傾斜攝影三維建模

傳統(tǒng)的傾斜攝影三維建模步驟主要包括提取影像連接點(diǎn)、影像密集匹配、區(qū)域網(wǎng)平差解算、空中三角測(cè)量等。下面簡(jiǎn)要介紹影像連接點(diǎn)的提取與匹配以及光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角自動(dòng)解算。

提取影像連接點(diǎn)是空中三角測(cè)量平差計(jì)算的前提，目的是將不同影像上代表相同空間位置的特征點(diǎn)相匹配。目前常用的連接點(diǎn)提取和匹配的方法是尺度不變特征變換(Scale Invarient Feature Transformation，SIFT)特征匹配法。SIFT 算法流程主要為建立多維度空間、尋找極值、確定特征點(diǎn)的詳細(xì)方位、形成特征描述子和特征向量組合等步驟。通過高斯卷積建立多維度空間；尋找極值時(shí)，通過比較某個(gè)采樣點(diǎn)和其在圖像域和尺度域中的其他采樣點(diǎn)的大??；通過函數(shù)的擬合，找出圖像中關(guān)鍵點(diǎn)的位置，確定極值點(diǎn)的最終方位，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)特征向量組合，需要去除圖像中的不穩(wěn)定點(diǎn)；形成特征描述子主要有兩個(gè)步驟——關(guān)鍵點(diǎn)方向分配和特征點(diǎn)描述子生成；特征向量組合可以歸結(jié)為某個(gè)向量在高維空間之中使用距離函數(shù)檢索其相似向量[10]。

本文在數(shù)據(jù)收集方面，參考并對(duì)比選用搭載GPS/IMU、相機(jī)、視頻等一系列方式的自身特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)，旨在處理三維實(shí)景影像的數(shù)據(jù)，通過上述操作，完成分辨率、角度的多選擇性，以達(dá)到定位影像精度高的要求。文獻(xiàn)[11]提出空中三角測(cè)量法，具體是指在以少量的現(xiàn)場(chǎng)控制點(diǎn)或者不考慮場(chǎng)地控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過無人機(jī)單次飛行或多次飛行進(jìn)行多次且連續(xù)的航拍，其中多次飛行航拍照片會(huì)存在一定的重疊。其次根據(jù)照片或單元立體模型中的圖像點(diǎn)坐標(biāo)建立與實(shí)際地面點(diǎn)的解析關(guān)系，其中包括每?jī)蓷l同名射線的共面性解析關(guān)系，從而達(dá)到建立航線模型或者相關(guān)的區(qū)域網(wǎng)模型。以此得出加密點(diǎn)的平面坐標(biāo)及相關(guān)高程。區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量即將若干條航帶連接成一個(gè)區(qū)域然后對(duì)其進(jìn)行整體平差。光束法區(qū)域網(wǎng)平差的條件是在拍攝前將實(shí)際地面點(diǎn)、拍攝站、影像點(diǎn)都聚焦在同一方向，以每張照片的相似投影光束為調(diào)整單元，整個(gè)拍攝區(qū)域的實(shí)際控制點(diǎn)都能與相應(yīng)加密點(diǎn)聚焦在同一方向上，并通過求解整個(gè)拍攝區(qū)域的平差來得出每張照片相應(yīng)的地面坐標(biāo)和其所有的外方位元素。

以實(shí)景影像的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依托算法搭建的三維實(shí)景模型也同樣存在一些問題，主要是模型中僅僅含有架空線路走廊的地表特征，并未建立輸電線路上相應(yīng)電氣或非電氣設(shè)備的模型。究其原因是架空線路上的設(shè)備本體與地表特征存在明顯的差異，包含桿塔、絕緣子等一系列設(shè)備。其中存在大面積鏤空架構(gòu)的桿塔無法通過連續(xù)特征點(diǎn)取樣，達(dá)到與地表物相似方法建模的條件，且強(qiáng)制應(yīng)用算法進(jìn)行建模會(huì)存在塔架結(jié)構(gòu)不完整、與地表或天空背景不可分割的粘連等一系列明顯的差異，與實(shí)際物體不符合。常規(guī)的傾斜攝影三維建模的桿塔及附件實(shí)例如圖2 所示，可以看出傳統(tǒng)的傾斜攝影三維建模時(shí)關(guān)鍵信息的導(dǎo)地線建模由于影像點(diǎn)數(shù)據(jù)稀少，匹配連接難以完成。

圖2 傳統(tǒng)傾斜攝影建模的桿塔及附件實(shí)例

3 桿塔和導(dǎo)線的參數(shù)化擬合建模

3.1 桿塔與導(dǎo)線建模

通過對(duì)輸電線完成包括桿塔、絕緣子及導(dǎo)線三部分的建模工作即實(shí)現(xiàn)了對(duì)于其線路的建模。首先，針對(duì)絕緣子及導(dǎo)線的關(guān)系較為緊密，文中建模過程應(yīng)用合并方法。

當(dāng)進(jìn)行桿塔建模時(shí)，應(yīng)將電力塔的內(nèi)環(huán)、外環(huán)進(jìn)行區(qū)分。如圖3 中所顯示的為酒杯塔內(nèi)外環(huán)示意圖，圖中白色虛線為內(nèi)環(huán)，白色實(shí)線為外環(huán)。

圖3 酒杯塔的內(nèi)外環(huán)定義

如圖4 對(duì)絕緣子及導(dǎo)線進(jìn)行建模，可以看出該絕緣子構(gòu)成主要為兩根絕緣子串(白色表示)，以及金具部件(圖中為兩端黑色表示)。兩根導(dǎo)線通過絕緣子進(jìn)行掛接，除該連接點(diǎn)，還應(yīng)包含“入”和“出”兩點(diǎn)，作數(shù)字化處理。倘若某一導(dǎo)線有多個(gè)絕緣子掛接，那么每個(gè)絕緣子均應(yīng)數(shù)字化。最終，可以對(duì)桿塔內(nèi)的絕緣子實(shí)現(xiàn)有效區(qū)分，按照輸電的方向可以有以下三大類:進(jìn)入端絕緣子、中間跳轉(zhuǎn)絕緣子和出去端絕緣子。同樣，對(duì)于每個(gè)絕緣子掛接的導(dǎo)線也可以分為進(jìn)入端、輸出端。對(duì)每個(gè)塔進(jìn)行類似的方法完成數(shù)字化后，那么為了獲得某一線路的完整輸電回路，通常僅需獲取該線路中桿塔數(shù)量，及對(duì)應(yīng)塔上的絕緣子數(shù)量。

圖4 絕緣子與導(dǎo)線的定義

3.2 導(dǎo)線懸鏈擬合模型

輸電線路運(yùn)行安全受到導(dǎo)線的弧垂及應(yīng)力的影響。當(dāng)架空線路及地線長(zhǎng)度出現(xiàn)輕微變化時(shí)，都極有可能會(huì)使弧垂、應(yīng)力發(fā)生巨大改變，尤其對(duì)孤立檔影響更為顯著。以下為一般導(dǎo)線懸鏈方程，采用最小二乘法并選取多個(gè)控制點(diǎn)求取實(shí)際懸鏈方程相關(guān)參數(shù)信息[12]。如圖5 所示為導(dǎo)線懸鏈近似示意圖，對(duì)其值任一點(diǎn)可以寫成它的y坐標(biāo):

圖5 導(dǎo)線懸鏈近似示意圖

式中:σ0為架空線的水平應(yīng)力；γ為架空線路的比載；Lh＝0為AB點(diǎn)等高時(shí)架空線的長(zhǎng)度。

將式(3)的表達(dá)式對(duì)參數(shù)k用泰勒公式線性化:

用架空線的斜拋物線近似方程來計(jì)算未知量參數(shù)k的初值，斜拋物線方程為:

設(shè)已知有n個(gè)精確測(cè)量的控制點(diǎn)(x1，y1)，(x2，y2)，…，(xi，yi)，…，(xn，yn)，通過最小二乘法可以求出a0的值:

將點(diǎn)(xi，yi)代入式(4)可得到關(guān)于k修正值Δk的第j次迭代線性方程:

式中:0(Δk)作為另外一個(gè)待定參數(shù)，通過最小二乘法原理計(jì)算得到Δkj，再通過不斷的最小二乘迭代計(jì)算得到滿足精度要求的k值，從而得到滿足要求的電力線懸鏈方程。

5 自動(dòng)匹配

因?yàn)槊扛鶎?dǎo)線都是一組光滑的曲線的集合，只基于影像得到每條曲線上對(duì)應(yīng)的點(diǎn)比較困難。這時(shí)需通過影像之間的核線關(guān)系或投影軌跡來確定。在無人機(jī)進(jìn)行航線設(shè)計(jì)時(shí)需在導(dǎo)線的兩側(cè)進(jìn)行兩次飛行。如圖6 所示，基于桿塔1 和桿塔2 之間的兩個(gè)影像，利用左右核線與影像上導(dǎo)線的交點(diǎn)來確定導(dǎo)線上的點(diǎn)的三維坐標(biāo)。測(cè)出四到五個(gè)的三維模型點(diǎn)，即可用上述導(dǎo)線懸鏈公式計(jì)算匹配出整條導(dǎo)線的模型。

圖6 導(dǎo)線量測(cè)示意圖

匹配與擬合建模的主要步驟可以描述如下:通過垂直于輸電線路掃描圖像左側(cè)可得到電力線，達(dá)到較好的提取效果。考慮到航向與左膠片相反，但攝影位置與左側(cè)相似，因此通過電力線確定極限范圍。由于導(dǎo)線的數(shù)量通常較小，因此執(zhí)行全排列匹配。每次匹配時(shí)，生成的空間都會(huì)以直線反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)到右側(cè)的相鄰圖像進(jìn)行驗(yàn)證。保存已驗(yàn)證的匹配序列且重復(fù)同樣操作得到n個(gè)驗(yàn)證過的匹配序列，分析并驗(yàn)證n個(gè)匹配序列且導(dǎo)線坐標(biāo)必須滿足懸鏈線方程，最后得到多個(gè)精確的導(dǎo)線三維點(diǎn)坐標(biāo)。

4 實(shí)例仿真分析

對(duì)桿塔進(jìn)行建模包括:二維特征提取、基座的自動(dòng)匹配和基于模型庫的套合；而對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行擬合建模主要分為:特征線段提取、自動(dòng)匹配與擬合建模。

如圖7 為酒杯塔建模界面，其主界面包括:虛擬桿塔數(shù)據(jù)與三維模型展示區(qū)、影像圖層管理區(qū)、影像顯示區(qū)。使用GPS 完成影像的定向，對(duì)于酒杯桿塔的建模操作，需采用交互建模量取每一塔的關(guān)鍵點(diǎn)。其三維模型如圖8 所示。

圖7 酒杯塔建模界面

圖8 酒杯塔三維模型

將空間參考坐標(biāo)系應(yīng)用于完整的輸電線路三維實(shí)景數(shù)據(jù)中，同時(shí)對(duì)圖像信息進(jìn)行分層渲染，那么將三維地理信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入，并與衛(wèi)星采集地圖數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)融合。針對(duì)非輸電線走廊部分，可以采用精度相對(duì)不高的原衛(wèi)星地圖數(shù)據(jù)以及三維GIS 模式。而對(duì)于主要關(guān)注點(diǎn)應(yīng)注重其線路走廊信息，必須采集到分辨精度盡量高的信息數(shù)據(jù)，這有利于降低數(shù)據(jù)信息的處理及存儲(chǔ)壓力，并使運(yùn)行效率顯著提升[13]。使用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)采集一般地物信息，如圖9 表示桿塔及導(dǎo)線擬合建模整合實(shí)例。從圖9 結(jié)果可知，應(yīng)用本文建模方法可以有效實(shí)現(xiàn)架空輸電線路實(shí)景建模。

圖9 實(shí)景建模實(shí)例圖

5 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)效果良好的架空輸電線路三維建模，本文分析了傾斜攝影測(cè)量三維建模技術(shù)應(yīng)用于輸電線路鐵塔及導(dǎo)線時(shí)效果較差的缺點(diǎn)，提出了一種基于影像特征數(shù)據(jù)的參數(shù)擬合建模方案。首先針對(duì)建模過程給出了相關(guān)流程框圖；其次介紹了傳統(tǒng)傾斜攝影三維建模技術(shù)，對(duì)其建模所得三維圖形進(jìn)行分析；最后對(duì)照實(shí)例，對(duì)桿塔及導(dǎo)線使用參數(shù)化擬合建模，并給出兩種方法所得三維實(shí)景模型圖。從最終結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的建模方案相比傳統(tǒng)方法具有更好的效果。