無人機(jī)傾斜攝影建模在變電工程勘察中的應(yīng)用

史青禾，林文靜，馬 靜，靳 軍，王 田，侯帥超

（德州華德電力勘察設(shè)計有限公司，山東 德州 253000）

引言

無人機(jī)傾斜攝影建模是利用無人機(jī)采集的低空影像通過空中三角運(yùn)算生成實(shí)景模型的技術(shù)，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于地圖測繪、國土安全、工程建設(shè)等諸多行業(yè)，涵蓋了基礎(chǔ)測繪、規(guī)劃勘察、方案論證和運(yùn)行維護(hù)等多個方向[1]。

變電工程的勘察作為電網(wǎng)建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，是確保變電工程順利進(jìn)行設(shè)計、施工及運(yùn)維工作的前提，勘察結(jié)果應(yīng)能真實(shí)地反映目標(biāo)區(qū)域的地理空間信息和交通運(yùn)輸通道，并且應(yīng)與輸電線路走廊密切銜接，是最大程度提高土地使用效益、安全可靠供應(yīng)清潔能源的基礎(chǔ)。

無人機(jī)傾斜攝影建模技術(shù)相較于傳統(tǒng)的人工勘察作業(yè)，在高效性、靈活性和直觀性等方面具備無可比擬的優(yōu)勢，其建模成果也可應(yīng)用到變電工程三維設(shè)計、施工管理和后期運(yùn)維等方面，具有十分廣闊的應(yīng)用前景和研究價值。

1 無人機(jī)傾斜攝影建模概述

無人機(jī)傾斜攝影建模技術(shù)是通過在飛行平臺上搭載高清傳感器，同時從垂直、傾斜等不同角度采集影像[2]，通過整合經(jīng)緯度坐標(biāo)、無人機(jī)飛行姿態(tài)信息（POS）、數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射影像圖（DOM）等數(shù)據(jù)，進(jìn)行基于原始影像的空中三角坐標(biāo)測量[3]，最終得到與現(xiàn)實(shí)環(huán)境完全相同的三維實(shí)景模型的過程。這項技術(shù)融合了多視角影像聯(lián)合平差、密集匹配、DSM濾波融合等技術(shù)，能夠直觀地反映地理空間精細(xì)結(jié)構(gòu)。

1.1 無人機(jī)傾斜攝影建模發(fā)展現(xiàn)狀

無人機(jī)正逐漸由重量級、固定翼、油動機(jī)向輕量級、多旋翼、電動機(jī)過渡，特別是近年來便攜式無人機(jī)的廣泛應(yīng)用，可以低成本、高效率地采集指定區(qū)域的多視角影像資料。

在影像傳感器方面，目前廣泛采用有美國的UltraCam Osprey、瑞典的Leica RCD30、中國的SWDC-5等攝影系統(tǒng)。在建模軟件方面，比較有代表性的有美國Bentley公司的Context Capture Center、瑞士Pix4d公司的Pix4dMapper、法國Infoterra公司的像素工廠、徠卡公司的LPS工作站等系統(tǒng)，在國內(nèi)主要有超圖軟件公司的SuperMap-GIS7C、天際航公司的DP-Modeler等三維建模系統(tǒng)。

無人機(jī)傾斜攝影建模技術(shù)如今在重大工程建設(shè)、國土安全、資源保護(hù)與開發(fā)、區(qū)域規(guī)劃發(fā)展等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。在電力工程方面，實(shí)景三維模型為電力工程的規(guī)劃勘察提供了十分便利的數(shù)字化平臺，在輸電線路工程路徑選擇、變電站站址規(guī)劃勘察和工程三維設(shè)計等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

1.2 傾斜攝影建模的特點(diǎn)和優(yōu)勢

無人機(jī)傾斜攝影建模技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢主要有以下幾個方面：

1）快速、便捷、全自動。通過無人機(jī)實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的快速采集，進(jìn)行全自動的實(shí)景建模，極大地節(jié)省了時間和人力成本。

2）身臨其境的實(shí)景三維模型。生成基于真實(shí)影像紋理的高分辨率實(shí)景三維模型，對指定區(qū)域的全要素還原達(dá)到了接近真實(shí)的極致。

3）建模成果可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測量。建模成果直接進(jìn)行坐標(biāo)、高程、面積、土方量等參數(shù)的量測。

4）廣泛的數(shù)據(jù)兼容性。建模成果能夠輸出包括obj、osgb、dae等在內(nèi)的多種兼容格式，方便導(dǎo)入各種三維應(yīng)用平臺，并且可以流暢地應(yīng)對本地訪問或互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程瀏覽。

2 技術(shù)路線

無人機(jī)傾斜攝影建模技術(shù)的應(yīng)用流程可分為準(zhǔn)備階段、傾斜影像獲取、影像數(shù)據(jù)處理和模型輸出及應(yīng)用四個過程。

2.1 準(zhǔn)備階段

在執(zhí)行無人機(jī)航攝作業(yè)之前，根據(jù)擬建變電工程地理空間布局、工程規(guī)模和輸電線路走廊等信息，制定合理的飛行方案。如果目標(biāo)區(qū)域在1 km2以內(nèi)，且地勢較為開闊、氣象條件較好，適合采用輕量級無人機(jī)搭載單鏡頭或五鏡頭相機(jī)。如果區(qū)域超過2 km2，地勢起伏較大、氣象條件惡劣，則需固定翼或多旋翼無人機(jī)搭載專業(yè)攝影云臺來完成攝影任務(wù)。執(zhí)行航攝任務(wù)的成員應(yīng)受過專業(yè)培訓(xùn)并取得適航證書，如果航攝任務(wù)涉及航空管制區(qū)域，需提前向所在軍區(qū)及航空管制部門進(jìn)行申請與備案[4]。

無人機(jī)飛行航線是影響飛行安全和影像采集質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，航線規(guī)劃應(yīng)滿足以下要求：

1）確保目標(biāo)區(qū)域全部涵蓋在拍攝范圍內(nèi)。

2）根據(jù)地面分辨率的要求合理設(shè)置飛行高度和速度，表1所示數(shù)據(jù)為經(jīng)過多次航攝作業(yè)得到的參考值。

表1 地面分辨率與無人機(jī)飛行高度、速度對照表

3）飛行高度應(yīng)能避讓航攝區(qū)域內(nèi)物體最高點(diǎn)。

4）確保航向重疊率和旁向重疊率均不小于70%。

2.2 傾斜影像獲取

執(zhí)行無人機(jī)放飛任務(wù)之前，作業(yè)人員需合理選定無人機(jī)起降場地和坐標(biāo)控制點(diǎn)。無人機(jī)起降場地應(yīng)平坦開闊、視野良好，并遠(yuǎn)離高大障礙物、機(jī)場、人口稠密區(qū)和無線電干擾源，確保無人機(jī)起降、飛行安全。

地面坐標(biāo)控制點(diǎn)是用來輔助控制平差，為建模提供輔助性定位信息的措施。對區(qū)域添加控制點(diǎn)能夠避免相機(jī)的長距離幾何失真，賦予傾斜攝影成果真實(shí)的平面坐標(biāo)，使模型具有更加準(zhǔn)確的空間地理精度。航攝區(qū)域內(nèi)有效的控制點(diǎn)集合需要包含3個及以上的坐標(biāo)控制點(diǎn)，便于建模軟件正常運(yùn)行。

2.3 數(shù)據(jù)處理

將航攝獲取的影像、飛行姿態(tài)信息（POS）、坐標(biāo)控制點(diǎn)等作為原始數(shù)據(jù)源導(dǎo)入Context Capture Center系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理工作。在導(dǎo)入數(shù)據(jù)時，不同焦距、分辨率的影像應(yīng)分組導(dǎo)入，對于具有坐標(biāo)控制點(diǎn)的影像，在空中三角運(yùn)算前應(yīng)將坐標(biāo)控制點(diǎn)與影像刺點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

空中三角運(yùn)算是基于多視角影像聯(lián)合平差、密集匹配等算法對影像屬性和POS信息的精細(xì)化糾正，該過程是傾斜攝影實(shí)景建模過程的核心步驟，也是模型生成的前提?？罩腥沁\(yùn)算生成的點(diǎn)云模型通過軟件TIN網(wǎng)格構(gòu)建和紋理映射，最終生成滿足工程需要的三維實(shí)景模型。

2.4 模型輸出及應(yīng)用

Context Capture Center軟件的建模成果具有高精度的空間地理信息，能夠直觀地展示目標(biāo)區(qū)域內(nèi)全要素的地理空間成果，可以將變電站三維模型與傾斜攝影實(shí)景模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，將變電工程以實(shí)景可視化的方式呈現(xiàn)，最終得到既滿足電網(wǎng)工程要求，又滿足區(qū)域環(huán)境要求的變電工程方案。

3 工程應(yīng)用案例

3.1 項目背景

為滿足山東省德州市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)中部日益增長的用電負(fù)荷需求，提高供電可靠性，優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，規(guī)劃建設(shè)德州崇德110 kV變電站，擬建站址位于德州市規(guī)劃大學(xué)東路以南、崇德三大道以西。為精準(zhǔn)展現(xiàn)本工程站址及周邊地理空間布局，合理規(guī)劃各級輸電線路路徑和塔位，在本工程的勘察階段應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，創(chuàng)建三維實(shí)景模型。

3.2 傾斜影像采集

本工程傾斜攝影的目標(biāo)區(qū)域東西長420 m，南北寬400 m，采用大疆悟Inspire 2.0型無人機(jī)搭載Zenmuse X5S型單鏡頭相機(jī)，使用DJIGSpro進(jìn)行智能航線規(guī)劃，航攝區(qū)域設(shè)置4個坐標(biāo)控制點(diǎn)。整個工程共作業(yè)3架次，獲取原始影像2 000余張。

3.3 數(shù)據(jù)處理

影像采集完成并進(jìn)行畸變矯正預(yù)處理后，將原始影像、POS文件、坐標(biāo)控制點(diǎn)信息導(dǎo)入Context Capture Center軟件中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，提交空中三角運(yùn)算，生成高密度三維點(diǎn)云模型。將點(diǎn)云模型提交模型重建任務(wù)，自動構(gòu)建三維TIN網(wǎng)格和白體三維模型，然后擬合原始影像進(jìn)行紋理映射，生成高精度的三維實(shí)景模型。

3.4 模型關(guān)聯(lián)與應(yīng)用

三維模型的DEM/DOM文件可直接為變電工程的勘察提供精確的地理空間信息，如站址定位和土方測量等。模型經(jīng)過精細(xì)化調(diào)整和修飾后，將傾斜攝影實(shí)景模型與在Revit軟件中搭建的變電站三維數(shù)字模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)融合。

3.5 精度分析

為驗證無人機(jī)傾斜攝影實(shí)景建模的精度，本工程利用RTK在區(qū)域內(nèi)實(shí)測了10個位置的坐標(biāo)，與生成的實(shí)景模型坐標(biāo)進(jìn)行對比。通過對兩組數(shù)據(jù)對比，平面精度中誤差為0.05 m，高程精度中誤差為0.10 m，根據(jù)《1∶500、1∶1 000、1∶2 000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范（GB/T 7930—2008）》要求，本次作業(yè)生成的模型滿足規(guī)范要求的精度。

4 結(jié)語

無人機(jī)傾斜攝影建模技術(shù)以其便捷高效、實(shí)景精確、兼容性高的特點(diǎn)，能夠滿足變電工程在數(shù)字化、信息化方面不斷提出的新要求。生成的實(shí)景模型能夠為變電工程的全生命周期提供數(shù)據(jù)支撐服務(wù)，值得在未來的學(xué)習(xí)、生產(chǎn)中不斷試驗與探索。