基于傾斜攝影和LiDAR融合的電網(wǎng)數(shù)字孿生

劉 奇，趙 平，王遠(yuǎn)洋

(中國(guó)電建集團(tuán)貴州電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550008)

0 引言

隨著數(shù)字中國(guó)建設(shè)的推進(jìn)，促進(jìn)了各領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)[1]。近年來(lái)，國(guó)家電網(wǎng)有限公司和中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司相繼推出了適用于輸變電工程建模的GIM規(guī)范[2]，依托地理信息技術(shù)，將電網(wǎng)各元素進(jìn)行數(shù)字化，形成信息模型，融合電網(wǎng)全壽命周期信息[3-4]，按照統(tǒng)一的規(guī)定以GIM文件的格式存儲(chǔ)信息模型，減少模型數(shù)據(jù)量，實(shí)現(xiàn)信息的高效、準(zhǔn)確、全面應(yīng)用，在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行三個(gè)階段進(jìn)行全周期的信息資源共享、決策以及管理，提升電網(wǎng)數(shù)字化水平[5]。如何將電網(wǎng)設(shè)備資料、知識(shí)信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字化要素，挖掘數(shù)字資源隱性價(jià)值，實(shí)現(xiàn)物理電網(wǎng)向數(shù)字電網(wǎng)的升級(jí)，提高電網(wǎng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平[6]，受到了廣泛關(guān)注與研究。

電網(wǎng)設(shè)備數(shù)字化是電網(wǎng)數(shù)字孿生的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目前針對(duì)電網(wǎng)設(shè)備的三維數(shù)字化建設(shè)，常采用依據(jù)設(shè)計(jì)資料和臺(tái)賬數(shù)據(jù)的手工建模方式，由于電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)龐雜、設(shè)備點(diǎn)多面廣、運(yùn)行特性各異，且設(shè)計(jì)與運(yùn)行存在差異性，導(dǎo)致建模工作效率低、語(yǔ)義信息表達(dá)不完整以及與實(shí)際的差異性，嚴(yán)重制約了電網(wǎng)智能化建設(shè)的發(fā)展。而國(guó)內(nèi)外針對(duì)電網(wǎng)三維建模的研究主要集中在電力線矢量化方面，對(duì)桿塔、絕緣子、金具等設(shè)備的建模研究較少。比如，McLaughlin[7]通過(guò)小范圍內(nèi)的點(diǎn)云擬合，得到電力線參數(shù)模型。Melzer[8]采用二維Hough變換進(jìn)行電力線點(diǎn)云定位，然后通過(guò)3D擬合的方式計(jì)算電力線參數(shù)。Li[9]綜合考慮了電力線差異特征和電塔結(jié)構(gòu)，對(duì)區(qū)域電力網(wǎng)格中的同塔多回線路進(jìn)行了建模。Morarjee[10]基于多視幾何的方法，利用影像完成了輸電線路三維建模。尹暉[11]等以設(shè)計(jì)資料為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用Sketch Up軟件對(duì)輸電桿塔、絕緣子以及金具進(jìn)行三維建模，但是由于設(shè)計(jì)資料不全、設(shè)計(jì)與實(shí)際的差異性以及桿塔的復(fù)雜性等原因，導(dǎo)致建模效率較低。鄭曉光[12]等為了提高輸電線路的建模效率，提出了組件式建模方法。該方法設(shè)立桿塔模型的模型庫(kù)，將桿塔模型分為塔頭和塔腿兩個(gè)主要部分，能降低輸電線路大規(guī)模桿塔建模的難度，相比于傳統(tǒng)方法提高了建模的效率。但在調(diào)整塔頭和塔腿的尺寸時(shí)依然要花費(fèi)大量時(shí)間，同時(shí)桿塔模型的橫擔(dān)位置與實(shí)際位置出現(xiàn)不符合的情況。余文輝[13]等提出了一種模型驅(qū)動(dòng)的激光點(diǎn)云輸電線路桿塔建模方法，以桿塔節(jié)間為單位，變坡點(diǎn)為分界，通過(guò)人機(jī)交互的方法，對(duì)桿塔進(jìn)行積木式建模，使模型精細(xì)程度更高，但是僅針對(duì)桿塔建模，不能反映通道整體的三維空間場(chǎng)景。為此，本文提出基于傾斜攝影和LiDAR融合的方法，以解決輸電線路通道以及桿塔大范圍建模效率低、可視化效果差以及語(yǔ)義信息不全等問(wèn)題，構(gòu)建輸電線路通道全局三維空間信息模型，打造電網(wǎng)數(shù)字孿生。

1 基于傾斜攝影的輸電線路走廊大場(chǎng)景建模

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是通過(guò)在飛行載體上搭載多鏡頭相機(jī)，從多個(gè)角度獲取目標(biāo)影像，經(jīng)過(guò)影像預(yù)處理、多視影像聯(lián)合平差、模型構(gòu)建、三維模型修飾等，可以快速生成大范圍的三維模型。其建模原理如圖1所示。

圖1 傾斜攝影測(cè)量建模原理圖

1)數(shù)據(jù)預(yù)處理

由小型飛機(jī)或無(wú)人機(jī)搭載相機(jī)和全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)定位裝置獲取航測(cè)區(qū)域的可見(jiàn)光影像和定位定姿系統(tǒng)(position and orientation system，POS)數(shù)據(jù)。依據(jù)相機(jī)特點(diǎn)、拍攝時(shí)間、拍攝姿態(tài)檢查POS數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)完整性，并進(jìn)行影像勻光勻色、幾何校正等預(yù)處理[14]。

2)多視影像聯(lián)合平差

不同于常規(guī)的正射平差，多視影像不僅包含垂直攝影數(shù)據(jù)，還包括傾斜攝影數(shù)據(jù)，因此要充分考慮影像間的幾何變形和遮擋關(guān)系[15]。結(jié)合POS系統(tǒng)提供的多視影像外方位元素，采取由粗到精的金字塔匹配策略在每級(jí)影像上進(jìn)行同名點(diǎn)自動(dòng)匹配和自由網(wǎng)光束法平差，得到較好的同名點(diǎn)匹配結(jié)果。同時(shí)建立連接點(diǎn)和連接線、控制點(diǎn)坐標(biāo)、GPS/IMU輔助數(shù)據(jù)的多視影像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差的誤差方程，通過(guò)聯(lián)合解算，確保外方位元素精度滿足實(shí)際要求。

3)三維場(chǎng)景模型

多視影像具有覆蓋范圍大、分辨率高等特點(diǎn)。通過(guò)多視影像密集匹配能得到高精度高分辨率點(diǎn)云數(shù)據(jù)，充分表達(dá)地形地物起伏特征。對(duì)生成的密集點(diǎn)云進(jìn)行分塊計(jì)算，并轉(zhuǎn)換為不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)(triangulated irregular network，TIN)模型，之后對(duì)模型進(jìn)行紋理映射，輸出三維模型成果。

4)三維場(chǎng)景模型檢查與修飾

因?yàn)樗嬉装l(fā)生鏡面反射的物體難以匹配到同名點(diǎn)，使生成的三維場(chǎng)景模型出現(xiàn)破洞。因此需要對(duì)模型進(jìn)行檢查，對(duì)于出現(xiàn)破洞的區(qū)域進(jìn)行修補(bǔ)編輯。同時(shí)，輸電線路走廊的大范圍三維場(chǎng)景建模，會(huì)產(chǎn)生低質(zhì)量的桿塔模型，需進(jìn)行修飾以提高三維場(chǎng)景模型的可視化效果。利用傾斜攝影測(cè)量建立的輸電線路走廊模型如圖2所示，其中(a)為修飾前的模型，(b)為修飾后的模型。

圖2 輸電線路走廊傾斜模型

2 基于LiDAR的桿塔三維建模

三維激光雷達(dá)系統(tǒng)是一種新型的空間測(cè)量技術(shù)，集激光傳感器、GPS以及慣性測(cè)量單元(inertial measurement unit，IMU)于一體，能夠快速獲取大范圍目標(biāo)的高精度三維空間信息[16]。利用LiDAR高精度三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)輸電線路的精確定向和定位，可以快速構(gòu)建輸電線路桿塔精細(xì)化模型，其技術(shù)流程如圖3所示。

圖3 基于LiDAR的桿塔三維建模流程圖

2.1 桿塔定位與定向

利用經(jīng)過(guò)去噪處理的桿塔和電力線點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)式(1)和(2)得到線路桿塔的重心(Xg，Yg)，以重心為原點(diǎn)，建立桿塔獨(dú)立坐標(biāo)系[13]。

式中：M為桿塔點(diǎn)云數(shù)量；xi，yi為每個(gè)點(diǎn)i的平面坐標(biāo)。

從桿塔點(diǎn)云所有的點(diǎn)中計(jì)算出高程最低點(diǎn)Zmin。根據(jù)Zmin為每個(gè)桿塔點(diǎn)集自動(dòng)生成一個(gè)外包長(zhǎng)方體，使桿塔點(diǎn)集被完全包圍，長(zhǎng)方體最低點(diǎn)即為Zmin，基于中心點(diǎn)與長(zhǎng)方體框建立桿塔獨(dú)立坐標(biāo)系[13]。根據(jù)線路中桿塔的重心坐標(biāo)連線，確定輸電線路走向。依據(jù)線路方向，調(diào)整桿塔坐標(biāo)軸，從而確定輸電線路中桿塔的空間位置和姿態(tài)[13]。

2.2 桿塔特征點(diǎn)提取

提取桿塔特征點(diǎn)位置，包括地線掛點(diǎn)、導(dǎo)線掛點(diǎn)、塔身點(diǎn)以及塔腳點(diǎn)。由式(4)計(jì)算每個(gè)點(diǎn)最鄰近的n個(gè)鄰域點(diǎn)并擬合出局部拋物面，采用最小二乘法計(jì)算各系數(shù)，并根據(jù)式(5)得到該點(diǎn)局部曲率K[14]。

式中： (x，y)為水平方向坐標(biāo)，A、B、C、D、E、F為擬合拋物面的參數(shù)。

通過(guò)人機(jī)交互的方式捕捉初始范圍內(nèi)曲率較大的特征點(diǎn)，人工捕捉并確定點(diǎn)云中特征點(diǎn)位置。如圖4所示，其中(a)為特征點(diǎn)示意圖，(b)為通過(guò)桿塔點(diǎn)云提取的特征點(diǎn)。

圖4 桿塔特征點(diǎn)捕捉

2.3 桿塔模型構(gòu)建

根據(jù)選擇的桿塔類型和提取的特征點(diǎn)位置，遍歷模板庫(kù)中的模型，采用模板匹配構(gòu)建模型[15]。生成的桿塔模型如圖5所示，其中(a)為桿塔正視圖，(b)為桿塔立體視圖。

圖5 桿塔模型

根據(jù)輸電線路真實(shí)場(chǎng)景，對(duì)絕緣子和金具建模，并在桿塔模型上配置絕緣子、金具以及桿塔各部件屬性信息，完成輸電線路GIM模型的構(gòu)建。

3 基于傾斜攝影和LiDAR融合的電網(wǎng)數(shù)字孿生

傾斜攝影能夠快速獲取大范圍三維表面模型，而通過(guò)LiDAR數(shù)據(jù)可以快速構(gòu)建桿塔精細(xì)化三維模型，充分利用兩者的優(yōu)勢(shì)，融合傾斜攝影和LiDAR構(gòu)建電網(wǎng)數(shù)字孿生。其技術(shù)流程如圖6所示。

圖6 基于傾斜攝影和LiDAR融合的電網(wǎng)數(shù)字孿生技術(shù)流程圖

通過(guò)外業(yè)采集的輸電線路通道傾斜影像和LiDAR數(shù)據(jù)，分別構(gòu)建輸電線路通道走廊模型和桿塔GIM模型，其中走廊模型是以瓦片的方式分塊存儲(chǔ)模型的尺寸、空間位置以及紋理等信息，而GIM模型則是以GIM文件的方式存儲(chǔ)幾何模型單元、組合模型、物理模型、工程模型以及屬性信息。對(duì)兩種模型數(shù)據(jù)分別進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換與解析，并進(jìn)行坐標(biāo)校正、空間配準(zhǔn)以及模型數(shù)據(jù)切片，融合多源異構(gòu)模型數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多分辨率層次模型的GIM+GIS集成可視化。

3.1 輸電線路傾斜攝影建模

根據(jù)輸電線路走廊傾斜模型(OSGB格式模型)瓦片的分塊索引，將傾斜模型瓦片數(shù)據(jù)按照索引順序進(jìn)行無(wú)縫拼接，生成一個(gè)完整的模型數(shù)據(jù)文件。采用Draco頂點(diǎn)壓縮算法和CM紋理壓縮算法對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮存儲(chǔ)，最終形成一個(gè)輕量級(jí)的走廊模型數(shù)據(jù)。其流程如圖7所示。

圖7 走廊傾斜模型數(shù)據(jù)拼接與轉(zhuǎn)換流程圖

3.2 輸電線路桿塔GIM建模

解析桿塔GIM數(shù)據(jù)。依據(jù)架空輸電線路GIM相關(guān)規(guī)范，對(duì)GIM文件進(jìn)行幾何過(guò)濾及語(yǔ)義清洗，獲取GIM模型的幾何信息和對(duì)應(yīng)的語(yǔ)義信息。根據(jù)提取的模型信息進(jìn)行幾何轉(zhuǎn)換，通過(guò)細(xì)節(jié)層次模型(levels of detail，LOD)映射規(guī)則，映射到不同層級(jí)的對(duì)象。對(duì)完成幾何轉(zhuǎn)換的模型進(jìn)行語(yǔ)義映射，并導(dǎo)出多層級(jí)模型，如圖8所示。

圖8 桿塔GIM數(shù)據(jù)解析與轉(zhuǎn)換流程圖

將基于傾斜攝影獲取的走廊通道模型與基于LiDAR數(shù)據(jù)構(gòu)建的桿塔GIM模型轉(zhuǎn)換到相同的坐標(biāo)系下，并采用矩陣平移算法對(duì)傾斜模型和GIM模型進(jìn)行空間配準(zhǔn)。根據(jù)地形數(shù)據(jù)構(gòu)建工程區(qū)域的TIN模型，鑲嵌走廊傾斜模型，然后疊加桿塔GIM模型，形成完整的三維數(shù)字孿生場(chǎng)景模型，如圖9所示。

圖9 模型融合流程圖

3.3 輸電線路傾斜攝影和LiDAR融合建模實(shí)例

以某500 kV輸電線路為例，通過(guò)直升機(jī)搭載五鏡頭傾斜相機(jī)和LiDAR獲取通道內(nèi)的傾斜影像和三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用傾斜攝影數(shù)據(jù)生成輸電線路走廊大場(chǎng)景三維模型，采用LiDAR數(shù)據(jù)構(gòu)建輸電線路桿塔GIM模型，并將傾斜模型和GIM模型進(jìn)行坐標(biāo)校正與配準(zhǔn)，然后融合傾斜模型和GIM模型，形成完整的輸電線路走廊三維數(shù)字孿生場(chǎng)景模型。其可視化效果如圖10所示。

圖10 輸電線路走廊三維數(shù)字孿生場(chǎng)景模型

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了基于傾斜攝影和LiDAR融合的方法構(gòu)建輸電線路走廊三維數(shù)字孿生場(chǎng)景模型。通過(guò)飛行載體搭載傾斜相機(jī)和LiDAR系統(tǒng)，獲取輸電線路通道傾斜影像和LiDAR數(shù)據(jù)。利用傾斜攝影快速建立輸電線路走廊三維模型，并經(jīng)過(guò)模型修飾處理，得到去除桿塔以后的輸電線路走廊大場(chǎng)景模型。以輸電線路三維激光點(diǎn)云為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，提取桿塔和電力線點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)濾波進(jìn)行降噪處理，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高精度三維坐標(biāo)，對(duì)輸電線路進(jìn)行定向和定位。然后提取桿塔的特征點(diǎn)，根據(jù)桿塔特征點(diǎn)進(jìn)行模板匹配，生成桿塔三維模型，經(jīng)過(guò)絕緣子、金具、屬性信息等的配置與精細(xì)化調(diào)整，最終輸出GIM成果。最后，將輸電線路走廊大場(chǎng)景模型和桿塔GIM模型進(jìn)行坐標(biāo)校正以及空間配準(zhǔn)，融合輸電線路走廊大場(chǎng)景模型和桿塔GIM模型，構(gòu)建輸電線路走廊三維數(shù)字孿生場(chǎng)景模型。對(duì)于已建成投運(yùn)的輸電線路，該方法構(gòu)建模型效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的全人工建模方法，并且視覺(jué)效果較好、數(shù)據(jù)量較小、具有豐富的語(yǔ)義信息表達(dá)能力，能夠滿足信息查詢、空間分析以及可視化管理的功能。為“數(shù)字電網(wǎng)”建設(shè)提供了有力的數(shù)據(jù)支撐，是未來(lái)智能電網(wǎng)發(fā)展的方向。