基于實景三維模型的電力選線技術(shù)

張艷秋 李艷芳 花春亮

(1. 蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 甘肅 蘭州, 730123;(2. 中國能源建設(shè)集團甘肅省電力設(shè)計院有限公司, 甘肅 蘭州, 730050)

0 引言

無人機傾斜攝影測量技術(shù)從一個垂直、多個傾斜角度對同一地物的不同角度進行拍攝,不僅能夠自動快速獲取地形地貌、建筑物、樹木等地理實體的紋理細節(jié),而且可以彌補航空攝影測量只獲取地物正射影像的缺陷,具有較高冗余度的影像重疊,保證了高精度影像匹配的充足條件,使基于人工智能的三維(three-dimensional,3D)實景模型重建成為可能。傾斜攝影數(shù)據(jù)通過先進的定位、融合、建模等技術(shù)處理,能夠獲得高精度輸電線路地表的強真實感三維空間信息。

三維選線技術(shù)始于美國軍方研發(fā)的海拉瓦(HALAVA)系統(tǒng),該方法能保證線(路徑)位塔位結(jié)合在一起,使路徑方案得到全方位優(yōu)化,輔助電力工程的勘測設(shè)計,降低工程投資、縮短工程建設(shè)周期。實景三維模型數(shù)據(jù)位置精準(zhǔn)、分辨率高、場景真實、要素全面,并且可以快速更新,現(xiàn)勢性好,是重要的基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)成果。本文將實景三維模型數(shù)據(jù)引入到輸電線路三維設(shè)計選線中,掌握研究區(qū)高精度地形地貌以及建筑物細節(jié)特征,并進行三維漫游分析,旨在研究如何將實景三維建模技術(shù)應(yīng)用到電力三維設(shè)計選線任務(wù)中,實現(xiàn)三維模型數(shù)字化設(shè)計分析,使電力設(shè)計在選線過程中更具科學(xué)化、智能化,同時節(jié)省人力物力,優(yōu)化資源配置,提升電力設(shè)計過程的效率。

1 無人機傾斜攝影三維建模技術(shù)原理

1.1 技術(shù)簡介

無人機傾斜攝影實景三維建模技術(shù)主要有以下幾個步驟：一是捕捉數(shù)據(jù),進行區(qū)域網(wǎng)平差;二是將用傾斜攝影獲取的多視角影像進行密集匹配、空三加密,從中提取點云數(shù)據(jù);三是進行紋理映射,得到研究區(qū)實景三維模型,獲得研究區(qū)地形地貌、植被、構(gòu)筑物三維細節(jié)特征。其中,決定實景三維模型構(gòu)建精度的最大影響因素是數(shù)據(jù)捕捉,即傾斜數(shù)據(jù)獲取,而布設(shè)合理的像控點是數(shù)據(jù)捕捉的核心。目前,布設(shè)像控點的主要方法有中心平高設(shè)控、邊緣平高設(shè)控、全面平高設(shè)控、中心高程設(shè)控和平高設(shè)控,實際布設(shè)過程中,優(yōu)勢突出的是中心高程設(shè)控和平高設(shè)控法,優(yōu)化處理后能大大提高三維建模的速度和精度,可以為電力工程勘測提供現(xiàn)勢性好、內(nèi)容詳盡、數(shù)據(jù)精確、模型逼真的基礎(chǔ)空間地理信息數(shù)據(jù)。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

無人機傾斜攝影主要有3個系統(tǒng)構(gòu)成：

(1)飛行平臺,低空航空攝影使用的航測無人機,不受場地的限制,并且能在航攝過程中保持飛行的穩(wěn)定性。為了兼顧效率,本項目優(yōu)先選用六旋翼無人機,搭載高性能傳感器,自動化、智能化同步記錄拍攝時的位置和姿態(tài)等信息。

(2)傳感器,由多鏡頭相機和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)定位裝置組成。為了建立三維實景模型,且保證拍攝對象立面影像信息的可用性,傾斜攝影獲取影像時通常以45°左右角度為優(yōu),從5個方向獲取目標(biāo)地物的實景信息,包括一個垂直方向和4個側(cè)面方向。

(3)三維模型建立軟件處理系統(tǒng),以Smart 3D為代表的人機交互半自動三維建模軟件,通過在獲得的目標(biāo)區(qū)域傾斜影像上進行同名點提取、多視角匹配、三角網(wǎng)構(gòu)建、紋理映射等操作步驟,實現(xiàn)把簡單連續(xù)的傾斜攝影影像轉(zhuǎn)換成實景真三維模型,且不需要太多的人工干預(yù),既保證了精度有提高了建模的效率。

2 輸電線路工程三維選線技術(shù)介紹

建設(shè)輸電線路的首要環(huán)節(jié)是電力選線設(shè)計,選線成果的優(yōu)劣直接影響到項目的進展情況、建設(shè)成本、運營成本、服務(wù)能力等方面。傳統(tǒng)的選線方法是基于1∶50 000地形圖進行粗選,設(shè)計人員進行現(xiàn)場探勘,再在地圖上進行修改,最后選出最終路徑方案,但地形圖圖幅所限,選線范圍固定,不易進行篩選、統(tǒng)計、分析,且存在地形圖的現(xiàn)勢性差的問題。為克服傳統(tǒng)外業(yè)選線的缺點,利用先進的測繪新技術(shù)進行選線方法革新,開展基于實景三維模型的電力設(shè)計選線研究十分必要。

輸電線路工程三維選線主要包括前期的踏勘、無人機傾斜攝影、三維模型建立、三維識別、線路初選等工序,實景三維模型建立的精度決定三維選線的效率和精確度。輸電線路的三維設(shè)計要以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和開放的平臺架構(gòu)為基礎(chǔ),以傾斜攝影數(shù)據(jù)庫為核心,以三維建模為技術(shù)手段,通過實景三維模型建立,可以對空間物體進行精確描繪,在計算機上實現(xiàn)三維地貌、地物的真實再現(xiàn)。將三維模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維設(shè)計平臺,準(zhǔn)確量測被跨越物的坐標(biāo)、距離與高度信息,并直接對空間距離進行校驗,在三維平臺中較快捷且準(zhǔn)確地對障礙物進行校驗或避讓,快速生產(chǎn)線路的平斷面圖,合理優(yōu)化線路路徑跨越位置,設(shè)計階段綜合考慮跨越塔架立和放線施工,同時減少交叉跨越已建輸電線路,較大程度上提高了路徑優(yōu)化工作的效率。

3 工程應(yīng)用實例

3.1 測區(qū)概況

測區(qū)位于隴東高原黃土丘陵溝壑區(qū),雨水豐沛、地形多變、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜;新構(gòu)造運動強烈,致使巖土破碎、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育較為頻繁;在以往的電力工程設(shè)計中,線路優(yōu)化選擇主要靠人工決策,費時費力,工作效率低,并且遇突發(fā)自然災(zāi)害,會危及工作人員的人身安全。該地區(qū)河流沖刷嚴(yán)重,交通條件較好,但是居民區(qū)、管線等地物分布零散,方便選擇無人機起降場地,開展無人機傾斜攝影測量,使整個選線過程達到最優(yōu),為線路選擇和設(shè)計提供輔助決策,在距離比較長、沿線地形較復(fù)雜、精度要求較高的輸電線路工程中,可以實現(xiàn)快速、精確的自動優(yōu)化選線。

3.2 三維選線技術(shù)流程

依據(jù)電力工程三維數(shù)字選線設(shè)計要求,收集測區(qū)控制點數(shù)據(jù)、氣象資料、交通等基礎(chǔ)數(shù)據(jù),開展無人機傾斜攝影測量,建立測區(qū)實景三維模型,在數(shù)字化選線平臺進行輸電線工程選線設(shè)計,具體的技術(shù)流程如圖1所示。

3.3 實景三維模型建立

按照每千米一對像控點布設(shè),采用靜態(tài)GNSS接收機采集數(shù)據(jù)。航攝飛行方向自西向東,設(shè)置航向重疊度為80%,旁向重疊度為70%,選用6旋翼無人機作為飛行平臺,搭載5鏡頭傾斜相機,保證像片重疊度、像片傾斜角、像片旋偏角、航線歪曲度等要素要滿足飛行質(zhì)量技術(shù)設(shè)計要求,對測區(qū)開展影像數(shù)據(jù)采集,經(jīng)過空三加密、密集匹配生成點云數(shù)據(jù),然后進行三維紋理貼膜等核心操作處理,生產(chǎn)測區(qū)實景三維模型數(shù)據(jù),如圖2所示。

圖1 三維選線技術(shù)流程圖

圖2 研究區(qū)實景三維模型

3.4 精度分析

實景三維模型具有高精度、高分辨率、高清晰度的特征,能真實還原現(xiàn)實世界地物地貌特征,因此輸電線路工程三維設(shè)計在精度上是能夠滿足電力選線規(guī)程規(guī)范要求的。實景三維模型精度區(qū)別于傳統(tǒng)數(shù)字正射影像和數(shù)字高程模型,一般分為主觀評價和客觀數(shù)據(jù)分析,主觀評價是指人通過自己感官模型紋理的清晰度、色調(diào)、明暗程度、信息豐富度率等方面來評價實景三維模型表觀質(zhì)量;客觀數(shù)據(jù)分析通過建立模型特征參數(shù)數(shù)據(jù)來評價其誤差。為了對三維實景模型的精度進行驗證,沿著輸電線路規(guī)劃路徑按照每500 m一個檢查點的標(biāo)準(zhǔn)選取40個檢查點進行精度評價分析,如表1所示。

表1 檢查點平面和高程誤差統(tǒng)計 單位：cm

平面中誤差計算公式為

(1)

高程中誤差計算公式為

(2)

利用式(1)計算得到平面中誤差為±6.4 cm,利用式(2)計算得到高程中誤差為±8.5 cm,平面和高程精度均符合三維數(shù)字化線路精度需,結(jié)果滿足電力工程數(shù)字攝影測量規(guī)程1∶1 000比例測圖精度要求。

3.5 基于實景三維模型的數(shù)字化選線設(shè)計

通過三維設(shè)計平臺在實景三維模型中進行輸變電工程優(yōu)化設(shè)計選線和塔桿排位的優(yōu)點是宏觀性好,可以直觀地從整體上對輸電線路路徑和塔桿的位置進行確定。

3.5.1

通過實景三維模型既能很清晰地識別電力線路、油氣管道、林木、房屋等地類的分布狀況,多角度觀察輸電線路路徑環(huán)境,又能準(zhǔn)確量測線路斷面及房屋、樹木等地表物體的高程,精確統(tǒng)計并量測跨越物信息,進而實現(xiàn)對拆遷量的精確統(tǒng)計及路徑優(yōu)化選擇的準(zhǔn)確判斷,得到輸電線路設(shè)計選線的最優(yōu)路徑,保證了電力選線精度,提高了勘察設(shè)計的效率,有利于合理控制工程造價。

3.5.2

依托實景三維模型數(shù)據(jù)在三維設(shè)計平臺中自動進行塔桿排位,首先要定義飛行路徑,設(shè)置高度值,在系統(tǒng)中沿固定高度進行三維漫游,這樣可以在高空總體上查看三維設(shè)計效果,使設(shè)計人員更直觀準(zhǔn)確地對設(shè)計方案進行優(yōu)化,實時校驗導(dǎo)線與障礙物的空間距離,對線路走廊的合理性和可行性進行綜合評價,最終確定塔桿的精確位置。借助平臺三維漫游功能,可以簡化煩瑣的統(tǒng)計工作和復(fù)雜的校核工作,較大程度上提高了塔桿排位的效率。三維選線成果見圖3。

圖3 三維選線成果圖

4 結(jié)束語

無人機搭載多角度傾斜相機快速獲取各個方位的地表影像數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)處理恢復(fù)真實地表三維模型,并利用三維實景模型線路優(yōu)化選線等工作,為電力勘測設(shè)計人員提供一種經(jīng)濟、快捷地電力三維選線途徑,解決了原始電力選線中地形圖現(xiàn)勢性差,受圖幅所限,選線范圍固定,不易進行篩選、統(tǒng)計分析等行業(yè)難題,大大提高了選線成果的效率、項目的進度,降低了建設(shè)成本。隨著行業(yè)的發(fā)展和三維選線系統(tǒng)的應(yīng)用,它將改變電力線路設(shè)計原有的思維模式和操作方式,徹底擺脫設(shè)計人員進行現(xiàn)場探勘,再在地圖上進行修改,最后選出最終路徑方案的模式,而是將研究區(qū)域直觀地在平臺進行展示,為電力線路測量提供空間分析、坡度計算、坡向計算等輔助功能,為電力工程三維設(shè)計提供真實直觀的基礎(chǔ)三維實景地理信息數(shù)據(jù)模型,滿足電力測量地表三維數(shù)據(jù)獲取、管理及高效利用的全流程需求,是電力行業(yè)技術(shù)方法革新的關(guān)鍵性一步,將對提升電力行業(yè)效率和改善工作方式產(chǎn)生革命性影響。