基于攝影測量的輸電線路三維建模優(yōu)化技術

張 雷 班革革 劉 炳 沙 鑫 姬俊國

(國網(wǎng)河南省電力公司商丘供電公司)

0 引言

隨著數(shù)字地球的發(fā)展, 人們對建立三維模型產(chǎn)生濃厚興趣。近年來地形三維模型成為數(shù)字景觀模型中的重要模型, 目前國際測繪領域研究機載多角度傾斜攝影高新技術, 可以從多個傾角獲取影像彌補正射影像的缺陷。攝影測量學根據(jù)拍攝時相機所處高度分為衛(wèi)星飛機與近景, 按照應用范疇分為地形與非地形,攝影測量學技術從模擬測量到數(shù)字測量不斷發(fā)展。傾斜攝影測量三維建模具有成本低等優(yōu)點, 傾斜影像技術可以提高建模效率, 三維模型廣泛應用于城市規(guī)劃等多種行業(yè)。電力建設是我國經(jīng)濟發(fā)展的重要保障,地理空間信息技術的發(fā)展為精細高效完成高等級電網(wǎng)勘測技術提供技術手段, 高壓輸電線路方案優(yōu)化技術路線包括攝影測量技術建立路徑立體環(huán)境, 可以準確測量線路斷面與路徑空間關系。如何高效完成路徑優(yōu)化對輸電線設計提出新的要求。

1 輸電線路無人機攝影測量技術

攝影測量是對研究目標物體拍攝通過軟件對照片分析處理確定位置形狀的學科, 測量不接觸拍攝目標, 不易受到天氣環(huán)境的影響, 可以通過借助軟件分析計算得到目標幾何物理信息。數(shù)字攝影測量系統(tǒng)產(chǎn)生由來已久, 近年來輕小型航攝測量成為航空遙感領域的亮點, 無人機是通過無線遙控設備進行操控的不載人飛行器, 無人機以其方便快捷低成本優(yōu)勢得到廣泛應用, 具有快速靈活實時性強、獲取高分辨率遙感影像等優(yōu)點。無人機航測技術可達到1: 2000 國家航測規(guī)范要求[1]。低空無人機攝影可在小區(qū)域快速獲取航空影像, 低空無人機航攝系統(tǒng)可以超低空飛行, 可以更低代價得到高分辨率影像。

無人機近景攝影測量是對距離小于300m 的目標物攝影測量提取立體像, 采集目標圖像經(jīng)軟件分析處理確定沒毛病形狀位置參數(shù)。無人機航空攝影是無人機為空中平臺利用機載CCD 數(shù)碼相機獲取影像信息,無人機低空影像系統(tǒng)包括無人機飛行平臺, 地面遙控系統(tǒng)等[2]。無人機遙感系統(tǒng)具有獨特優(yōu)點, 但仍存在影像像幅小數(shù)量較多等缺點。無人機航空攝影流程與常規(guī)航攝一致, 應注意航帶設計飛行檢查控制與數(shù)據(jù)檢查等問題。很多用戶選用無人機作為航測載體, 傾斜攝影技術可以從多角度獲取影像, 傾斜攝影技術的廣泛使用減少三維城市建模成本。采用傾斜攝影三維建模技術可以直觀表現(xiàn)地形地貌特征, 使得傾斜影像應用范圍得到很大拓展。圖1 無人機航空攝影流程。無人機航攝后進行無約束網(wǎng)空三加密, 利用DEM 產(chǎn)品進行精細路徑優(yōu)化選線, 采用GPS 完成線路塔桿施工放樣。

圖1 無人機航空攝影流程

無人機航測具有效率高精度高等特點, 可以在小區(qū)域進行快速高分辨率影像采集, 基于無人機系統(tǒng)平臺的航測技術顯示出其獨有優(yōu)勢。無人機攝影測量系統(tǒng)通過搭載相機云臺采集地面影像, 可以快速生成三維模型, 其他角度傾斜影像可以獲取地面實物側面紋理信息, 傾斜攝影測量技術是實時處理的新型測繪技術。傾斜攝影技術具有真實性、高效性與高性價比等特點, 傾斜攝影技術是集成遙感傳感器等新型測繪技術, 測量系統(tǒng)包括無人機數(shù)據(jù)傳輸與地面監(jiān)控系統(tǒng)等。傾斜攝影技術是國際測繪遙感領域新興發(fā)展的高新技術, 利用拍攝物的垂直與傾斜影像快速構建目標區(qū)域真實三維空間場景, 可準確測量被拍攝物的坐標高度等。傾斜攝影系統(tǒng)包括飛行平臺與儀器, 姿態(tài)定位系統(tǒng)記錄相機在曝光瞬間姿態(tài)。

無人機傾斜攝影測量技術搭載相機獲取區(qū)域高重疊度影像, 采用專業(yè)測繪軟件完成空中三角測量計算獲得三維模型數(shù)據(jù), 電力巡視中應用無人機攝影測量技術分為外葉數(shù)據(jù)采集與內(nèi)業(yè)處理。隨著我國電力行業(yè)的發(fā)展,一些三維可視化方法提高輸電線路巡視的效率[3]。傾斜攝影技術可以真實還原側面紋理信息, 可以獲取可視化三維信息。目前輸電線工程線路優(yōu)化設計中應用傾斜攝影測量技術包括采用多角度影像進行三維重建生成點云數(shù)據(jù), 通過相關軟件對模型成果高度等屬性量測結果幫助完成輸電線路優(yōu)化設計。采用無人機攝影測量技術用于輸電工程勘測設計具有產(chǎn)品豐富, 快速響應受天氣影響小等優(yōu)點。圖2DEM 細節(jié)豐富。采用無人機攝影測量技術可以提高輸電線路工程室內(nèi)選線的準確性。

圖2 DEM 細節(jié)豐富

2 無人機攝影測量三維建模技術

現(xiàn)階段是我國堅強智能電網(wǎng)快速發(fā)展時期, 實現(xiàn)三維勘測設計成為輸電線路測繪領域的必然要求, 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)具有宏觀直觀等特點, 但在時效性等方面具有局限性。常規(guī)航空攝影可快速獲取高清晰影像數(shù)據(jù), 但需要專用機場審批及軍事航空限制。無人機航空攝影測量技術廣泛應用于農(nóng)林水利等國民經(jīng)濟各領域, 目前在電網(wǎng)建設中取得初步成效。根據(jù)傾斜影響特征總結測量生成三維模型關鍵技術包括影像預處理等。

攝影測量外業(yè)控制需要合理布設控制點, 應遵從控制點布置原則選擇合適的布設方案, 在困難區(qū)域無人機航拍獲取圖像前在地面設置明顯標記作為控制點[4]。像控點布設在相鄰像對重疊部分。傳統(tǒng)攝影測量法中需要像片控制點糾正, 全野外布點用于對測圖精度要求高的測量。像控布設運用非全野外布點方法, 像片控制點聯(lián)測是大地點坐標測定像片控制點坐標高程, 有利于下步外業(yè)像片控制點布設測量。GPS 定位技術用于航空攝影測量可獲得較高經(jīng)濟效益。像片控制點聯(lián)測運用分級控制方式,無人機航測利用數(shù)碼相機鏡頭焦距較小, 導致無人機航攝比例尺小。常規(guī)航攝比例為1 ∶8000 左右, 數(shù)碼相機像幅比專業(yè)航攝儀小。無人機影像基線長度短, 按照常規(guī)現(xiàn)有航攝測量外業(yè)規(guī)范布設像控點數(shù)量多, 通過計算分析研究合理控制點布設方案是無人機航攝技術應用關鍵。

多視影像聯(lián)合平差是傾斜影像處理中的關鍵步驟, 普通使用多視影像聯(lián)合平差法是根據(jù)SIFT 特征提取算法對影像進行特征提取, 得到像片外方位元素[5]。影像特征提取是影像數(shù)據(jù)處理與匹配中的基礎工作, 特征提取精度決定空三加密的精度。影響特征表現(xiàn)形式為影像在部分領域的灰度急劇變化, 目前基于點特征匹配算法有很多。多視影像中物體旋轉等問題突出, 為獲取高質量特征應選擇SIFT 算法提取特征, 通過建立圖像尺度空間尋找對圖像旋轉縮放等不具備變性的特征點, 特征點描述符包含信息完整。圖3 SIFT 算法步驟示意圖。SIFT 特征提取算法特點是數(shù)據(jù)描述能力強大, 良好不變性等?？杖用苁菬o人機影像內(nèi)業(yè)處理的關鍵部分, 將區(qū)域納入已知控制點地面坐標, 空三加密結果影響后期三維模型精度。將測區(qū)影像納入統(tǒng)一物方坐標系, 通過多視影像空三加密可以計算影像所在位置, 可實時量測影像數(shù)據(jù)。

圖3 SIFT 算法步驟示意圖

無人機傾斜攝影測量技術采用專業(yè)測繪軟件完成空中三角測量計算, 技術流程分為現(xiàn)場飛行作業(yè)與數(shù)據(jù)計算分析?；谟跋襁€原三維場景是商業(yè)軟件成熟功能, 如何得到輸電塔桿三維數(shù)據(jù)是復雜的問題。影像預處理后密集匹配所需基本數(shù)據(jù)準備完畢, 近年來國內(nèi)外學者深入研究多視影像密集匹配法, 匹配關鍵是采用多視匹配算法獲取多視影像同名點坐標[6]。研究采用CMVS 方法進行多視影像密集匹配, 對物體不同角度多幅圖像完成密集匹配。通過多視影像密集匹配可獲得高精度數(shù)字表面模型, 成為空間數(shù)據(jù)基礎設施的關鍵技術, 獲取高密度DSM 數(shù)據(jù)后將不同匹配單元融合生產(chǎn)數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)。將制作模型利用編輯軟件進行精細化修改, 對相應數(shù)據(jù)文件輸出上交成果數(shù)據(jù)。

3 輸電線路攝影測量三維建模優(yōu)化技術應用

輸電線路周期性巡視工作主要關注線路本體和附屬設施, 通過直升機無人機可快速對線路進行本體紅外等巡視, 線路本體應用機巡可超越人工巡視效果[7]。通道巡視主要內(nèi)容是線行保護區(qū)內(nèi)環(huán)境變化導致線路風險, 線路通道巡視要保證及時發(fā)現(xiàn)問題, 安全管控等級高的線路區(qū)段要求每月兩次, 采用人工巡視方式受限于地形采用望遠鏡不能保證測量精度。航空攝影測量可以快速對大范圍區(qū)域測量。輸電線路側影測量要注意任務目標, 相機選擇與飛機平臺選型等工作。

無人機航空攝影前用戶根據(jù)作業(yè)任務做好規(guī)劃,確定攝影比例尺和行高等, 為提高空域資源利用率,需要向航空管理部門申請測區(qū)空域飛行學科[8]。依據(jù)無人機飛行任務對航攝技術參數(shù)設置, 做好地面準備工作后選擇晴朗無云的天氣, 無人機拍攝作業(yè)中選好起飛地點組裝航攝儀, 合理設置各項技術參數(shù), 向空中控制系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)控制命令。地面人員對獲取數(shù)據(jù)檢查, 無人機飛行后回收檢查儀器相關功能。無人機空中飛行作業(yè)時用于天氣情況使航線受到偏移, 影響測繪產(chǎn)品的精度。利用機載POS 系統(tǒng)得到位置數(shù)據(jù),飛行質量檢查包括航向重疊度等。無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)飛行決定生成地理信息產(chǎn)品精度, 對獲取影像質量檢查可以清晰掌握是否存在漏拍情況。表1 激光雷達發(fā)現(xiàn)樹障點情況。

表1 激光雷達發(fā)現(xiàn)樹障點情況

數(shù)據(jù)檢查合格后對原始圖像處理, 編號隨飛行方向增加, 根據(jù)飛行航線編號原始影像分類, 按照影像數(shù)據(jù)通用格式建立目錄分類存儲。航測系統(tǒng)搭載成像設備存在光學鏡頭加工誤差, 原始影像拍攝存在不均勻光照等影響, 應對影像進行歸一化勻光色處理。影像增強采用Wallis 濾波變換, 電網(wǎng)公司機巡作業(yè)中心使用無人機傾斜攝影對220kV 輸電線采集數(shù)據(jù), 在巡視線路桿塔N016-N138 檔間, 通過傾斜攝影發(fā)現(xiàn)4 處樹障。應用數(shù)據(jù)處理軟件對線路傾斜攝影數(shù)據(jù)對比分析差異, 在20 檔測試數(shù)據(jù)中通過甲鈷胺雷達發(fā)現(xiàn)7處樹障, 針對不同巡視方式得到較大差異數(shù)據(jù)分析結果。對比原始照片核查, 13 點樹障原始照片左右側位置不符。14 號離樹干中心較遠, 證實算法劃分點群區(qū)域將同棵樹存在三點群區(qū)域導致發(fā)現(xiàn)三個樹障點。

以激光雷達數(shù)據(jù)作參考數(shù)據(jù)分析誤差原因。對比分析發(fā)現(xiàn)得到數(shù)據(jù)存在差異包括樹障點距離小號塔差異。研究從檔距差異, 點群區(qū)域劃分方面分析差異,輸電線路傾斜攝影樹障分析軟件采用kml 文件導入塔桿坐標, 處于塔桿密集區(qū)出現(xiàn)人為失誤導致坐標糾正錯誤。處于安全閾值的樹木選取代表危險點作為樹障缺陷。針對不同巡視方式得到較大差異化結果進行理論分析, 通過分析不同方式產(chǎn)生點云對比尋找差異原因, 將不同方式點云數(shù)據(jù)疊加, 樹障處激光點云反應樹木空間形態(tài), 測量樹障距離大于激光雷達。

4 結束語

傾斜攝影測量技術可以彌補正射影響不能真實反應地表真實情況的缺陷。目前傾斜攝影三維建模技術廣泛應用于工程實踐中, 攝影測量技術在輸電線路巡視中應用具有很大優(yōu)勢。本文利用無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)獲取研究趨于影像, 總結系統(tǒng)采集遙感影像關鍵技術, 建立三維模型分析影響精度的因素, 采用無人機航攝測量技術可以快速獲取輸電線路等區(qū)域影像, 建立三維模型具備測繪級精度, 低空攝影測量技術對不同地形適應性較強。無人機搭載非量測數(shù)碼相機, 現(xiàn)行航攝測量技術標準關于航攝方案一些規(guī)定不適用于無人機, 應結合相關理論選擇適當?shù)募夹g方案。研發(fā)適應性光的影像匹配算法對無人機航攝測量技術普及日常重要。