基于倾斜摄影对输电架空线走廊三维重建关键设计

董选昌 曲烽瑞 张记权 李艳飞 杨成城

摘要：倾斜摄影测量技术是继航空摄影测量之后又一项新的先进的对地观测技术，它利用惯性导航系统（IMU）、全球定位系统（GPS）和数码相机，可快速、准确地获取地面及附属物的三维坐标和数字影像数据。高压输电线路走廊环境复杂，三维重建任务给输电管理部门提出了新的要求和研究课题。

关键词：倾斜摄影；输电架空线走廊；高压线路；三维重建；没量技术 文献标识码：A

中图分类号：TP391 文章编号：1009-2374（2016）18-0013-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.007

为了保证电力输送系统的正常运行，我们需要对电力线走廊进行巡检。电力线走廊的范围大，距离长，线路往往需要经过深山野林，跨越大江大河，穿过沙漠等交通工具行驶不方便的地区。巡检的主要目的是发现可能威胁到输电线路的障碍物，如树木、房屋等。人工巡线不仅需要花费大量的时间精力，而且难以应对突发的故障。相对于传统的人工巡检方法和手段，目前新的方法主要有机器人巡线和直升机巡线。机器人爬线尽管获取数据精度高，但是存在着电池的续航能力不足导致巡检效率不高的问题。无人机巡检电力线路具有高效、快捷、可靠、不受地域影响等优点，成为电力线巡检技术发展的趋势。除人工巡检外，利用直升机巡检的另外一个优势是获取电力线走廊的地形地貌及电力设施等信息，可以系统进行检查并建立树木生长和预测模型。目前获取走廊的方法有三维激光扫描和立体摄影测量，林昀等利用激光雷达对宁海地区的超高压进行了快速巡检，该方法虽然高效，但激光雷达的价格贵、测量范围小、操作难度大，所以难以推广应用。而立体摄影测量的方法是利用飞机搭载数码相机对电力走廊进行多角度拍摄，然后对电力走廊进行三维重建。这是目前的主流方法之一，具有体积小、重量轻、成本低的特点。在实际的直升机巡线中，一般是采用来回双航带的飞行模式，并用单相机进行拍摄。

1 方案和流程

对于航拍，我们要求飞机必须沿着导线低空飞行，拍摄影像的航向重叠度不能低于60%。在航飞拍摄完成后，我们获得一组电力走廊的航飞照片。首先要提取影像间的连接点；接着对航拍影像进行GPS辅助空中三角测量获取影像的外方位元素；最后对影像进行密集匹配生成具有三维信息的点云模型。具体的流程如图1所示。

2 连接点提取

由于SIFT算法具有尺度不变、旋转不变等特性，所以本文采用SIFT（Scale-Invariant Feature Transform）局部特征检测算法来提取连接点，并用GPS信息来加速连接点的计算。算法首先构建图像金字塔，金字塔的上层是由下层高斯卷积得到的，上级是由下降得到的，金字塔的结构如图2所示；然后遍历每个尺度空间中的像素点，并对每个遍历像素点和同层及上下层图像比较，找出极值点；接着利用公式（1）计算每个极值点邻域像素的主梯度方向来描述关键点的旋转不变性；再接下来为关键点生成128维特征向量，使得特征点具有旋转不变和不受光照影响的特性；最后，在两幅影像匹配中，找出与关键点特征向量的欧式距离最近的两个点，如果最近的距离除以次近的距离少于0.6则接受这个匹配点。为了加快影像匹配速度，利用已知的GPS信息来筛选具有重叠度的影像。方法是假设所有影像都是水平的，将GPS的坐标信息转换成像方空间坐标系。然后根据像片的长宽计算影像是否有重叠的部分。这样在做影像匹配的时候就不需要考虑所有的像片组合了，而只需考虑有可能重叠的像片组合，从而减少匹配的计算量。

（1）

式中：L（x，y）为图像函数；m（x，y）为梯度大小；为梯度方向。

3 GPS辅助空三测量

由于没有控制控制数据，我们采用GPS辅助空中三角测量方法来获取影像拍摄时的摄影中心位置和姿态。首先，利用SIFT算法提取的连接点构建双航带影像的自由模型；然后，根据投影中心和GPS天线的位置关系解算出每个影像摄影中心和姿态的初值。GPS辅助空中三角测量基于式（2）和式（3）进行联合解求。式（1）表示每张影像摄影中心（XS，YS，ZS）和相应拍摄时刻GPS坐标（XA，YA，ZA）的平移、旋转关系；式（2）表示每个连接点（x，y）和地面点（X，Y，Z）的共线关系。

（2）

式中：R为影像姿态角决定的旋转矩陣；（u，v，w）为像空间辅助坐标系的GPS位置的坐标平移。

（3）

从每幅影像上的待定像点坐标和GPS获取的摄影中心坐标出发，按每条摄影光线的共线方程式（3）列出误差方程，逐点法化建立改化法方程式，按最小二乘法即可求得每张影像的摄影中心（XS，YS，ZS）和旋转矩阵。

4 密集匹配

本文采用基于半全局匹配算法（SGM）的多级密集匹配来生成点云。算法是基于全局匹配能量函数简化得到。对于一种匹配可能，全局能量函数定义为：

（4）

式中：第一项表示对于像素p，视差为Dp时的不相似性代价；第二项表示像素p取视差Dp与邻域内的点q取视差Dq时。视差较为1的惩罚性代价；第三项表示像素p取视差Dp与邻域内的点q取视差Dq时，视差较大于1时的惩罚性代价。

最优全局匹配的目标是最小化能量函数E（D）。利用式（5）通过8个或16个方向代价的和得到近似全局最优的匹配结果。

（5）

5 实验结果

本实验利用集成差分GPS、索尼A7R高分辨率定焦相机的航空数码摄影系统和8旋翼无人机对广州大学附近的一条220kV线路进行了数据采集和三维重建。从图2中可以看见杆塔和地面树木都已经三维重建成功：

图2 对杆塔和地面数据采集三维重建结果

将生成的三维数据模型叠加到三维平台上面，如图3所示。与0.265米分辨率的高清航拍图进行叠加显示，航拍的地物可以和倾斜摄影三维重建的数据完美叠加在一起（图中两个绿化带完美叠加一起），验证了数据的精度比较高。倾斜摄影低空飞行带来高分辨率的地面纹理。

图3 与分辨0.2米的三正射影像叠加

6 结语

通过对输电走廊线路的三维重建，很好地展示了输电线路杆塔与周围真实环境的距离，环境真实场景的再现和定位，为辅助输电管理、运行维护提供了帮助。未来还可以结合电力的生成管理平台，实现电力设备与真实场景的可视化及生命周期管理。

目前还存在一些技术不足的地方，杆塔三维重建细节不够完美，导线还不能全自动化提取。今后可以通过设计规则、对称性原理、杆塔参数等约束条件与三维重建几何约束关系，实现杆塔模型真正的全自动化建模。

参考文献

[1] 谭金石.基于摄影测量技术的电力线高程测量方法

[J].测绘科学，2013，（2）.

[2] Lowe，D.G.Object Recognition from Local Scale-Invariant Features[M].International Conference on Computer Vision.Corfu，Greece，1999.

[3] Hirschmiiller H.Stereo Processing by Semiglobal Matching and Mutual Information[J].IEEE Transactions On Pattern Analysis And Machine Intelligence，2008，30（2）.

[4] 林昀，吴敦，李丹农.基于机载激光雷达的高精度电力巡线测量[J].城市勘测，2011，（5）.

[5] 王之卓.摄影测量原理[M].北京：测绘出版社，1979.

[6] 徐刚.由2维影像建立3维模型[M].武汉：武汉大学出版社，2006.

[7] 袁修孝.GPS辅助空间三角测量原理及应用[M].北京：测绘出版社，2001.

（责任编辑：黄银芳）