基于倾斜摄影的输电线路三维建模应用研究

马海霞，李中兴，陈斯炯

（1.华南理工大学广州学院电气工程学院，广东广州 510800；2.广东机电职业技术学院电气技术系，广东广州 510515；3.广东电网有限责任公司汕头澄海供电局，广东汕头 515800）

近年来，我国电网建设高速发展，规模已居世界首位。无人机巡检技术在输配电线路巡检中被迅速推广应用，以提高巡检效率，降低工作人员劳动强度。目前无人机自主巡检中，一个至关重要的制约其发展的因素是输配电网络三维模型的建立。输电线路巡检中三维建模一般采用激光雷达进行,但由于设备昂贵，导致电网企业需投入的资金较多，在短期内无法实现全面覆盖。而传统3D MAX 建模技术难度较大、专业性强，主要应用于建造设计中。现有技术的大规模三维建模流程也尚未规范，造成工作效率低下。无人机摄影技术是近年来发展起来的一种新的三维建模技术，主要在违章建筑监测、测绘及智慧旅游等领域开始应用，并取得了良好的效果[1-3]。文献[4]针对单体建筑物三维精细化建模问题，使用单体建筑物影像三维环绕式航线规划技术的数据采集的方法，提高模型精度和视觉效果[4]。文献[5]提出了一种基于倾斜影像三维线特征约束的三维模型优化方法，来消除模型的凹凸不平和边缘锯齿等视觉效果不佳问题[5]。目前已经有研究人员开始探索将倾斜摄影技术用于电力行业，文献[6]将激光雷达与倾斜摄影技术融合起来，对电力巡检系统进行优化[6]。文献[7]使用倾斜摄影技术对水电站进行三维建模，以解决老水电站数字化困难的问题[7]。文中针对当前架空输电线路三维建模的不足，提出使用倾斜摄影技术进行输电线路的三维建模，并依据实际建模经验提出一套规范化的建模操作流程，降低设备成本，提高工作效率，为大规模输电线路三维建模提供依据。

1 无人机倾斜摄影技术

1.1 倾斜摄影原理

无人机倾斜摄影技术是通过在同一飞行平台上搭载多台传感器（倾斜相机），同时从垂直、倾斜等不同角度采集影像，获取地面物体更为完整准确信息的一种方法。

倾斜相机不管是单镜头还是多镜头，都会拍摄一组正射影像和4 组倾斜影像，通过区域网平差算法将倾斜摄影影像进行联合平差、影像匹配、三维建模，提取所需信息[8]。倾斜摄影图像处理流程如图1所示。

图1 倾斜摄影图像处理流程

多视角图像具有垂直视角的正射图像和倾斜图像。多视影像在联合平差过程中需要判断物体遮挡情况，结合无人机提供的经纬度数据获得影像外的方位信息，在建立连接点和连接线的过程中，将执行相同名称图像点的自动匹配和自由网束方法的调整。控制点坐标、GPS 信息、三轴姿态角和加速度测量信息用作辅助数据，以进行算法的调整。影像匹配可以获取高精度的数字表面模型（DSM），并且可以更好地表达地形的起伏形状。在真正射影像纠正过程中，需要用到大量的多角度倾斜图像和连续数字高程模型（DEM），而且需要用到离散分布且差异很大的地面物体。因此，需要分别在图像侧执行校正、图像分割、边缘信息提取、纹理聚类等方法，以提取图像侧的立体信息。

通过上述步骤对斜摄影图像进行处理后，可以使用专业的软件生成斜摄影模型，即单体模型或非单体模型。单体模型基于图像中侧面纹理的特定细节，结合三维线框模型，在纹理映射后生成三维模型。在该过程中，高密度点云也可用于构建不规则性的表面，三角网格模型可生成具有一定映射精度的斜摄影三维模型[9]。

1.2 倾斜摄影测量的优点

如图2 所示，倾斜摄影测量能够清晰地展现真实地物信息，相比于传统3D MAX 建模误差大的缺点，能够做出较好的补偿。倾斜摄影三维模型的高度、面积、体积等信息可以通过软件进行测量，相比使用全站仪等设备测量更加方便。相比于传统3D MAX 建模方式，倾斜摄影测量从外业采集到内业，数据处理整个流程所用的时间仅为传统3D MAX 建模的1∕3，大大节省了建模时间。在三维模型建立过程中，倾斜摄影测量技术能够进行大规模图像采集和模型重建，同时能够直观地表现物体立面的纹理信息、压缩建模时间、节约建模成本。使用传统方法重建的三维模型数据量较大，不宜于储存与发布，倾斜摄影三维模型的影像数据数据量较小，便于进行数据共享[10-11]。

图2 倾斜摄影测量技术的优点

1.3 图像几何失真处理

进行倾斜摄影测量时，首先应对几何图形进行多视图处理，纠正和消除图像的几何失真。导致图像变形的原因包括地面的起伏、光折射的影响、传感器的位置以及无人机飞行姿态的变化等。除此之外，由于摄像机的内部结构，成像分辨率和镜头质量等原因，也会导致图像变形。上述像点偏移的误差是由传感器结构和各种外部原因引起的，而引起变形最主要的误差来自镜头畸变，但它所产生的误差属于系统误差，可以通过一定的计算方法进行消除[12]。镜头的构造则不同，通常会导致出现变形的情况，这种变形称为光学畸变。除了镜头本身的构造外，感光元件及相机内部光电转换元件对影像进行处理时也会造成一定的误差，形成畸变。径向畸变、切向畸变和电荷耦合器件面阵变形都是常见的光学畸变。文中使用相机检校软件对相机进行检校，获取畸变参数，对影像进行畸变差纠正。

2 倾斜摄影三维建模规范化流程

使用无人机倾斜摄影测量技术进行输电线路的三维模型重建工作，可以分为两部分：外业工作和内业数据处理。倾斜摄影测量的外业工作是在测量中进行所有前期数据采集工作的统称，其工作流程包括：现场踏勘、航摄方案拟定和航摄实施。倾斜摄影航摄任务结束后，将影像数据从内存卡拷贝到工作站上，开始进行数据处理。内业数据处理主要包括以下流程：原始数据准备、提交控制三角测量、提交三维重建、生成三维网格和三维点云、三维网格及三维点云的修饰以及三维模型的应用。

通过多次实践，总结出一套利用无人机倾斜摄影测量技术进行三维建模的流程，如图3 所示。

图3 无人机倾斜摄影三维建模流程

3 输电线路实训基地三维建模

文中采用的三维建模系统为Bentley公司的Context Capture 软件[13-14]。该软件能够根据相机内部方位元素、照片位置、云台姿态参数和POS 坐标等数据，通过空中三角测量和3D 重构输入相关参数，可以自动生成真实图像的高密度点云，并生成三维模型。

3.1 外业数据采集

文中以某输电线路实训基地为例进行三维模型重建，实训基地西侧树木较高，对地高度约为30 m，东侧为学生公寓，对地高度约为25 m。

1）测区划定

文中以输电线路实训基地中三基塔为主体，三基塔经纬度坐标如表1所示，测绘区面积为2 075 m2。

表1 测区经纬坐标

杆塔位置及边界点位置如图4 所示。

图4 测区划定

2）航摄技术参数确定

为确保无人机按照计划航线完成此次航摄飞行任务，需根据无人机飞行安全规范以及低空数字航空摄影规范的相关规定，在实施航摄之前完成各项航摄技术参数：航高、航线等参数的计算[15-16]。

首先要计算航高，根据测区地形与预计影像精度，对于不同任务需要选择合适的测图比例尺和分辨率，再依据式（1）计算航高参数：

式（1）中，H为摄影航高(m)；f为物镜镜头焦距(mm)；a为像元尺寸(μm)；GSD为地面分辨率(cm)。

确定测区范围后，通过测区的面积确定飞行航向以及飞行航线长度，根据式（2）计算可得出航线间隔宽度，根据式（3）计算可得出摄影长度：

其中，DX表示实地航线间隔宽度，BX表示实地摄影长度，LX表示像幅长度，LY表示像幅宽度；PX表示航向重叠率，QY表示旁向重叠率。

文中选用大疆Phantom4ProV2.0 无人机作为执行航摄任务的平台，相机云台的倾角设置为-45°，飞行的平均速度设置为4 m∕s，航摄任务共计需要20 min。

3.2 三维模型重建

外业数据采集任务后获得原始影像469 张，经过检查清晰度及坐标等原始数据确定其中339 张可用于三维重建，影像利用率为72%；利用空中三角测量，计算出关键连接点67 482 个；重投影误差为0.66像素。空中三角测量完成后，由关键连接点生成3D视图，如图5 所示。

图5 空中三角测量3D视图

三维重建有两种方法：三维网格重建和三维点云重建。三维网格重建效果如图6 所示。

图6 三维网格重建效果

图6 为三维网格重建效果，其时间取决于模型范围的大小和模型重建的精度，通过多次对不同模型范围及不同精度进行建模对比，发现模型范围越大，重建时间越长；精度越高，重建时间也越长。在规划的测绘区域外，由于图像数量较少、重叠率较低，导致出现空洞，影响模型的美观，需要对其进行修饰，才能达到更好的效果。三维点云重建时，由于倾斜摄影所采集的影像是由像素点构成的，能够通过计算为每一个像素点定义属性，与激光点十分相似，随着相机像素不断提高，大幅度提升了建模效果，对于一般的场景，足够达到其应用要求。

4 结论

无人机倾斜摄影三维建模相比于传统建模技术，可以实现快速建模，并且其视觉效果更加接近于现实。文中针对输电线路实习基地利用倾斜摄影技术建立了三维模型，得到了三维网格建模模型和三维点云建模模型，并对两种模型作了对比分析。同时在建模倾斜摄影建模实践中总结出建模工作流程。三维网格重建后精度基本上可以达到厘米级，满足线路巡检的基本要求，为无人机自主巡检提供了依据。利用三维点云重建的三维模型可以自动测量导线的对地距离，不需要人工进行巡检，节约了时间，提高了巡检的效率。但是杆塔结构或树木的遮挡导致部分数据缺失是不可避免的，其对杆塔构建精细部分的重建误差较大，使输电线路精细化巡检具有一定的难度。但随着技术的发展和硬件性能的提升，倾斜摄影三维建模精度逐步升高，输电线路精细化巡检的问题也将得以解决。