一种基于倾斜摄影的变电站三维实景建模方法

杨梓瀚

（广东电网有限责任公司汕头供电局，广东汕头,515000）

0 引言

近年来，数字孪生电网的建设逐步推进[1]，构建电网设备三维模型，对数字孪生电网的支撑作用将愈加明显。利用成熟于测绘领域的倾斜摄影航测技术，采用空间三角测量学解算方法，生成电网设备三维模型的方式，可高效产出具有还原度高、可使用性强、功能拓展性广泛等众多优势的设备三维模型。当下，倾斜摄影[2]运用于输配电线路建模，已逐步普及，但对于变电设备的三维实景建模，则尚且鲜有涉足。本文尝试提出一种变电站倾斜摄影建模方法。

1 电网设备倾斜摄影建模应用现状

1.1 输电线路倾斜摄影实景建模应用现状

倾斜摄影用于构建城市、工厂、农田等区域的三维实景，是一项测绘领域的技术，目前已趋于成熟。三维实景模型在输电设备运行、维护、巡检、生产管理等方面，大大提高了信息化、智能化生产水平，带来了输电线路运检的减负增效，甚至推动了生产组织模式优化[2-3]。

1.2 变电设备倾斜摄影的应用前景

与输电线路类似，变电站倾斜摄影建模，是变电站数字孪生的重要实现方式之一，其具有以下两方面的优势。从功能上，变电站倾斜摄影三维实景模型，具有真实的设备外观，清晰可见的设备编号，厘米级误差的位置精度，在生产中应用于设备管理、施工管理、生产过程管控、仿真演练及培训，起到重要支撑作用。从成本上，基本仅需一次性购置采集设备、建模软件、工作站等软硬件，建模过程的自动化水平高，人工干预少，因此生产成本低廉，并且模型生产周期也较短。

1.3 变电设备倾斜摄影建模的技术问题

一般的无人机倾斜摄影技术，主要是利用无人机搭载航测相机，在高空从多角度采集设备，而由于航拍高度较高，此种方法生成的三维模型，不利于对变电设备复杂结构、局部细节的复现，并且，这些需要复现的细节，在后续模型功能的使用中十分重要。因此，如直接将一般的倾斜摄影航测方法应用于变电站三维实景建模，通常或不能满足变电站无人机作业的安全要求，或不能达到理想的建模效果，因此该方式尚且鲜有涉足。

1.4 变电站倾斜摄影建模的主要思路

根据上文所述，变电站倾斜摄影建模方法，务必需要满足变电站无人机安全飞行的要求，又需提高模型精细度。因此，可以认为，变电站无人机倾斜摄影，主要就是解决如何使无人机飞得更低、更贴近设备的同时，又保证飞行安全的问题。

为此，本文提出如下构想（图1）：先使用一般的倾斜摄影建模方法，在高空对变电站全站进行航测建模，得到一个初步的模型（后文简称“粗模”），在粗模上规划无人机自动航线，利用验证过的、安全可靠的自动航线，在更低的高度、更贴近设备的距离，采集设备近照，最后将高空、低空航测的照片共同用于建模解算，得到变电站的精细模型（后文简称“精模”）。下面，本文将对此方案展开详述。

图1 变电站无人机倾斜摄影建模主要流程

2 安全技术介绍

2.1 安全优先原则

变电站的无人机航测，应同时兼顾飞行安全以及航测精度，但在安全与精度存在矛盾时，应按照优先考虑安全因素的原则。例如：建模精度不足时，优先考虑使用更长焦距的镜头，而不是通过降低飞行高度提升精度。

2.2 自动驾驶优先原则

由于变电站的特殊性，手动驾驶无人机航测作业，对飞手的操作要求较高，劳动强度也更大，带来一定安全风险。因此，航测无论是高空或低空，均优先采用自动航线，通过航线控制无人机避开有电设备、构（建）筑物等障碍物。手动驾驶仅用于紧急情况下飞机操作收回。

2.3 自动航线验证方法

由于高精度的航测，需要使用的无人机尺寸往往会超过中型无人机的标准，其无论是尺寸或是重量，均给变电站安全飞行带来挑战。因此，若采用中型以上无人机以自动航线航测的方式，则需要先通过以下方法进行验证：选取轻型无人机（即起飞重量在4kg以内的）作为安全检查专用无人机，使其按建模航测的航线飞行，飞行过程宜开启各类避障功能，用以检测航线的安全性。在经过安全飞行验证，并确认本条自动航线安全裕度足够时，再启用中型无人机进行自动采集。

2.4 无人机失控处置方法

为保证无人机的失控风险随时可控，飞行航线须按照紧急返航通道，严格划分为两类（图2）：第一类为“上跨型”，无人机上方不能存在任何设备或导线，该类航线的预设失控行为为升高返航；另一类为“下穿型”，无人机下方不能存在任何设备或导线，该类航线的预设失控行为为原地降落。自动航线起飞前，应设置并检查不同类型的失控返航行为，包括返航高度、返航点等参数。

图2 两类航线各自的紧急返航通道

2.5 安全距离

（1）高空航测的飞行高度，应躲过实际飞行区域所覆盖的避雷针、临近输电杆塔等较高构（建）筑物的最高点，应至少高于5米以上。

（2）无人机与非带电体（构架、避雷针、建筑物等）的安全距离：应距离站内设备3米以上（图3），包括：与高于飞行高度的设备水平距离不小于3米，与无人机下方的设备垂直距离不小于3米。

图3 无人机高、低空测时与非带电体的最低安全距离

（3）无人机与带电体的安全距离：按电压等级，500kV大于3.9米，220kV大于2.1米，110kV大于1.2米，35kV大于0.7米。

（4）无人机飞行中，人与无人机的安全距离不小于3米。

（5）注意变电站围墙外的输电杆塔、输电线路、高大建筑物等带电或非带电体，并按以上标准保持安全距离。

3 变电站倾斜摄影建模操作流程

3.1 高空航测

（1）现场勘察

航测作业前，应做好变电站内设备的实地、高空勘查工作。实地勘察应确认高空航测的飞行高度、航测范围、飞行范围。

飞行高度一般选择高于站内需建模设备（通常为避雷针）的最高点约5到10米左右，航测范围一般为变电站围墙及围墙外一定面积的区域。由飞行高度和航测范围，即可确定飞行范围（图4）。应注意的是，当倾斜摄影的角度过低时，飞行范围的边距会显著超出航测范围，此时要重新勘查，以策安全。

图4 倾斜摄影角度较小时飞行边距会显著超出航测区域

（2）高空勘察

在得到航测适合的高度后，需将无人机镜头水平朝前，操作起飞至该高度后，环绕航测范围区域巡视一周，确认该高度内确实无高于此高度的构（建）筑物，方可开展航测作业。该步骤建议使用安全检查的轻型无人机。

（3）高空航测作业

与一般的倾斜摄影航测一样，变电站上空开展航测作业。

作业时，航拍倾斜角可选-55°至-75°范围，为兼顾效率，旁向重叠率70%，航向重叠率80%，主航线的飞行方向与站内设备的排布方向斜错开，以使得所有设备拥有较大暴露面。飞行高度应符合高空勘察结果，飞行速度越低则效率越低，但安全性越高，拍摄密度越高，效果越好，建议不超过3米每秒。

3.2 获取粗模

将高空航测得到的采集结果，使用空间三维计算软件进行解算、建模，得到初步的结果（即“粗模”），该解算结果用于下一步规划低空补测的航线。粗模无需十分精密，仅需选取“五向”飞行中的俯视正摄图进行解算即可。考虑到规划航线的方便性，解算结果宜为点云。

3.3 低空补测

在粗模上围绕需要精细修模的设备，规划低空补测的自动航线，使航测照片整体上呈“三层式”分布（图5），即以高空航测为第一层，主要用于覆盖全站所有设备；以导线、构架上方补测为第二层，覆盖主要设备；以近地飞行的航线为第三层，主要针对部分重要设备的细节精修。

图5 变电站倾斜摄影建模的“三层式”航拍法

考虑到变电站设备的排布规律大致与导线延伸方向相同，低空补测的“第二层”航线，可以沿着如下两个方向，分别各飞一个往返：一个方向沿设备区的主母线，另一个方向沿各电气连接间隔内的导线方向，一般而言，两个方向成垂直相交，效果较好。

第三层非绝对必要，在有以下需要时，可适当增加该层：一是主变等设备具有的重要附属件，由于位置靠近地面，通过高空航测以及第二层补拍难以近距离覆盖的；二是部分设备的双重编号牌需要在模型中清晰呈现的，以及其他因各种需求，须更清晰复现的。

如添加第三层的补测拍摄，需注意尽量与第二层、第一层的垂直重叠率，例如，某张第二层拍摄的照片，应与某张第三层拍摄的照片具有50%的画面相似部分。最终的采集结果，应使所有的照片都与其他至少1张照片拥有50%以上的画面重叠率。

3.4 解算精模

将高空航测和低空补测所拍摄的照片，放在同一次解算中运算，即可得到较高精度的倾斜摄影实景模型。建模时，建议对变电站外围环境同样纳入模型生成范围，以供后期使用。

4 结束语

在变电站使用倾斜摄影技术进行精细化建模，拥有广阔的应用前景，但该技术应用也尚处于摸索期。本文从建模的主要思路、保障安全的技术措施以及具体建模的操作方法，构想了一种变电站倾斜摄影建模的一种新模式，其中还有许多欠考虑之处，但本文旨在抛砖引玉，为后续进一步研究提供借鉴参考。