基于影像特征分析的架空输电线路三维实景建模*

林志军，刘宝军，关俊峰，张 艳

(广东电网有限责任公司江门供电局，广东 江门 529000)

随着社会经济水平的不断提高，地貌复杂且处于交通不便地区的电力系统建设得到了快速发展[1]。这给架空输电线路的运行和维护工作带来了更大的挑战。传统针对架空输电线路的巡视主要依靠人力来开展工作[2－3]。随着输电线路增长迅速但巡视人员相对确定，每个人需要巡视的输电线路增加，运维人员的压力变大，这将导致巡视人员的巡视效率下降，不利于电力系统的安全稳定运行[4－6]。

三维实景重现技术作为一种新技术被应用于电力系统的输电方面，将架空输电线路在仿真系统中重现，使得整个架空输电线路和其周围的环境变得直观，在仿真系统中就可以看出各个电气设备的大小和其与周围环境的相对位置。为了保证整个三维实景的真实性，需要定期对架空输电线路和其周围场景进行考察并实时更新，以此来减轻运维人员的工作压力[7]。同时为了提高巡视人员的巡视效率，克服地面巡视的局限性，可以通过航拍建模展示空中视角的架空输电线路[8－9]。

作为一个新兴测量技术，倾斜摄影测量技术可以从不同的角度进行地表数据获取，再将大量的数据进行整合，提供一个相对真实的地表现状，满足客户的需求[5]。倾斜摄影测量技术具备可以对地表物进行实时监测、效率高和性价比高的优点。

本文针对倾斜摄影测量技术在杆塔和导线建模时效果差的缺陷，对杆塔和导线的影像数据进行特征提取，并对其进行参数化拟合建模，使其有一个很好的模型展示。最后将它们和地表物模型进行整体化处理，形成一个满足应用需求的架空输电线路三维实景模型。

1 架空输电线路三维建模流程

进行架空输电线路三维建模需要包含两个内容，主要为周围实景环境建模和电力杆塔与导线建模，周围实景环境建模主要流程为影像连接点提取、影像密集匹配、空中三角解算等。电力杆塔与导线建模使用在图像的基础上提取数据的方法，使其呈现出真实的模型状态。其数据处理流程如图1所示。

图1 架空输电线路三维实景数据处理流程

2 传统的倾斜摄影三维建模

传统的倾斜摄影三维建模步骤主要包括提取影像连接点、影像密集匹配、区域网平差解算、空中三角测量等。下面简要介绍影像连接点的提取与匹配以及光束法区域网空中三角自动解算。

提取影像连接点是空中三角测量平差计算的前提，目的是将不同影像上代表相同空间位置的特征点相匹配。目前常用的连接点提取和匹配的方法是尺度不变特征变换(Scale Invarient Feature Transformation，SIFT)特征匹配法。SIFT 算法流程主要为建立多维度空间、寻找极值、确定特征点的详细方位、形成特征描述子和特征向量组合等步骤。通过高斯卷积建立多维度空间；寻找极值时，通过比较某个采样点和其在图像域和尺度域中的其他采样点的大小；通过函数的拟合，找出图像中关键点的位置，确定极值点的最终方位，同时为了实现特征向量组合，需要去除图像中的不稳定点；形成特征描述子主要有两个步骤——关键点方向分配和特征点描述子生成；特征向量组合可以归结为某个向量在高维空间之中使用距离函数检索其相似向量[10]。

本文在数据收集方面，参考并对比选用搭载GPS/IMU、相机、视频等一系列方式的自身特点及优点，旨在处理三维实景影像的数据，通过上述操作，完成分辨率、角度的多选择性，以达到定位影像精度高的要求。文献[11]提出空中三角测量法，具体是指在以少量的现场控制点或者不考虑场地控制点的基础上，通过无人机单次飞行或多次飞行进行多次且连续的航拍，其中多次飞行航拍照片会存在一定的重叠。其次根据照片或单元立体模型中的图像点坐标建立与实际地面点的解析关系，其中包括每两条同名射线的共面性解析关系，从而达到建立航线模型或者相关的区域网模型。以此得出加密点的平面坐标及相关高程。区域网空中三角测量即将若干条航带连接成一个区域然后对其进行整体平差。光束法区域网平差的条件是在拍摄前将实际地面点、拍摄站、影像点都聚焦在同一方向，以每张照片的相似投影光束为调整单元，整个拍摄区域的实际控制点都能与相应加密点聚焦在同一方向上，并通过求解整个拍摄区域的平差来得出每张照片相应的地面坐标和其所有的外方位元素。

以实景影像的数据为基础，依托算法搭建的三维实景模型也同样存在一些问题，主要是模型中仅仅含有架空线路走廊的地表特征，并未建立输电线路上相应电气或非电气设备的模型。究其原因是架空线路上的设备本体与地表特征存在明显的差异，包含杆塔、绝缘子等一系列设备。其中存在大面积镂空架构的杆塔无法通过连续特征点取样，达到与地表物相似方法建模的条件，且强制应用算法进行建模会存在塔架结构不完整、与地表或天空背景不可分割的粘连等一系列明显的差异，与实际物体不符合。常规的倾斜摄影三维建模的杆塔及附件实例如图2 所示，可以看出传统的倾斜摄影三维建模时关键信息的导地线建模由于影像点数据稀少，匹配连接难以完成。

图2 传统倾斜摄影建模的杆塔及附件实例

3 杆塔和导线的参数化拟合建模

3.1 杆塔与导线建模

通过对输电线完成包括杆塔、绝缘子及导线三部分的建模工作即实现了对于其线路的建模。首先，针对绝缘子及导线的关系较为紧密，文中建模过程应用合并方法。

当进行杆塔建模时，应将电力塔的内环、外环进行区分。如图3 中所显示的为酒杯塔内外环示意图，图中白色虚线为内环，白色实线为外环。

图3 酒杯塔的内外环定义

如图4 对绝缘子及导线进行建模，可以看出该绝缘子构成主要为两根绝缘子串(白色表示)，以及金具部件(图中为两端黑色表示)。两根导线通过绝缘子进行挂接，除该连接点，还应包含“入”和“出”两点，作数字化处理。倘若某一导线有多个绝缘子挂接，那么每个绝缘子均应数字化。最终，可以对杆塔内的绝缘子实现有效区分，按照输电的方向可以有以下三大类:进入端绝缘子、中间跳转绝缘子和出去端绝缘子。同样，对于每个绝缘子挂接的导线也可以分为进入端、输出端。对每个塔进行类似的方法完成数字化后，那么为了获得某一线路的完整输电回路，通常仅需获取该线路中杆塔数量，及对应塔上的绝缘子数量。

图4 绝缘子与导线的定义

3.2 导线悬链拟合模型

输电线路运行安全受到导线的弧垂及应力的影响。当架空线路及地线长度出现轻微变化时，都极有可能会使弧垂、应力发生巨大改变，尤其对孤立档影响更为显著。以下为一般导线悬链方程，采用最小二乘法并选取多个控制点求取实际悬链方程相关参数信息[12]。如图5 所示为导线悬链近似示意图，对其值任一点可以写成它的y坐标:

图5 导线悬链近似示意图

式中:σ0为架空线的水平应力；γ为架空线路的比载；Lh＝0为AB点等高时架空线的长度。

将式(3)的表达式对参数k用泰勒公式线性化:

用架空线的斜抛物线近似方程来计算未知量参数k的初值，斜抛物线方程为:

设已知有n个精确测量的控制点(x1，y1)，(x2，y2)，…，(xi，yi)，…，(xn，yn)，通过最小二乘法可以求出a0的值:

将点(xi，yi)代入式(4)可得到关于k修正值Δk的第j次迭代线性方程:

式中:0(Δk)作为另外一个待定参数，通过最小二乘法原理计算得到Δkj，再通过不断的最小二乘迭代计算得到满足精度要求的k值，从而得到满足要求的电力线悬链方程。

5 自动匹配

因为每根导线都是一组光滑的曲线的集合，只基于影像得到每条曲线上对应的点比较困难。这时需通过影像之间的核线关系或投影轨迹来确定。在无人机进行航线设计时需在导线的两侧进行两次飞行。如图6 所示，基于杆塔1 和杆塔2 之间的两个影像，利用左右核线与影像上导线的交点来确定导线上的点的三维坐标。测出四到五个的三维模型点，即可用上述导线悬链公式计算匹配出整条导线的模型。

图6 导线量测示意图

匹配与拟合建模的主要步骤可以描述如下:通过垂直于输电线路扫描图像左侧可得到电力线，达到较好的提取效果。考虑到航向与左胶片相反，但摄影位置与左侧相似，因此通过电力线确定极限范围。由于导线的数量通常较小，因此执行全排列匹配。每次匹配时，生成的空间都会以直线反转转到右侧的相邻图像进行验证。保存已验证的匹配序列且重复同样操作得到n个验证过的匹配序列，分析并验证n个匹配序列且导线坐标必须满足悬链线方程，最后得到多个精确的导线三维点坐标。

4 实例仿真分析

对杆塔进行建模包括:二维特征提取、基座的自动匹配和基于模型库的套合；而对导线进行拟合建模主要分为:特征线段提取、自动匹配与拟合建模。

如图7 为酒杯塔建模界面，其主界面包括:虚拟杆塔数据与三维模型展示区、影像图层管理区、影像显示区。使用GPS 完成影像的定向，对于酒杯杆塔的建模操作，需采用交互建模量取每一塔的关键点。其三维模型如图8 所示。

图7 酒杯塔建模界面

图8 酒杯塔三维模型

将空间参考坐标系应用于完整的输电线路三维实景数据中，同时对图像信息进行分层渲染，那么将三维地理信息系统中的数据导入，并与卫星采集地图数据实现融合。针对非输电线走廊部分，可以采用精度相对不高的原卫星地图数据以及三维GIS 模式。而对于主要关注点应注重其线路走廊信息，必须采集到分辨精度尽量高的信息数据，这有利于降低数据信息的处理及存储压力，并使运行效率显著提升[13]。使用倾斜摄影测量技术采集一般地物信息，如图9 表示杆塔及导线拟合建模整合实例。从图9 结果可知，应用本文建模方法可以有效实现架空输电线路实景建模。

图9 实景建模实例图

5 结论

为实现效果良好的架空输电线路三维建模，本文分析了倾斜摄影测量三维建模技术应用于输电线路铁塔及导线时效果较差的缺点，提出了一种基于影像特征数据的参数拟合建模方案。首先针对建模过程给出了相关流程框图；其次介绍了传统倾斜摄影三维建模技术，对其建模所得三维图形进行分析；最后对照实例，对杆塔及导线使用参数化拟合建模，并给出两种方法所得三维实景模型图。从最终结果可知，本文设计的建模方案相比传统方法具有更好的效果。