无人机倾斜摄影建模在变电工程勘察中的应用

史青禾，林文静，马 静，靳 军，王 田，侯帅超

（德州华德电力勘察设计有限公司，山东 德州 253000）

引言

无人机倾斜摄影建模是利用无人机采集的低空影像通过空中三角运算生成实景模型的技术，该技术已广泛应用于地图测绘、国土安全、工程建设等诸多行业，涵盖了基础测绘、规划勘察、方案论证和运行维护等多个方向[1]。

变电工程的勘察作为电网建设的重要环节，是确保变电工程顺利进行设计、施工及运维工作的前提，勘察结果应能真实地反映目标区域的地理空间信息和交通运输通道，并且应与输电线路走廊密切衔接，是最大程度提高土地使用效益、安全可靠供应清洁能源的基础。

无人机倾斜摄影建模技术相较于传统的人工勘察作业，在高效性、灵活性和直观性等方面具备无可比拟的优势，其建模成果也可应用到变电工程三维设计、施工管理和后期运维等方面，具有十分广阔的应用前景和研究价值。

1 无人机倾斜摄影建模概述

无人机倾斜摄影建模技术是通过在飞行平台上搭载高清传感器，同时从垂直、倾斜等不同角度采集影像[2]，通过整合经纬度坐标、无人机飞行姿态信息（POS）、数字高程模型（DEM）、数字正射影像图（DOM）等数据，进行基于原始影像的空中三角坐标测量[3]，最终得到与现实环境完全相同的三维实景模型的过程。这项技术融合了多视角影像联合平差、密集匹配、DSM滤波融合等技术，能够直观地反映地理空间精细结构。

1.1 无人机倾斜摄影建模发展现状

无人机正逐渐由重量级、固定翼、油动机向轻量级、多旋翼、电动机过渡，特别是近年来便携式无人机的广泛应用，可以低成本、高效率地采集指定区域的多视角影像资料。

在影像传感器方面，目前广泛采用有美国的UltraCam Osprey、瑞典的Leica RCD30、中国的SWDC-5等摄影系统。在建模软件方面，比较有代表性的有美国Bentley公司的Context Capture Center、瑞士Pix4d公司的Pix4dMapper、法国Infoterra公司的像素工厂、徕卡公司的LPS工作站等系统，在国内主要有超图软件公司的SuperMap-GIS7C、天际航公司的DP-Modeler等三维建模系统。

无人机倾斜摄影建模技术如今在重大工程建设、国土安全、资源保护与开发、区域规划发展等领域应用十分广泛。在电力工程方面，实景三维模型为电力工程的规划勘察提供了十分便利的数字化平台，在输电线路工程路径选择、变电站站址规划勘察和工程三维设计等方面具有广阔的应用前景。

1.2 倾斜摄影建模的特点和优势

无人机倾斜摄影建模技术的技术特点和优势主要有以下几个方面：

1）快速、便捷、全自动。通过无人机实现影像数据的快速采集，进行全自动的实景建模，极大地节省了时间和人力成本。

2）身临其境的实景三维模型。生成基于真实影像纹理的高分辨率实景三维模型，对指定区域的全要素还原达到了接近真实的极致。

3）建模成果可实现精准测量。建模成果直接进行坐标、高程、面积、土方量等参数的量测。

4）广泛的数据兼容性。建模成果能够输出包括obj、osgb、dae等在内的多种兼容格式，方便导入各种三维应用平台，并且可以流畅地应对本地访问或互联网远程浏览。

2 技术路线

无人机倾斜摄影建模技术的应用流程可分为准备阶段、倾斜影像获取、影像数据处理和模型输出及应用四个过程。

2.1 准备阶段

在执行无人机航摄作业之前，根据拟建变电工程地理空间布局、工程规模和输电线路走廊等信息，制定合理的飞行方案。如果目标区域在1 km2以内，且地势较为开阔、气象条件较好，适合采用轻量级无人机搭载单镜头或五镜头相机。如果区域超过2 km2，地势起伏较大、气象条件恶劣，则需固定翼或多旋翼无人机搭载专业摄影云台来完成摄影任务。执行航摄任务的成员应受过专业培训并取得适航证书，如果航摄任务涉及航空管制区域，需提前向所在军区及航空管制部门进行申请与备案[4]。

无人机飞行航线是影响飞行安全和影像采集质量的关键指标，航线规划应满足以下要求：

1）确保目标区域全部涵盖在拍摄范围内。

2）根据地面分辨率的要求合理设置飞行高度和速度，表1所示数据为经过多次航摄作业得到的参考值。

表1 地面分辨率与无人机飞行高度、速度对照表

3）飞行高度应能避让航摄区域内物体最高点。

4）确保航向重叠率和旁向重叠率均不小于70%。

2.2 倾斜影像获取

执行无人机放飞任务之前，作业人员需合理选定无人机起降场地和坐标控制点。无人机起降场地应平坦开阔、视野良好，并远离高大障碍物、机场、人口稠密区和无线电干扰源，确保无人机起降、飞行安全。

地面坐标控制点是用来辅助控制平差，为建模提供辅助性定位信息的措施。对区域添加控制点能够避免相机的长距离几何失真，赋予倾斜摄影成果真实的平面坐标，使模型具有更加准确的空间地理精度。航摄区域内有效的控制点集合需要包含3个及以上的坐标控制点，便于建模软件正常运行。

2.3 数据处理

将航摄获取的影像、飞行姿态信息（POS）、坐标控制点等作为原始数据源导入Context Capture Center系统进行数据处理工作。在导入数据时，不同焦距、分辨率的影像应分组导入，对于具有坐标控制点的影像，在空中三角运算前应将坐标控制点与影像刺点进行关联。

空中三角运算是基于多视角影像联合平差、密集匹配等算法对影像属性和POS信息的精细化纠正，该过程是倾斜摄影实景建模过程的核心步骤，也是模型生成的前提。空中三角运算生成的点云模型通过软件TIN网格构建和纹理映射，最终生成满足工程需要的三维实景模型。

2.4 模型输出及应用

Context Capture Center软件的建模成果具有高精度的空间地理信息，能够直观地展示目标区域内全要素的地理空间成果，可以将变电站三维模型与倾斜摄影实景模型进行关联分析，将变电工程以实景可视化的方式呈现，最终得到既满足电网工程要求，又满足区域环境要求的变电工程方案。

3 工程应用案例

3.1 项目背景

为满足山东省德州市经济技术开发区中部日益增长的用电负荷需求，提高供电可靠性，优化网架结构，规划建设德州崇德110 kV变电站，拟建站址位于德州市规划大学东路以南、崇德三大道以西。为精准展现本工程站址及周边地理空间布局，合理规划各级输电线路路径和塔位，在本工程的勘察阶段应用无人机倾斜摄影技术，创建三维实景模型。

3.2 倾斜影像采集

本工程倾斜摄影的目标区域东西长420 m，南北宽400 m，采用大疆悟Inspire 2.0型无人机搭载Zenmuse X5S型单镜头相机，使用DJIGSpro进行智能航线规划，航摄区域设置4个坐标控制点。整个工程共作业3架次，获取原始影像2 000余张。

3.3 数据处理

影像采集完成并进行畸变矫正预处理后，将原始影像、POS文件、坐标控制点信息导入Context Capture Center软件中进行参数设置，提交空中三角运算，生成高密度三维点云模型。将点云模型提交模型重建任务，自动构建三维TIN网格和白体三维模型，然后拟合原始影像进行纹理映射，生成高精度的三维实景模型。

3.4 模型关联与应用

三维模型的DEM/DOM文件可直接为变电工程的勘察提供精确的地理空间信息，如站址定位和土方测量等。模型经过精细化调整和修饰后，将倾斜摄影实景模型与在Revit软件中搭建的变电站三维数字模型进行关联融合。

3.5 精度分析

为验证无人机倾斜摄影实景建模的精度，本工程利用RTK在区域内实测了10个位置的坐标，与生成的实景模型坐标进行对比。通过对两组数据对比，平面精度中误差为0.05 m，高程精度中误差为0.10 m，根据《1∶500、1∶1 000、1∶2 000地形图航空摄影测量内业规范（GB/T 7930—2008）》要求，本次作业生成的模型满足规范要求的精度。

4 结语

无人机倾斜摄影建模技术以其便捷高效、实景精确、兼容性高的特点，能够满足变电工程在数字化、信息化方面不断提出的新要求。生成的实景模型能够为变电工程的全生命周期提供数据支撑服务，值得在未来的学习、生产中不断试验与探索。