基于无人机倾斜摄影技术的架空输电线路导地线弧垂测量系统研究

李晨，郑万成，王娟娟，李成龙，王巍巍，张超，杨旭东

（1.中电投工程研究检测评定中心有限公司；2.中研建科(北京)工程检测有限公司）

1 引言

近年来，我国超高压、特高压工程日益增多，架空输电线路导地线弧垂作为输电线路中的关键指标，如何快速准确的测量弧垂对于保障输电线路安全至关重要。在现代无人机技术不断深入的过程中，无人机测量具有很强的精确性，在测量领域获得了广泛的认可。将无人机测量应用与输电线路弧垂测量也是具有重要意义[1]。

本项目针对架空输电线路地面情况复杂，铁塔高度高的特点，采用无人机倾斜摄影技术，获取目标架空输电线路的图像数据。通过将无人机测量得出的数据与传统测量方式得出的数据对比，误差不影响最终的判定结果，在可接受的范围内，证明基于无人机倾斜摄影技术测量架空输电线路导地线弧垂是可行的，该方法在保障了测量人员安全的同时，也节省了人力和测量时间（见图1）。

图1 无人机架空输电线路数据采集照片

2 无人机倾斜摄影技术

倾斜摄影测量技术以高精度、高清晰度、大范围的方法，全面感知复杂的地物场景,通过有效的数据采集设备和数据处理，直观地反映对象地物的位置、外观、高度等属性,确保提供测绘级的精度水平，同时有效改善模型的生产效率,大大降低三维模型数据采集的经济成本和时间成本[2]。

倾斜摄影技术是通过在同一飞行平台上搭载5台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜的五个不同角度采集影像，拍摄相片时同时记录航高、航速、航向和旁向重叠、坐标等参数，然后对影像进行分析和整理。在一个时段，飞机连续拍摄几组影像重叠的照片，同一地物最多能够在3张相片上被找到，然后进行建筑物结构分析，选择最为清晰的一张照片进行纹理制作。倾斜摄影技术可以向用户提供真实直观的实景信息，不仅能够真实地反映地物情况，而且可通过先进的定位技术，嵌入地理信息、影像信息获得更高的用户体验，极大地拓展遥感影像的应用范围（见图2）。

图2 无人机对输电线路倾斜摄影数据采集合集

倾斜摄影技术的特点有：

①反映地物周边真实情况相对于正射影像，能让用户从多个角度观察地物，更加真实的反映地物的实际情况，极大的弥补了基于正射影像应用的不足。

②可实现单张影像量测通过配套软件的应用，可直接基于成果影像进行包括高度、长度、面积、角度、坡度等的量测，扩展了倾斜摄影技术在行业中的应用。

③建筑物侧面纹理可采集针对各种三维数字城市应用，利用航空摄影大规模成图的特点，加上从倾斜影像批量提取及贴纹理的方式，能够有效的降低城市三维建模成本。

④数据量小，易于网络发布相较于三维GIS技术应用庞大的三维数据，应用倾斜摄影技术获取的影像的数据量要小得多，其影像的数据格式可采用成熟的技术快速进行网络发布，实现共享应用。

针对架空输电线路导地线弧垂测量，根据无人机工作原理，对某试验段输电线路进行倾斜摄影，无人机对输电线路环绕飞行的同时，不断的对所测线路进行图像采集，图像采集越多对后期数据处理越准确。

3 倾斜摄影建模技术

无人机倾斜摄影建模技术随着无人机航拍技术的发展应运而生，由于其相较于传统三维建模方式拥有低成本、高机动性、高精度、高时效的优点，在智慧城市的发展过程中发挥着重要作用[3]。

倾斜摄影技术的主要目的是获取地物多个方位,尤其是侧面的信息，并供用户多角度浏览。具体的建模流程如图3所示，数据获取完成后，首先进行影响质量检查，对不合格的区域进行补飞，直到获取的影像质量满足要求；然后由于在飞行过程中时间和空间上的差异，影像存在一定的色偏，因此需要进行匀光匀色处理；再次进行几何校正、同名点匹配、区域网联合平差；最后将平差后的三个坐标信息及三个方向角数据信息，赋予每张倾斜影像，使得他们具有在虚拟三维空间中的位置和姿态数据；最终倾斜影像完成量测，每张斜片上的每个像素对应真实的地理坐标位置。

图3 倾斜摄影建模流程

倾斜摄影建模软件是基于倾斜摄影技术开发的三维建模软件，以无人机采集的连续航片影像为基础，利用图形运算单元GPU，可以快速、精确、自动地生成逼真的实景三维场景模型。通过分析实景三维模型可以得到真实场地的三维坐标、视域情况、坡度坡向与现状建筑等信息，因而倾斜摄影建模软件正广泛应用于山地的测绘和规划、城镇建设规划与古建筑保护等诸多领域。

对于输电线路的三维建模，利用具备GPS、或RTK的高精度无人机巡视输电线路走廊空间三维坐标及带坐标信息的图片等数据，构建输电线路三维走廊场景，实现输电走廊可视化，走廊各物体可测量。可对模型中的线路、铁塔等坐标数据进行提取。

本次采用使用大疆智图软件生成的工程做点云和照片相结合的方式。本次通过软件三维模型的建立，提取模型中所测导地线上多个点的坐标值，将坐标值导入MATLAB或EXCEL等软件，将数据拟合曲线，通过拟合曲线得出的计算公式计算出弧垂点的坐标值。将输电线路的挂点、弧垂点坐标数据导入CAD制图软件进行建模，通过软件测量得出弧垂值。

在无人机采集数据同时利用全站仪对试验段进行弧垂测量。将基于无人机测量得出的输电线路弧垂值与传统弧垂测量值进行结果比对，通过结果比对得出基于无人机进行架空输电线路弧垂测量的可行性。

4 结语

本文通过对无人机以及无人机倾斜摄影建模技术的研究和分析，将市场主流设备大疆无人机作为课题研究的主要设备，并通过大疆智图和电力空间一体化分析软件系统软件对试验线路进行倾斜摄影并建模分析，对输电线路模型中的导线坐标进行数据提取，对提取的数据进行数据拟合，得出拟合曲线和曲线方程，通过拟合曲线得出的计算公式计算出弧垂点的坐标值。将输电线路的挂点、弧垂点坐标数据导入CAD制图软件进行建模，通过软件测量得出弧垂值。在无人机采集数据同时利用全站仪对试验段进行弧垂测量。将基于无人机测量得出的输电线路弧垂值与传统弧垂测量值进行结果比对,误差在可接受的范围之内，且不影响最终的判定结果。

因此证明，基于无人机倾斜摄影技术的架空输电线路导地线弧垂测量是可行的。