倾斜摄影测量技术在电力工程中的应用

陈 新

（河北省地质矿产勘查开发局第八地质大队，河北 秦皇岛 066000）

在传统的摄影系统中，只能实现垂直角度的拍摄，而应用倾斜摄影测量技术能够结合多种不同传感器，从垂直方向和侧面进行图像的采集，以此达到弥补传统工程测量技术不足的目的。随着科技的飞速发展，在电力工程项目当中，无人机倾斜摄影测量技术已逐步取代了常规的测控技术[1]。以某电力工程项目为例，开展倾斜摄影测量技术在该项目中应用的探究。

1 电力工程概况

以某地区电力工程项目为例，该项目所在区域内包含居民区、厂区、山区等，虽然电力工程占地不大，但它的辅助设备很多。例如，电厂有除尘系统、排水系统、输变电系统、铁路运输系统等，但这些系统并不是相互独立的，为满足城建要求，需要完成的测量面积超过30 km2[2]。该地区的地质构造属褶皱系中隆起带的东段，沿路地貌单元以低中山和河阶地为主，市区平坦的山地地势起伏较大，因此地势相对高差较大，地层岩性以杂填土、黄土、粉细砂为主；由于受季节降水的影响，河道受到严重的冲刷，交通状况较好[3]。该电力工程纵跨大，长度几百千米，横跨较小，左右两侧高程的精确度不高，但要求与国内高程体系基本相符，以确保与其他测量设计专业所提供的特定点，如洪峰高程、重要跨越点高程等。基于上述电力工程概况，引入倾斜摄影测量技术对其进行测量。表1 为电力工程中包含的建筑物测量区域以及各个测量布点的测量次数。

表1 电力工程测量目标列表

2 倾斜摄影测量技术在电力工程中的应用

2.1 测量航带规划设计与像控点布设

航路规划和设计是航空摄影的一个重要方面。为此，在执行飞行任务时，必须确保无人机操作的规范化，并制定出相应的处理流程，实施全过程规划管理，发挥技术优势，避免存在的漏洞问题对最终测量效果造成影响。航路规划设计时，需要对航摄参数、航摄分区设计、航线铺设等基础要素进行管理，保证航迹规划设计的实施效果[4]。根据电力系统的基本要求，改善数据分析的准确性。将倾斜摄影测量技术应用到电力工程测量任务当中，在进行测量航带规划设计和像控点布设前，为确保测量条件，在对于无人机和测量设备选择时，要求其各项性能参数符合下述要求：无人机在飞行时，必须通过电脑来控制[5]。无人机设备在空中航行时巡航空速应当控制在90～100 km/h 范围内，最大飞行高度为3 000～3 500 m，最大载重为3.2 G～3.6 G，持续飞行1 个多小时。在高空中，其抗风力应该是12～15 m/s，而在没有障碍的情况下，它的滑行距离应该是50 m。测量设备的参数按照下述进行选择：畸变数值为1.526×10-5；图像处理宽度为4 200 mm，长度为2 800 mm。无人机的基本飞行时间是有限制的，最多不超过一个小时，因此，在规划中需要确保设备的使用周期，保证在规定的时间内，将所有的重要节点都进行最大程度的图像处理[6]。通常，在进行电力工程航拍作业之前，必须对飞机起飞、降落、起飞架次等基本资料进行全面的规划，并对航段设计规范进行有效的衔接和管理，保证了电力项目的整体效益。图1 为测量航带规划设计图。

图1 测量航带规划设计图

按照图1 所示内容，完成对航带及航带上各个测点的布设，在此基础上，确定像控点的分布。在电力工程当中，图像像控点的设置是决定最终成像效果的关键因素，必须根据实际情况选择合适的布点，同时对地形、水系、高程等因素进行有效的分析和评价，以防止无人机的碰撞引起的安全隐患。此外，为确保布设的正确性和科学性，通常在拍摄作业开始之前，采用涂漆的方法来设置像控点标志，形成“L”型或“+”型，以提高观测点的实时精度。

2.2 基于倾斜摄影测量技术的工程区空中三角测量

空中三角测量是电力工程地理数据信息采集的重要环节，基于其重要性，引入倾斜摄影测量技术，采用 POS 图像数据，将投影中心点、像点及相应位置作为一个整体，以排除存在大偏移的噪声点；通过对外场采集到的主要控制点和像控点进行了预处理，在区域网络中进行了刺点定位，并对存在大偏差的点进行了多次修正，以保证图像边缘的针点间距不超过2 cm。在具体测量时，首先需要明确无人机摄像分辨率与航高之间的关系，其表达式为：

式中：GSD为倾斜摄影分辨率；a为CCD 单像元大小；h为高度距离；f为摄像机焦距。根据上述公式可知，倾斜摄影分辨率与CCD单像元大小a和相对高度距离h为正比例关系；摄像机焦距f与倾斜摄影分辨率成反比例关系。因此，在测量过程中，改变图像幅值或者改变有效参与操作的图像区域，可以提高空中三角测量的准确度。

2.3 基于密集匹配的地形测绘

密集匹配技术是三维重构中的一项关键技术，它的核心是首先使用 Mean Shift 法进行彩色分割，将每个块分成不同的块，使得每个块都位于同一对象的表面，并通过 SIFT、Roberts、 Canny、Edge-dog 等多种操作来实现。通过 DAISY 操作符的描述，采用K-d 树相结合的方法，采用极线限制法和导向法对倾斜摄影测量进行改进。图2 为基于密集匹配构建的三维空间。

图2 基于密集匹配的三维空间构建

图2 中x为空间横轴坐标；y为空间纵轴坐标；d为视差搜索范围。在进行密集匹配时，将视差分析转变为0 谱分析，其表达式为：

式中：L(row,col,d)为对应点之间的相似性测度函数；DSI(d,col)为计算像素。在上述公式基础上，针对每一个测量点得到在三维空间当中对应的点，并通过各个点的连接实现地形测绘。

2.4 三维建模与工程规划

在完成上述操作后，还需要结合空间三维加密、区域网整体平差、多视图像密集、三角网 TIN 创建、白模创建、纹理映射自动重构等技术，完成对电力工程项目的三维模型构建，以此更加真实地反映目标周围的实际情况。基于倾斜摄影测量技术的基础上，充分发挥纹理信息清晰、数据量小等优点，针对上述电力工程项目进行模型建立，明确电力工程中厂区、铁路、居民区、管线等复杂地三维数字化体现。这一操作是传统的摄影测量方法无法为工程测量提供的服务功能，更无法满足用户对三维数字设计的需要。除此之外，在应用这一技术后构建的三维立体模型具有高精度、高质量、丰富纹理信息等突出特点，在此基础上，结合三维立体造型技术可以有效地改善3D 数字正向设计制图质量，模型当中包含平面剖面图、塔基地形图、跨屋图、路径图等。图3 为三维建模成果示意图。

图3 电力工程项目三维建模成果示意图

按照图3 构建的三维模型，对该电力工程项目进行合理规划。三维快速建模技术可以为电力工程的设计、建设、布局等提供重要依据。电力工程规划与设计，必须保证与电力工程有关的数据的完整性、可靠性，特别是在项目周围地区的供电状况和电力工程建设的基础上，必须与电力工程的整体布局与分析相结合。通过对前期数据进行科学的整理与有效地分析，掌握电力项目的规划与设计，整理与研究数据的内容。在规划过程中还需要对电力数据库进行维护，必须对有关数据进行持续的更新，特别是涉及电力工程规划设计的重要问题，必须通过数据库中的有关指标来进行分析和研究。不仅要准确预测电网的负荷，还要掌握本地区电力工程的供电状况，通过对电力工程的实际运行进行分析和整理，确保电力工程后续运行中供电的稳定，从而进行规划与设计。

3 应用效果分析

针对上述所选择的电力工程项目，在按照上述方式完成对其测量后，为验证测量效果，将高程误差和测量时间作为评价指标，对比上述测量结果与传统测量技术在相似电力工程测量的相关数据。为方便论述，将利用倾斜摄影测量技术完成的测量任务作为试验组，将利用传统技术的测量任务作为对照组。通过对比测量结果的高程误差，实现对两种方法测量精度的对比，通过对比测量时间，实现对两种方法测量效率的对比。

3.1 高程误差对比

随机选择5 个测点，获取各个测点高程的实地测量结果，将实测结果与测量结果对比。为方便论述，将5 个测点分别编号为MP-01、MP-02、MP-03、MP-04 MP-05。利用下述公式，计算得出高程测量误差：

式中：λ为高程测量误差；iW为某一测点i的实际高程数值；W'i为利用实验组或对照组测量方法测量得出的高程数值。将上述5 个测点的高程测量误差λ值进行计算，并绘制成表2 所示。

表2 试验组与对照组高程测量误差对比

对表2 中记录的数据进行分析：实验组方法对5 个测点的高程进行测量，得到定位测量误差均在允许误差范围内，而对照组方法对5个测点的高程进行测量，得到的定位测量误差仅MP-04 测点在误差范围内，其余各个测点的高程测量误差均超过允许范围。由此可以得出，两种方法比较，引入倾斜摄影测量技术的方法测量精度更高。

3.2 测量时间对比

对两种方法的测量时间进行对比，将测量时间定义为确定测点并利用试验组或对照组方法测量开始到得出测量数据的时间。仍然以上述5 个测点为例，将测量时间数据记录如表3 所示。

表3 试验组与对照组测量时间对比

结合表3 数据分析得出，试验组测量时间明显高于对照组测量时间，说明试验组测量效率更高。综合两组对比指标分析得出，试验组方法在实际应用中能够在保证测量精度的同时，提高测量效率，为电力工程后续各项工作任务的开展提供更有利的测量数据，进而提升电力工程整体质量水平。

4 结语

通过本文上述论述，在引入倾斜摄影测量技术的基础上，实现了对电力工程测量的优化。在按照上述应用逻辑将倾斜摄影测量技术应用到其他相似电力工程项目当中，为确保航带规划设计、相控布设等能够满足标准质量要求，还需要结合电力工程项目的实际情况，对各项参数进行合理设置。本文上述研究总结如下。

（1）本文从变形监测技术、数据处理理论等几个方面论述了变形监测技术的发展状况，并针对目前电力工程项目当中变形监测数据处理存在的问题，提出了一种全新的电力工程测量方法。

（2）在引入倾斜摄影测量技术的基础上，实现了对电力工程区域空中三角测量，将传统二维测量转变为了三维立体测量，提高测量维度的同时，为电力工程项目后续各项工作的开展提供更加有利的数据信息资料。

（3）结合应用实例分析的方式，从测量高程误差和测量时间两个方面，实现了对本文测量方法测量精度和测量效率的验证。

在今后的研究中，为进一步提高倾斜摄影测量技术的应用适应性，还将对影响测量精度的因素进行更深入分析，从而实现对其在电力工程项目中应用的不断创新，为电力工程发展提供条件。