基于摄影测量的输电线路三维建模优化技术

张 雷 班革革 刘 炳 沙 鑫 姬俊国

(国网河南省电力公司商丘供电公司)

0 引言

随着数字地球的发展, 人们对建立三维模型产生浓厚兴趣。近年来地形三维模型成为数字景观模型中的重要模型, 目前国际测绘领域研究机载多角度倾斜摄影高新技术, 可以从多个倾角获取影像弥补正射影像的缺陷。摄影测量学根据拍摄时相机所处高度分为卫星飞机与近景, 按照应用范畴分为地形与非地形,摄影测量学技术从模拟测量到数字测量不断发展。倾斜摄影测量三维建模具有成本低等优点, 倾斜影像技术可以提高建模效率, 三维模型广泛应用于城市规划等多种行业。电力建设是我国经济发展的重要保障,地理空间信息技术的发展为精细高效完成高等级电网勘测技术提供技术手段, 高压输电线路方案优化技术路线包括摄影测量技术建立路径立体环境, 可以准确测量线路断面与路径空间关系。如何高效完成路径优化对输电线设计提出新的要求。

1 输电线路无人机摄影测量技术

摄影测量是对研究目标物体拍摄通过软件对照片分析处理确定位置形状的学科, 测量不接触拍摄目标, 不易受到天气环境的影响, 可以通过借助软件分析计算得到目标几何物理信息。数字摄影测量系统产生由来已久, 近年来轻小型航摄测量成为航空遥感领域的亮点, 无人机是通过无线遥控设备进行操控的不载人飞行器, 无人机以其方便快捷低成本优势得到广泛应用, 具有快速灵活实时性强、获取高分辨率遥感影像等优点。无人机航测技术可达到1: 2000 国家航测规范要求[1]。低空无人机摄影可在小区域快速获取航空影像, 低空无人机航摄系统可以超低空飞行, 可以更低代价得到高分辨率影像。

无人机近景摄影测量是对距离小于300m 的目标物摄影测量提取立体像, 采集目标图像经软件分析处理确定没毛病形状位置参数。无人机航空摄影是无人机为空中平台利用机载CCD 数码相机获取影像信息,无人机低空影像系统包括无人机飞行平台, 地面遥控系统等[2]。无人机遥感系统具有独特优点, 但仍存在影像像幅小数量较多等缺点。无人机航空摄影流程与常规航摄一致, 应注意航带设计飞行检查控制与数据检查等问题。很多用户选用无人机作为航测载体, 倾斜摄影技术可以从多角度获取影像, 倾斜摄影技术的广泛使用减少三维城市建模成本。采用倾斜摄影三维建模技术可以直观表现地形地貌特征, 使得倾斜影像应用范围得到很大拓展。图1 无人机航空摄影流程。无人机航摄后进行无约束网空三加密, 利用DEM 产品进行精细路径优化选线, 采用GPS 完成线路塔杆施工放样。

图1 无人机航空摄影流程

无人机航测具有效率高精度高等特点, 可以在小区域进行快速高分辨率影像采集, 基于无人机系统平台的航测技术显示出其独有优势。无人机摄影测量系统通过搭载相机云台采集地面影像, 可以快速生成三维模型, 其他角度倾斜影像可以获取地面实物侧面纹理信息, 倾斜摄影测量技术是实时处理的新型测绘技术。倾斜摄影技术具有真实性、高效性与高性价比等特点, 倾斜摄影技术是集成遥感传感器等新型测绘技术, 测量系统包括无人机数据传输与地面监控系统等。倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域新兴发展的高新技术, 利用拍摄物的垂直与倾斜影像快速构建目标区域真实三维空间场景, 可准确测量被拍摄物的坐标高度等。倾斜摄影系统包括飞行平台与仪器, 姿态定位系统记录相机在曝光瞬间姿态。

无人机倾斜摄影测量技术搭载相机获取区域高重叠度影像, 采用专业测绘软件完成空中三角测量计算获得三维模型数据, 电力巡视中应用无人机摄影测量技术分为外叶数据采集与内业处理。随着我国电力行业的发展,一些三维可视化方法提高输电线路巡视的效率[3]。倾斜摄影技术可以真实还原侧面纹理信息, 可以获取可视化三维信息。目前输电线工程线路优化设计中应用倾斜摄影测量技术包括采用多角度影像进行三维重建生成点云数据, 通过相关软件对模型成果高度等属性量测结果帮助完成输电线路优化设计。采用无人机摄影测量技术用于输电工程勘测设计具有产品丰富, 快速响应受天气影响小等优点。图2DEM 细节丰富。采用无人机摄影测量技术可以提高输电线路工程室内选线的准确性。

图2 DEM 细节丰富

2 无人机摄影测量三维建模技术

现阶段是我国坚强智能电网快速发展时期, 实现三维勘测设计成为输电线路测绘领域的必然要求, 卫星遥感数据具有宏观直观等特点, 但在时效性等方面具有局限性。常规航空摄影可快速获取高清晰影像数据, 但需要专用机场审批及军事航空限制。无人机航空摄影测量技术广泛应用于农林水利等国民经济各领域, 目前在电网建设中取得初步成效。根据倾斜影响特征总结测量生成三维模型关键技术包括影像预处理等。

摄影测量外业控制需要合理布设控制点, 应遵从控制点布置原则选择合适的布设方案, 在困难区域无人机航拍获取图像前在地面设置明显标记作为控制点[4]。像控点布设在相邻像对重叠部分。传统摄影测量法中需要像片控制点纠正, 全野外布点用于对测图精度要求高的测量。像控布设运用非全野外布点方法, 像片控制点联测是大地点坐标测定像片控制点坐标高程, 有利于下步外业像片控制点布设测量。GPS 定位技术用于航空摄影测量可获得较高经济效益。像片控制点联测运用分级控制方式,无人机航测利用数码相机镜头焦距较小, 导致无人机航摄比例尺小。常规航摄比例为1 ∶8000 左右, 数码相机像幅比专业航摄仪小。无人机影像基线长度短, 按照常规现有航摄测量外业规范布设像控点数量多, 通过计算分析研究合理控制点布设方案是无人机航摄技术应用关键。

多视影像联合平差是倾斜影像处理中的关键步骤, 普通使用多视影像联合平差法是根据SIFT 特征提取算法对影像进行特征提取, 得到像片外方位元素[5]。影像特征提取是影像数据处理与匹配中的基础工作, 特征提取精度决定空三加密的精度。影响特征表现形式为影像在部分领域的灰度急剧变化, 目前基于点特征匹配算法有很多。多视影像中物体旋转等问题突出, 为获取高质量特征应选择SIFT 算法提取特征, 通过建立图像尺度空间寻找对图像旋转缩放等不具备变性的特征点, 特征点描述符包含信息完整。图3 SIFT 算法步骤示意图。SIFT 特征提取算法特点是数据描述能力强大, 良好不变性等。空三加密是无人机影像内业处理的关键部分, 将区域纳入已知控制点地面坐标, 空三加密结果影响后期三维模型精度。将测区影像纳入统一物方坐标系, 通过多视影像空三加密可以计算影像所在位置, 可实时量测影像数据。

图3 SIFT 算法步骤示意图

无人机倾斜摄影测量技术采用专业测绘软件完成空中三角测量计算, 技术流程分为现场飞行作业与数据计算分析。基于影像还原三维场景是商业软件成熟功能, 如何得到输电塔杆三维数据是复杂的问题。影像预处理后密集匹配所需基本数据准备完毕, 近年来国内外学者深入研究多视影像密集匹配法, 匹配关键是采用多视匹配算法获取多视影像同名点坐标[6]。研究采用CMVS 方法进行多视影像密集匹配, 对物体不同角度多幅图像完成密集匹配。通过多视影像密集匹配可获得高精度数字表面模型, 成为空间数据基础设施的关键技术, 获取高密度DSM 数据后将不同匹配单元融合生产数字表面模型数据。将制作模型利用编辑软件进行精细化修改, 对相应数据文件输出上交成果数据。

3 输电线路摄影测量三维建模优化技术应用

输电线路周期性巡视工作主要关注线路本体和附属设施, 通过直升机无人机可快速对线路进行本体红外等巡视, 线路本体应用机巡可超越人工巡视效果[7]。通道巡视主要内容是线行保护区内环境变化导致线路风险, 线路通道巡视要保证及时发现问题, 安全管控等级高的线路区段要求每月两次, 采用人工巡视方式受限于地形采用望远镜不能保证测量精度。航空摄影测量可以快速对大范围区域测量。输电线路侧影测量要注意任务目标, 相机选择与飞机平台选型等工作。

无人机航空摄影前用户根据作业任务做好规划,确定摄影比例尺和行高等, 为提高空域资源利用率,需要向航空管理部门申请测区空域飞行学科[8]。依据无人机飞行任务对航摄技术参数设置, 做好地面准备工作后选择晴朗无云的天气, 无人机拍摄作业中选好起飞地点组装航摄仪, 合理设置各项技术参数, 向空中控制系统发送数据控制命令。地面人员对获取数据检查, 无人机飞行后回收检查仪器相关功能。无人机空中飞行作业时用于天气情况使航线受到偏移, 影响测绘产品的精度。利用机载POS 系统得到位置数据,飞行质量检查包括航向重叠度等。无人机倾斜摄影测量系统飞行决定生成地理信息产品精度, 对获取影像质量检查可以清晰掌握是否存在漏拍情况。表1 激光雷达发现树障点情况。

表1 激光雷达发现树障点情况

数据检查合格后对原始图像处理, 编号随飞行方向增加, 根据飞行航线编号原始影像分类, 按照影像数据通用格式建立目录分类存储。航测系统搭载成像设备存在光学镜头加工误差, 原始影像拍摄存在不均匀光照等影响, 应对影像进行归一化匀光色处理。影像增强采用Wallis 滤波变换, 电网公司机巡作业中心使用无人机倾斜摄影对220kV 输电线采集数据, 在巡视线路杆塔N016-N138 档间, 通过倾斜摄影发现4 处树障。应用数据处理软件对线路倾斜摄影数据对比分析差异, 在20 档测试数据中通过甲钴胺雷达发现7处树障, 针对不同巡视方式得到较大差异数据分析结果。对比原始照片核查, 13 点树障原始照片左右侧位置不符。14 号离树干中心较远, 证实算法划分点群区域将同棵树存在三点群区域导致发现三个树障点。

以激光雷达数据作参考数据分析误差原因。对比分析发现得到数据存在差异包括树障点距离小号塔差异。研究从档距差异, 点群区域划分方面分析差异,输电线路倾斜摄影树障分析软件采用kml 文件导入塔杆坐标, 处于塔杆密集区出现人为失误导致坐标纠正错误。处于安全阈值的树木选取代表危险点作为树障缺陷。针对不同巡视方式得到较大差异化结果进行理论分析, 通过分析不同方式产生点云对比寻找差异原因, 将不同方式点云数据叠加, 树障处激光点云反应树木空间形态, 测量树障距离大于激光雷达。

4 结束语

倾斜摄影测量技术可以弥补正射影响不能真实反应地表真实情况的缺陷。目前倾斜摄影三维建模技术广泛应用于工程实践中, 摄影测量技术在输电线路巡视中应用具有很大优势。本文利用无人机倾斜摄影测量系统获取研究趋于影像, 总结系统采集遥感影像关键技术, 建立三维模型分析影响精度的因素, 采用无人机航摄测量技术可以快速获取输电线路等区域影像, 建立三维模型具备测绘级精度, 低空摄影测量技术对不同地形适应性较强。无人机搭载非量测数码相机, 现行航摄测量技术标准关于航摄方案一些规定不适用于无人机, 应结合相关理论选择适当的技术方案。研发适应性光的影像匹配算法对无人机航摄测量技术普及日常重要。