基于地理信息系统的输电线路无人机巡检管理平台研究与实现

周宏辉，汪从敏，江 炯，王 群

（国网浙江省电力有限公司宁波供电公司，浙江 宁波 315010）

0 引言

随着数据采集技术的进步以及遥感技术的发展[1-2]，利用无人机搭载多传感器获取多源数据已经成为可能[3]。利用机载多传感器系统进行电力巡线是近年来国内外应用较为广泛的一项技术[4]。

目前国内多数电力公司建设了基于二维地理信息的电网管理系统[5]，但是传统的二维平台系统无法满足无人机输电线路巡线的数据浏览，尤其是根据多基线影像的实景建模数据[6-8]，因此需要提供一种三维可视化的管理平台[9-10]，将不同时间、不同航线的巡线路径进行统一管理，同时需要提供一种将多尺度、多分辨率、多源空间数据和属性数据相集成的方法[11]。

本文以GIS（地理信息系统）为基础，结合实际项目，以宁波市某输电线路为试点，利用空间地理信息技术，整合输电线路资料，构建基于GIS的输电线路无人机巡检管理平台，极大地提高了输电线路无人机巡检作业的能力和效率[12-13]。

1 平台构建逻辑

目前无人机视距内及超视距巡视、基于无人机巡视的通道缺陷分析和树障分析已在宁波供电公司全面展开，输电线路无人机巡检管理平台作为核心环节，实现缺陷发现、上报、分析、消缺的闭环链条是设计的基本出发点。

针对无人机巡检任务多、巡检资料杂、人工干预量大等特点，本文提出一种基于Laravel的无人机巡线管理系统框架，以此为基础，构建了无人机巡检管理平台，构建逻辑如图1所示。平台涵盖了图层管理、实景模型、杆塔管理、线路管理、巡视任务管理、巡视视频回放、巡视照片管理等内容，实现基于试验线路的无人机智能巡检作业和流程化管理，以及巡检资料的精确化、可视化管理。

图1 无人机巡检管理平台构建逻辑

2 核心技术分析

2.1 实景模型可视化

无人机携带多传感器能够快速获取输电线路三维走廊地形、地貌的实景数据。实景数据由于真实度高，通常数据量较大。因此，需要通过一种适合网络发布使用的格式和协议对其进行解析和渲染，WebGL是理想的选择。

WebGL是一种3D绘图协议，这种绘图技术标准通过增加OpenGL ES 2.0的一个JavaScript绑定，为HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，使平台数据呈现效率、兼容性大幅提高。

利用市场上成熟的实景模型生产软件如ContextCapture，Pix4D，PhotoMesh等，将无人机获取的大量航拍数据制作成实景模型数据格式（如OSGB），并对其进行Lod（多细节层次）处理。Lod策略并没有固定模式，可以根据实际需求对数据进行处理。本文采用标准四叉树策略进行数据分层，如图2所示。

Lod后的数据结构如图3所示，可以看出Lod后数据量更小，结构更优化，适用于进行大面积的网络请求和发布。借助WebGL技术的特性，即可对模型进行逐个读取和渲染。采用ThreeJS引擎加载的片段代码如图4所示。

图2 四叉树分割

图3 Lod后的数据结构

图4 ThreeJS加载代码

2.2 Laravel框架模式

Laravel是一套简洁、优雅的PHP（一种通用开源脚本语言）Web开发框架。Laravel充分运用了PHP面向对象的特性和软件工程的思想，采用组件式开发，应用composer进行安装和管理，具备优雅、可读性强的代码风格，是当今PHP领域最流行的框架之一。

利用Laravel的框架模式，在平台架构中引入MVC（一种软件设计典范）的设计模式，即把软件分为模型、视图、控制器3个部分，如图5所示。

由于巡检业务的变化性和复杂性，利用MVC模式，将表现层与逻辑代码进行分离，从而使软件可以应对不同的业务模型。

图5 MVC设计模式

将底层的数据表、业务表及对表的逻辑操作封装到一个个独立的模型中，利用视图的刷新机制监视模型中数据的变化，利用控制器控制整个业务流程的组织，如图6所示。

图6 业务流程

基于这种设计，可以将输电线路巡检的业务模型和地理信息数据可视化相结合，对其进行具象化的表达，如影像管理、巡线通道三维模型管理、巡检视频巡检管理、巡检照片巡检管理、无人机设备管理、巡检线路管理等，使业务模型与GIS分离，将耦合性降至最低。

2.3 空间变换模型

为了将无人机采集的精确坐标位置反映到巡检管理平台中，还需要将三维空间模型变换到显示屏幕。三维模型变换到二维屏幕上需要经过模型位置变换、观察视角（相机视角）变换以及投影方式变换，分别对应模型变换矩阵M、视角变换矩阵V和投影变换矩阵P。其变换表达式为：

式中：向量v为模型在原三维空间下的顶点坐标；向量p为其在显示屏幕上的坐标；矩阵M包含模型顶点在三维空间下的位置变换；矩阵V包含三维模型向相机或视点的变换；矩阵P包含视点采用的投影方式，三维空间中通常采用透视投影。矩阵V和矩阵P通常由加载解析模型的运行环境设置，矩阵M一般保存在存储模型的数据文件中。当需要使模型进行空间移动翻转等位置变换时，需要重新计算矩阵M的值，这也是使模型在三维空间中运动或者改变位置的关键点。

2.4 坐标系统变换

进行空间变换后，应将输电线路的三维通道模型与地球模型坐标融合，就需要进行坐标系统变换。一般将以球心为原点的坐标定义为球心坐标，将以球面任意一点为原点的坐标定义为局部坐标。如图7所示，局部坐标为NED（北东地）坐标系统。

图7 坐标系统关系

为了解决球心坐标和局部坐标之间的变换，需要对模型坐标原点进行旋转和平移，这里通过矩阵变换来实现，如图8所示。

图8 坐标系统变换

假设对应的笛卡尔坐标为（X，Y，Z），两者结合得出矩阵的计算公式见式（2），依次为正东单位向量、正北单位向量、上单位向量和坐标原点值：

3 系统总体设计

3.1 系统架构

根据前文所述，本系统采用MVC的应用模式，构建B/S（浏览器-服务器）系统架构，利用Laravel建立完整的无人机巡线管理流程，利用天地图空间框架体系，建立一个多尺度、多分辨率、多源空间数据的无人机巡检管理平台框架，如图9所示。整个框架结构包括接入层、应用服务层、系统服务层、工具层、数据层、基础设施层、规范体系和安全保障体系8个层次，它们构成了一个有机的整体。

接入层是交互层。系统是一个门户网站，用户通过网页浏览器实现对系统所提供服务的接入。

应用服务层是系统所提供的各种应用服务，包括图层管理、实景模型浏览与加载、线路管理、任务管理等功能。

系统服务层是访问底层接口的基础，实现如数据叠加、数据管理等服务。

工具层是在数据入库和系统服务发布过程中涉及和使用到的功能，包括数据编译、数据发布、数据管理等。

数据层是整个系统的基础。数据层包括基础数据和专题数据2个部分，各个数据库可以实行分布式部署和统一化管理。

基础设施层是数据及其应用的基础支撑环境。通过专线网络、服务器等设施，实现对软件、数据等层面的整合和应用。

数字城市空间框架指本系统对应接入的天地图空间框架。

安全保障体系是指本系统建设过程中建立的安全保障机制。

3.2 系统数据模型设计

前文提及，利用MVC模式将系统的数据封装成独立的模型类，并将对其的操作逻辑同样封装成模型。巡检平台系统根据业务划分主要包括输电线路表、电力塔表、飞行任务表、巡检记录表、巡检线路表、巡检视频表、巡检照片表等。其主要模型逻辑关系如图10所示。

从模型关系上可以看出，巡检平台的数据核心是输电线路数据，巡检主要业务都是围绕输电线路展开，其中包括输电线路的管理、基于线路的飞行任务管理、基于飞行任务的轨迹管理、基于飞行任务的成果管理等。

3.3 系统主要功能设计与实现

以宁波地区某2条220 kV架空输电线路为试验区域，完成系统的主要功能设计与实现。

（1）图层管理。包括底图切换、地图定位、数据展示。

图9 无人机巡检管理平台框架

图10 模型关系示意

1）底图切换。依托天地图，能够任意切换卫星影像图和电子地图作为系统底图。

2）数据展示。直接在地图上显示出试验线路的地理范围，可以在影像上浏览线路全貌，实现输电线路和位置信息的可视化一张图。

3）线路定位。根据线路名称，自动在地图上定位到试验线路，改变传统线路列表管理方式，以地图为入口对输电线路档案进行灵活调阅，系统界面如图11所示。

图11 线路定位

（2）输电线路实景模型加载与管理。利用网络瓦片式加载方式请求体量较大的输电线路实景模型，系统界面如图12所示。

图12 实景模型

（3）杆塔管理。包括名称快速检索、图形直接查阅、巡检资料查看，系统界面如图13所示。

1）名称快速检索。根据杆塔名称，进行快速检索，并在第一时间定位到地图上正确位置。

2）图形直接查阅。点击地图上杆塔图形，可以快速调阅杆塔档案数据资料。

3）巡检资料查看。直接获取该电力塔相关巡检作业的巡检照片等，方便管理。

图13 杆塔管理

（4）任务管理。包括对无人机作业进行任务流程建立、任务实施、任务结果查询，系统界面如图14所示。

图14 任务管理

（5）巡检照片管理。基于电力杆塔的精确位置对巡检照片进行对象化管理，系统界面如图15所示。

图15 巡检照片管理

（6）巡线视频管理。基于单条飞行任务进行巡线视频的数据管理。可在同屏查阅与对比输电线路三维通道数据和GIS地图二维线路数据，系统界面如图16所示。

图16 巡线视频管理

无人机巡检管理平台的构建，使得无人机巡视作业与通道缺陷及树障分析工作站可以无缝连接，打通了无人机巡视的缺陷发现、上报、分析、消缺处理链条，实现了基于试验线路的无人机智能巡检作业和流程化管理，实现了巡检资料的精确化、可视化管理，无人机输电线路巡检效率及质量均得到了显著提升。

4 结语

本文讨论了在输电线路无人机巡检作业中利用GIS技术建设无人机巡检管理平台，对其中的系统框架、数据建库以及功能开发进行了设计与实现。在如今“互联网+”盛行的大背景下，利用GIS实现真实场景与虚拟对象在空间上的有机融合，图形化展示输电线路的空间地理分布信息，同时将巡检任务与巡检数据纳入系统管理维护中，对开展大规模输电线路无人机自助巡检具有重要的研究意义。