基于多源数据的高压输电线路精细化建模*

陆士好, 程 昌, 骆元鹏, 杨化超

(1.中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州 221116；2.中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430000)

近年来，随着数字信息时代的到来，全方位的城市数字化已经成为城市现代化的重要标志。三维数据由于能够更直观、更真实、更精细的展现地物空间位置和地理面貌，已经成为建设数字城市的重要基础[1]。目前，重建地物的三维信息的方法主要有人工建立虚拟模型、三维激光扫描技术和倾斜摄影测量技术等[2]。其中倾斜摄影测量是利用无人机平台搭载具有不同视角的多镜头传感器对地物进行摄影[3-5]，可快速地重建出地物的实景三维模型，现已成为获取地物三维信息的重要手段。为了生成更加精细的实景三维模型，相关研究人员通过不断提高传感器性能、优化无人机飞行航线以及后期的修模等手段来提高模型的精细化程度[6]。通过这种方法对实景三维模型的几何、纹理方面做出了较大改善。但由于倾斜摄影测量自身的局限性，通过改善传感器性能和优化飞行方式在高压输电线路这种高耸、细长的物体三维重建中仍然会出现模型缺失、扭曲的问题，这些问题使我们无法准确的获取输电线路的几何信息，也就无法通过模型修饰来达到模型精细化。机载LiDAR(Light Detection and Ranging)作为一门新兴的测绘技术，因其高效率、高精度的作业模式被广泛运用于电力巡检中[7-9]，利用机载LiDAR获取输电线路的点云，进而获取高压输电线路精确的几何信息。因而，本文在高压输电线路的精细化建模中，提出了基于倾斜摄影测量和机载LiDAR点云的多源数据，分别获取高压输电线路的地形信息和几何信息[10]，通过3ds Max软件利用点云来构建精细的高压输电线路三维模型替换倾斜摄影模型中的相应部分，从而实现高压输电线路实景三维模型精细化的目的。

1 研究方法与技术路线

本文的总体技术流程如图1所示。在研究区大场景中采用建模速度快、成本较低的倾斜摄影测量技术构建三维模型[11]。通过对采集的地物影像进行影像匹配、空三加密、构建TIN模型、纹理映射等一系列关键技术生成实景三维模型，然后针对实景三维模型中高压输电线路出现的模型缺失、扭曲现象，利用机载LiDAR对场景中的高压输电线路进行扫描，对采集的激光点云进行拼接、滤波等预处理后导入3ds Max软件进行1:1精确恢复高压输电线路模型，最后将该模型用DP-Modeler替换到实景三维模型中，完成基于多源数据的高压输电线路精细化模型构建。最后对所构建的精细化模型的优化效果进行定性分析和定量评定，验证通过该方法可以有效的改善倾斜摄影测量中高压输电线路模型缺失、扭曲的现象，提高模型精度。

图1 总体技术流程

2 基于多源数据的高压输电线路精细化建模

2.1 基于倾斜摄影的高压输电线路三维模型构建

无人机倾斜摄影技术适用于大范围的三维场景。研究区选取在宿州市钱营孜煤矿的部分区域，该区域内的高压输电线路错综复杂且其他地物较少，便于数据采集。航摄面积约为5 km2，数据获取设备如图2所示，采用大疆M600搭载赛尔五镜头倾斜相机系统。该相机的图像分辨率为6 000×4 000，相机焦距为10 mm，同时从垂直和4个倾斜视角对地物进行拍摄。数据采集方法是采用Z字的飞行模式，航向重叠率为80%，旁向重叠率为70%，相对航高为100 m，地面分辨率为2.82 cm,共获取158 742张影像。

图2 倾斜摄影测量拍摄设备

在对研究区的地质地貌有了充分了解后对像控点进行有选择性的布设，控制点选取在稳固、清晰的特征点上或进行人工布设[12-14]，像控点采集设备是海星达iRTK5，采用RTK进行像控点的三维坐标采集，共采集了83个像控点。

本实验采用的内业摄影测量处理软件是瞰景Smart3D 2019,该软件强大的空三能力和建模速度极大便利了三维模型构建。其模型构建具体操作如下：(1)分区空三。由于照片数量较多，电脑硬件无法支持如此多的照片一次空三，可以利用该软件的分区空三计算功能，保证各个分区具有足够的重叠区域，然后依次对各个分区进行空三计算，最后合并各个分区空三。(2)添加控制点。将RTK采集的像控点坐标按照规定的格式导入瞰景Smart3D 2019中，然后根据布设像控点的点之记在航摄像片中找到对应的特征点，依次加入各个像控点。最后再进行一次空三加密，完成控制网平差。(3)输出模型。该软件的自动化程度较高，只需根据需要选择相应的三维模型格式提交任务，就可以得到想要的成果数据，软件后台自动完成三维TIN构建、生成白膜、纹理映射等[15]。

建模完成后，对模型边缘非研究区域的拉花进行裁剪，对水面和建筑物出现的漏洞利用DP-Modeler进行修补。该研究区域的倾斜摄影测量模型成果如图3所示。由图可知，通过倾斜摄影构建的高压输电线路模型中电线塔有着很严重的缺失和扭曲的几何错误现象，电力线也出现中断的问题，无法达到高压输电线路精细化建模的要求。

图3 倾斜摄影测量建模成果

2.2 基于激光点云的高压输电线路三维模型构建

机载LiDAR是集GPS、惯性导航系统、激光测距及高分辨率航拍相机于一体的新兴测绘仪器[6]。该仪器可以通过惯性导航系统和GPS获取无人机飞行时的平台姿态信息和空间三维信息，并通过高分辨率航拍相机获取地物影像，从而使获得的点云具有真彩色信息[5]。激光雷达系统为获取地物的空间三维信息提供了强大助力。

本实验使用的数据采集设备如图4所示。机载LiDAR设备是海达数云ARS-450i，无人机飞行平台采用的是大疆M600。考虑到高压输电线路的走向和飞行效率，机载LiDAR扫描的飞行方向与输电线路平行，航线条数为4，保证机载LiDAR获得的点云数据的旁向重叠度在40%～50%，飞行高度为80 m。

图4 激光点云采集设备

将获得的点云进行内业数据处理。主要包括两部分，激光点云数据的处理以及3ds Max构建高压输电线路模型。激光点云的预处理主要是利用航飞过程中的惯性导航系统、GPS等各项参数进行各个激光点的三维坐标解算，对解算后的点云分离空中噪点和滤波处理，然后将输电线路从整体点云中分离出来，分离时可以将点云在高程条件下显示，此时不同高程的点云具有不同的色彩，可以清晰的观察到电力线和塔杆的轮廓信息，通过人工可以将输电线路分离出来。如图5所示，(a)、(b)、(c)为研究区三种典型的电线塔的点云数据。将获得的电线塔点云数据导入3ds Max，从点云数据中获得其几何信息，通过3ds Max构建电线塔的精细化模型。重建的模型效果如图5(d)、(e)、(f)所示。最后，相邻的电线塔用电力线连接。由于航摄时飞行高度较高和输电线路高耸、细长的特点，从航摄影像中提取纹理对3ds Max所建模型进行纹理贴图时效果较差，所以为了增强电力塔、电力线等的视觉效果，对电力塔和电力线单独赋色，结果如图6所示，黄色的为电力线，灰色的为电力塔。

图5 基于激光点云的不同类型电线塔建模成果

图6 基于激光点云的高压输电线路建模成果

2.3 不同数据源的高压输电线路模型融合

倾斜摄影测量模型在高压输电线路上存在严重的模型缺失、扭曲现象。而通过机载LiDAR获得的点云所建高压输电线路模型的地形信息又没有倾斜摄影模型直观。为此，将通过机载LiDAR获得的高压输电线路3ds Max模型与摄影测量模型进行融合。其具体处理方法如下：(1)导出obj格式模型。在3ds Max中把高压输电线路模型导出为obj格式，注意在导出时要将3ds Max 中模型中心坐标归于0。(2)摄影测量模型中的高压输电线路踏平。通过DP-Modeler将高压输电线路删除，将删除后产生的空洞进行修补和纹理修饰。(3)将3ds Max模型导入摄影测量模型中。利用DP-Modeler将3ds Max模型以绝对坐标导入摄影测量模型中，再通过旋转模型使摄影测量模型与3ds Max模型精确套合。

基于倾斜摄影测量和机载LiDAR的高压输电线路精细化建模结果如图7所示，从建模结果可以清晰的看出，通过该方法构建出来的高压输电线路模型消除了倾斜摄影模型缺失和扭曲问题。在研究区内通过全站仪采集了高压输电线路中的14个检查点，将这14个检查点分别在倾斜摄影模型和精细化模型中统计其偏差，如图8所示。其中倾斜模型的平面中误差为±8.23 cm，高程中误差为±11.89 cm；精细化模型的平面中误差为±3.12 cm，高程中误差为±4.67 cm。精度得到较大改善，实现了高压输电线路模型精细化的目的。

图7 高压输电线路精细化模型

图8 检查点基于两种模型的精度统计

3 结 论

无人机倾斜摄影测量因其低成本、高效率、高精度成为大场景三维建模的首选方法。本文根据其在高压输电线路建模中出现的问题，提出了基于倾斜摄影测量和机载LiDAR的高压输电线路模型精细化方法，对高压输电线路实景模型精细化具有重要参考意义。但是，该方法也存在明显不足，一是要获取倾斜影像和点云数据需要两次飞行，增加了外业的工作量；二是虽然建模效率有所提高，但和倾斜摄影测量相比，建模时间增加[16]。因此在建设高压输电线路的三维模型时，要根据需要综合选择输电线路的三维建模方式。