输电线路杆塔空气间隙三维可视化管理系统

许 焱，郭 宁，张 辉，苗 堃，李 超，刘亚文

（1.国网河南省电力公司济源供电公司，河南 济源 459000；2.武汉大学遥感信息工程学院，湖北 武汉 430079）

随着通信技术、网络技术的广泛应用，结合Web GIS和虚拟建模技术的输电线路管理系统成为主流，如文献[1]将三维仿真场景同日常输电线路管理结合起来，实现电网企业智能化的运行和管理。文献[2]提出一种基于全景的输电线路可视化运维管理方法，提高了输电线路运维管理的可靠性。文献[3]采用基于图形和图像的混合建模方法，并充分利用VRML和3DS max建模技术来实现输电线路三维场景建模。

采用虚拟场景的方法，无法真实展示输电线路地形、地物、杆塔等的三维形状及相互的空间分布和关联。随着新型遥感传感器和无人机倾斜摄影测量技术的发展，高效获取输电线路影像并重建场景真实三维模型得到了保证，在真实场景下的架空线路管理与分析更加直观、清晰和科学。文献[4]通过建立激光点云三维可视化平台，在线真实展现输电线路及通道内地物的现场运行场景，为输电线路在线管理和辅助决策提供了信息支撑平台。文献[6]集多源数据（点云、影像、模型、线路隐患诊断的缺陷数据等）构建了输电线路巡检可视化管理系统，有效提高输电线路巡检的工作效率。文献[5]利用输电线路通道的三维激光雷达点云以及各类坐标、尺寸、距离等信息，共同组成了对输电线路通道的完整可视化描述，为生产作业提供重要的辅助决策信息。

现有真实场景方法中，输电线路场景、杆塔及线路模型通常是由同一分辨率数据构建的，但在实际工作中，相对输电线场景，杆塔和线路的模型需要更高分辨率数据来表现。另外，大多数的输电线路管理系统侧重设备台账信息，而结合输电线路场景模型的线路关键参数管理对于输电线路安全运维更有意义。在上述研究基础上，本文提出了兼顾数据量和表现力的输电线路建模方案，即对于输电线路场景和杆塔采用不同分辨率建模方案，该方案能够保证输电线场景模型的精细度，保证杆塔模型的可量测性。同时，在Web GIS框架下构建了真三维场景的防风偏参数杆塔空气间隙管理系统，实现可视环境下对杆塔空气间隙的查看、浏览与分析，为输电线路防风偏提供可靠的信息平台。

1 输电线路杆塔空气间隙管理系统的关键技术

输电线路三维模型数据的生成及杆塔空气间隙管理系统构架是三维可视环境下，输电线路杆塔空气间隙管理系统的主要环节。输电线路三维模型数据是系统实现真三维场景下可视化显示、查询及浏览的基础数据。本文采用无人机航飞采集输电线路影像，根据摄影测量方法构建输电线路三维点云和纹理模型[7]。杆塔空气间隙管理系统构架基于Web GIS，充分利用B/S模式的优点，实现在线输电线路场景可视化展示，可以随时随地查询、浏览数据。

1.1 输电线路三维重建与杆塔空气间隙量测

输电线路走廊跨度大、覆盖范围广，考虑到模型点云数据量及Web端浏览效率，对输电线路的场景、杆塔和电力线采用不同建模方案。场景采用常规的摄影测量方式建模，杆塔和电力线则采用倾斜摄影测量与半自动几何建模相结合的方式建模。

1）输电线路场景三维建模。输电线路场景一般为山地或者林地，且地形较为复杂，对其建模的目的是为了更清晰、直观地展示杆塔和电力线所处的地形环境。因此，输电线路场景建模可以采用传统航测测图的数据采集和处理方式。固定翼无人机航速快，续航时间长，适合用来对大范围场景建模采集影像。航空摄影时，按照设计的飞行参数（航高、飞行速度、航向旁向重叠度等）和轨迹采集影像。影像数据建模处理主要步骤为空中三角测量、密集点匹配及数字表面模型（DMS）生成。

本文实验选择固定翼思洛普S180无人机，采用其自带航线规划软件，按照常规测绘生产测图的模式，在指定飞行区域，自动采集具有一定重叠度的影像。Pix4Dmapper用来完成输电线路场景点云模型构建，如图1所示。图1左上方为某区域输电线场景点云和纹理模型，数据采集相对航高为770 m，航线数为8，重叠度分别为航向80%和旁向65%，地面分辨率为9.8 cm，影像共947幅。

图1 输电线场景点云和纹理模型

图1下方为图1左上方局部放大图，其中黄色圆圈标注的为杆塔，图1右上方为黄色圆圈标注杆塔的放大图。

2）杆塔三维重建与空气间隙量测。航空倾斜摄影技术不同于传统的从单一垂直角度进行拍摄的航空摄影模式，而是在一个飞行平台上同时搭载多个成角度的感光器件，分别从垂直角度和倾斜布设的CCD传感器获取地面多方向的立体图像信息[8]。本文采用具备定点凝视能力的旋翼无人机倾斜摄影数据采集平台，通过搭载单个影像传感器对杆塔进行多航线摄影任务，在每个航线任务中，通过调整传感器的倾斜角度，获取杆塔不同侧面的影像。由多视角影像匹配得到杆塔点云模型具有一定的精度和可靠性，可以通过量测点间距离获得杆塔的空气间隙。通过建立杆塔模型及在模型上量测杆塔空气隙间的方法，较传统通过实地量测、推算等的方法具有方便、高效、可靠的特点。

本文实验选用Phantom 4 RTK旋翼无人机采集杆塔影像，采用DJI GS RTK App航线规划软件中摄影测量3D（五向飞行）方式，对杆塔测区执行5次航线任务，分别为正射以及向东南西北的4次倾斜任务。DJI Terra完成数据处理，得到杆塔点云和纹理模型。图2a为杆塔点云和纹理模型，数据采集相对航高为50 m，重叠度分别为航向80%和旁向70%，相机倾斜角为60°的影像共143幅。通过量测点间距离获得杆塔空气间隙，量测点获得杆塔悬挂点坐标，如图2b。

为了减少数据量和增强可视化效果，在点云模型基础上，结合3DS Max半自动重建了杆塔几何模型，如图2c所示。

图2 杆塔模型与空气间隙量测

3）电力线三维重建。在电力线场景建模中，无人机飞行方向与电力线方向近似一致，使得立体影像中的左右视差方向几乎与电力线方向平行，电力线三维重建难度加大[9]。考虑到架空电力线在实际环境中由于风偏而发生摆动，本文对电力线的重建方案是在采集杆塔悬挂点坐标基础上，根据架空电线弧垂计算公式,采样一定数量的数据点模拟风偏后的导线，提供可视化电力线三维模型[10]。

电力线在有风的情况下，会绕悬点连线转动，形成一个风偏平面。将风偏平面分别投影到垂直平面和水平平面，可以得到垂直投影面内架空线弧垂公式（1）和水平投影面内架空线弧垂公式（2）。

式中，l为档距；β为高差角；gv为垂直比载；gh为水平比载；σ0为水平应力。在得到垂直、水平投影面内架空线的有关数值后，风偏导线即可选取一定数量采样点进行拟合。

1.2 基于Web GIS的输电线路杆塔空气间隙管理系统构架

系统架构如图3所示，数据层包括OSM（open⁃street map）二维矢量图、Google影像、输电线路场景和杆塔三维点云和纹理数据、杆塔几何模型数据及空气间隙等相关属性数据；服务层对应用提供数据服务和功能服务；应用层实现输电线路场景可视化二维和三维浏览，杆塔空气间隙等属性查询及分析等功能。

图3 输电线路杆塔空气间隙管理系统框架

1）多源数据的组织与管理。输电线路的多源数据包括Google影像、二维矢量地图、输电线路场景及杆塔的三维点云和纹理数据及杆塔空气间隙等相关属性数据。为实现输电线路三维实时浏览、查询及分析等功能，对于不同类型的数据采用不同的组织和管理以满足三维场景实时浏览的需要。Google影像数据采用分级分块组织，层与层之间的分辨率是2倍数关系，块大小为256×256，最上层的分辨率最低，存储的时候对这些标准块根据其位置信息建立了索引号。在对目标物体进行放大、缩小、漫游等操作时，计算该物体最终在屏幕上成像的大小，并以此决定该使用哪一层分辨率的影像[11]。二维矢量地图由OSM下载得到的瓦片地图，以Tile格式存储。输电线路场景及杆塔的三维点云和纹理数据是由倾斜摄影采集影像处理生成，采用3D Tiles格式存储。3D Tiles以树结构来组织Tile，并结合了多细节层次LOD的概念，解决大数据量三维场景显示和管理的优化问题，以便最快最佳地渲染空间数据。

空气间隙是杆塔的重要属性数据，无人机航飞影像生成精细的杆塔点云数据之后，可进行杆塔空气间隙、杆塔高度及悬挂点等测量，杆塔类型、杆塔位置坐标等可以从已有线路数据中获取。这些属性数据采用Excel表进行存储，每个杆塔具有唯一的标识号。系统支持从Web端读入Excel文件，将杆塔属性数据导入SQLite数据库中，并自动基于杆塔标识号匹配相关的杆塔三维模型。

杆塔和线路是输电线路三维模型的主要组成部分，在线路和杆塔之间增加一个虚拟线路杆塔的中间表，这样可在数据库中反映出多线同塔的情况，也可减少数据冗余，如图4所示[1]。

图4 线路和杆塔的数据组织模式

2）输电线路的可视化浏览。本文采用二维和三维联动显示输电线路，二维显示以OSM矢量地图为基准，杆塔以符号表示。三维显示以三维球为依托，以google影像为基准，根据杆塔坐标可以快速定位输电线路所在地理位置。多源数据可以实现同步加载，也可以根据需要，通过选择的方式分别加载输电线路场景点云和纹理数据、杆塔点云和影像数据、杆塔几何模型数据等，以移动视点的方式，实现3D输电线路场景浏览。

3）杆塔间隙查询与分析。通过输入杆塔位置坐标或名称，搜索并查看杆塔的空气间隙等属性信息。也可以直接在二维显示或三维球上可视化点击杆塔，实现选中杆塔空气间隙等属性的查询。在三维场景下，杆塔、线路及线路场景间的空间关系直观，结合了线路空间模型的杆塔空气间隙表达方式，更加形象，有利于管理人员准确掌握、分析与判断线路运营的实际状态。

相关研究表明，提高输电线路导线悬挂高度，可以有效改善输电线路对周围环境的影响，但风力对线路的影响更大，更容易导致导线和杆塔之间的空气间隙距离缩小，发生闪络[12]。为此，本系统设计了线路模拟功能，通过调整杆塔位置和朝向来展示、分析地形、风向等因素可能对线路空气间隙的影响。

2 系统实现与分析

部署并启动服务器之后，访问http://localhost:8081/smartTower即可打开主页面。设置系统界面场景配置参数（视角空间位置和方向），场景会快速定位到实验数据所在地理位置的OSM矢量地图和Google影像。系统可以分别加载实验数据的输电线路场景三维点云和纹理模型（图5a）、杆塔三维点云和纹理模型(图5b)、杆塔的几何模型（图5c）和电力线模型（图5d），也可以同时加载上述三维模型数据，并在系统界面通过鼠标、滚轮移动实现漫游、放大和缩小等浏览。

图5 基于Web的输电线路显示

杆塔空气间隙是输电线路重要的属性信息，图6所示为在系统界面三维球上，可视化点击杆塔，系统可以显示杆塔的空气间隙值。同时结合三维球上输电线路杆塔模型，可以更加直观地显示杆塔间隙及杆塔所处线路场景环境。考虑到地形环境、风向等因素对输电线路杆塔空气间隙有较大影响，在三维球上，通过导入调整后的线路杆塔位置、方向数据，如图7a所示，自动生成模拟线路，用于分析环境、气候条件对输电线路杆塔空气间隙的影响。

图7 线路模拟与空气间隙分析

3 结语

本文构建了基于Web GIS的真实场景下输电线路空气间隙管理系统，能够实现杆塔空气间隙在输电线路真实场景下的直观展示、查询与分析。在系统场景构建中，提出了结合传统无人机摄影测量与倾斜摄影测量的输电线路重建方案，保证了输电线路场景、杆塔点云和纹理模型所需的精细度。系统设计方面，充分利用B/S模式的优点，搭建了基于Web GIS的完整、合理的杆塔空气间隙管理系统架构，实现了三维可视化场景下的输电线路杆塔空气间隙的科学管理。