基于实景三维模型的电力选线技术

张艳秋 李艳芳 花春亮

(1. 兰州资源环境职业技术学院, 甘肃 兰州, 730123;(2. 中国能源建设集团甘肃省电力设计院有限公司, 甘肃 兰州, 730050)

0 引言

无人机倾斜摄影测量技术从一个垂直、多个倾斜角度对同一地物的不同角度进行拍摄,不仅能够自动快速获取地形地貌、建筑物、树木等地理实体的纹理细节,而且可以弥补航空摄影测量只获取地物正射影像的缺陷,具有较高冗余度的影像重叠,保证了高精度影像匹配的充足条件,使基于人工智能的三维(three-dimensional,3D)实景模型重建成为可能。倾斜摄影数据通过先进的定位、融合、建模等技术处理,能够获得高精度输电线路地表的强真实感三维空间信息。

三维选线技术始于美国军方研发的海拉瓦(HALAVA)系统,该方法能保证线(路径)位塔位结合在一起,使路径方案得到全方位优化,辅助电力工程的勘测设计,降低工程投资、缩短工程建设周期。实景三维模型数据位置精准、分辨率高、场景真实、要素全面,并且可以快速更新,现势性好,是重要的基础空间数据成果。本文将实景三维模型数据引入到输电线路三维设计选线中,掌握研究区高精度地形地貌以及建筑物细节特征,并进行三维漫游分析,旨在研究如何将实景三维建模技术应用到电力三维设计选线任务中,实现三维模型数字化设计分析,使电力设计在选线过程中更具科学化、智能化,同时节省人力物力,优化资源配置,提升电力设计过程的效率。

1 无人机倾斜摄影三维建模技术原理

1.1 技术简介

无人机倾斜摄影实景三维建模技术主要有以下几个步骤：一是捕捉数据,进行区域网平差;二是将用倾斜摄影获取的多视角影像进行密集匹配、空三加密,从中提取点云数据;三是进行纹理映射,得到研究区实景三维模型,获得研究区地形地貌、植被、构筑物三维细节特征。其中,决定实景三维模型构建精度的最大影响因素是数据捕捉,即倾斜数据获取,而布设合理的像控点是数据捕捉的核心。目前,布设像控点的主要方法有中心平高设控、边缘平高设控、全面平高设控、中心高程设控和平高设控,实际布设过程中,优势突出的是中心高程设控和平高设控法,优化处理后能大大提高三维建模的速度和精度,可以为电力工程勘测提供现势性好、内容详尽、数据精确、模型逼真的基础空间地理信息数据。

1.2 系统构成

无人机倾斜摄影主要有3个系统构成：

(1)飞行平台,低空航空摄影使用的航测无人机,不受场地的限制,并且能在航摄过程中保持飞行的稳定性。为了兼顾效率,本项目优先选用六旋翼无人机,搭载高性能传感器,自动化、智能化同步记录拍摄时的位置和姿态等信息。

(2)传感器,由多镜头相机和全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)定位装置组成。为了建立三维实景模型,且保证拍摄对象立面影像信息的可用性,倾斜摄影获取影像时通常以45°左右角度为优,从5个方向获取目标地物的实景信息,包括一个垂直方向和4个侧面方向。

(3)三维模型建立软件处理系统,以Smart 3D为代表的人机交互半自动三维建模软件,通过在获得的目标区域倾斜影像上进行同名点提取、多视角匹配、三角网构建、纹理映射等操作步骤,实现把简单连续的倾斜摄影影像转换成实景真三维模型,且不需要太多的人工干预,既保证了精度有提高了建模的效率。

2 输电线路工程三维选线技术介绍

建设输电线路的首要环节是电力选线设计,选线成果的优劣直接影响到项目的进展情况、建设成本、运营成本、服务能力等方面。传统的选线方法是基于1∶50 000地形图进行粗选,设计人员进行现场探勘,再在地图上进行修改,最后选出最终路径方案,但地形图图幅所限,选线范围固定,不易进行筛选、统计、分析,且存在地形图的现势性差的问题。为克服传统外业选线的缺点,利用先进的测绘新技术进行选线方法革新,开展基于实景三维模型的电力设计选线研究十分必要。

输电线路工程三维选线主要包括前期的踏勘、无人机倾斜摄影、三维模型建立、三维识别、线路初选等工序,实景三维模型建立的精度决定三维选线的效率和精确度。输电线路的三维设计要以统一的数据模型和开放的平台架构为基础,以倾斜摄影数据库为核心,以三维建模为技术手段,通过实景三维模型建立,可以对空间物体进行精确描绘,在计算机上实现三维地貌、地物的真实再现。将三维模型数据导入三维设计平台,准确量测被跨越物的坐标、距离与高度信息,并直接对空间距离进行校验,在三维平台中较快捷且准确地对障碍物进行校验或避让,快速生产线路的平断面图,合理优化线路路径跨越位置,设计阶段综合考虑跨越塔架立和放线施工,同时减少交叉跨越已建输电线路,较大程度上提高了路径优化工作的效率。

3 工程应用实例

3.1 测区概况

测区位于陇东高原黄土丘陵沟壑区,雨水丰沛、地形多变、地质构造复杂;新构造运动强烈,致使岩土破碎、滑坡、泥石流等地质灾害发育较为频繁;在以往的电力工程设计中,线路优化选择主要靠人工决策,费时费力,工作效率低,并且遇突发自然灾害,会危及工作人员的人身安全。该地区河流冲刷严重,交通条件较好,但是居民区、管线等地物分布零散,方便选择无人机起降场地,开展无人机倾斜摄影测量,使整个选线过程达到最优,为线路选择和设计提供辅助决策,在距离比较长、沿线地形较复杂、精度要求较高的输电线路工程中,可以实现快速、精确的自动优化选线。

3.2 三维选线技术流程

依据电力工程三维数字选线设计要求,收集测区控制点数据、气象资料、交通等基础数据,开展无人机倾斜摄影测量,建立测区实景三维模型,在数字化选线平台进行输电线工程选线设计,具体的技术流程如图1所示。

3.3 实景三维模型建立

按照每千米一对像控点布设,采用静态GNSS接收机采集数据。航摄飞行方向自西向东,设置航向重叠度为80%,旁向重叠度为70%,选用6旋翼无人机作为飞行平台,搭载5镜头倾斜相机,保证像片重叠度、像片倾斜角、像片旋偏角、航线歪曲度等要素要满足飞行质量技术设计要求,对测区开展影像数据采集,经过空三加密、密集匹配生成点云数据,然后进行三维纹理贴膜等核心操作处理,生产测区实景三维模型数据,如图2所示。

图1 三维选线技术流程图

图2 研究区实景三维模型

3.4 精度分析

实景三维模型具有高精度、高分辨率、高清晰度的特征,能真实还原现实世界地物地貌特征,因此输电线路工程三维设计在精度上是能够满足电力选线规程规范要求的。实景三维模型精度区别于传统数字正射影像和数字高程模型,一般分为主观评价和客观数据分析,主观评价是指人通过自己感官模型纹理的清晰度、色调、明暗程度、信息丰富度率等方面来评价实景三维模型表观质量;客观数据分析通过建立模型特征参数数据来评价其误差。为了对三维实景模型的精度进行验证,沿着输电线路规划路径按照每500 m一个检查点的标准选取40个检查点进行精度评价分析,如表1所示。

表1 检查点平面和高程误差统计 单位：cm

平面中误差计算公式为

(1)

高程中误差计算公式为

(2)

利用式(1)计算得到平面中误差为±6.4 cm,利用式(2)计算得到高程中误差为±8.5 cm,平面和高程精度均符合三维数字化线路精度需,结果满足电力工程数字摄影测量规程1∶1 000比例测图精度要求。

3.5 基于实景三维模型的数字化选线设计

通过三维设计平台在实景三维模型中进行输变电工程优化设计选线和塔杆排位的优点是宏观性好,可以直观地从整体上对输电线路路径和塔杆的位置进行确定。

3.5.1

输电线路路径选择

通过实景三维模型既能很清晰地识别电力线路、油气管道、林木、房屋等地类的分布状况,多角度观察输电线路路径环境,又能准确量测线路断面及房屋、树木等地表物体的高程,精确统计并量测跨越物信息,进而实现对拆迁量的精确统计及路径优化选择的准确判断,得到输电线路设计选线的最优路径,保证了电力选线精度,提高了勘察设计的效率,有利于合理控制工程造价。

3.5.2

塔杆位置确定

依托实景三维模型数据在三维设计平台中自动进行塔杆排位,首先要定义飞行路径,设置高度值,在系统中沿固定高度进行三维漫游,这样可以在高空总体上查看三维设计效果,使设计人员更直观准确地对设计方案进行优化,实时校验导线与障碍物的空间距离,对线路走廊的合理性和可行性进行综合评价,最终确定塔杆的精确位置。借助平台三维漫游功能,可以简化烦琐的统计工作和复杂的校核工作,较大程度上提高了塔杆排位的效率。三维选线成果见图3。

图3 三维选线成果图

4 结束语

无人机搭载多角度倾斜相机快速获取各个方位的地表影像数据,通过数据处理恢复真实地表三维模型,并利用三维实景模型线路优化选线等工作,为电力勘测设计人员提供一种经济、快捷地电力三维选线途径,解决了原始电力选线中地形图现势性差,受图幅所限,选线范围固定,不易进行筛选、统计分析等行业难题,大大提高了选线成果的效率、项目的进度,降低了建设成本。随着行业的发展和三维选线系统的应用,它将改变电力线路设计原有的思维模式和操作方式,彻底摆脱设计人员进行现场探勘,再在地图上进行修改,最后选出最终路径方案的模式,而是将研究区域直观地在平台进行展示,为电力线路测量提供空间分析、坡度计算、坡向计算等辅助功能,为电力工程三维设计提供真实直观的基础三维实景地理信息数据模型,满足电力测量地表三维数据获取、管理及高效利用的全流程需求,是电力行业技术方法革新的关键性一步,将对提升电力行业效率和改善工作方式产生革命性影响。