鄭勇峰，王枝軍

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310012)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模日益增大，我國(guó)電網(wǎng)規(guī)模和發(fā)電能力已位居世界第一。電網(wǎng)規(guī)模增大導(dǎo)致變電站規(guī)模也越來(lái)越大，變電站是電網(wǎng)的重要組成部分，國(guó)家電網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)部門(mén)每年都需要投入大量人力、物力、財(cái)力對(duì)變電站進(jìn)行運(yùn)維、監(jiān)控、培訓(xùn)，如何高效、精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)地建立變電站三維實(shí)景模型并對(duì)變電站進(jìn)行運(yùn)維、監(jiān)控、培訓(xùn)已成為亟待解決的問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)已有相關(guān)學(xué)者對(duì)變電站三維重建開(kāi)展研究并取得一定成果。龔慶武等基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)展變電站三維仿真和數(shù)字可視化技術(shù)研究[1-4]；劉求龍等開(kāi)展三維激光掃描儀在惠泉變電站三維模型構(gòu)建中的應(yīng)用研究[5]；杜勇等開(kāi)展變電站現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)與風(fēng)險(xiǎn)管控的三維實(shí)景推演仿真研究[6]；曹炯等基于無(wú)人機(jī)的電網(wǎng)實(shí)景建模研究[7]。上述研究存在兩方面問(wèn)題：一是利用VRML、3ds Max、Bentley等技術(shù)建立虛擬化三維模型，與變電站實(shí)景相比存在一定視覺(jué)偏差；二是三維激光掃描成果數(shù)據(jù)量大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理的效率不高，而且成果展示對(duì)機(jī)器性能要求高。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量三維實(shí)景建模技術(shù)已成為測(cè)繪領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，具有快速、高精度、實(shí)景等特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于地形圖測(cè)量、水利工程、高鐵施工、河道整治等方面[8-14]。本文介紹一種利用拓普康天狼星無(wú)人機(jī)測(cè)圖系統(tǒng)的傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，可快速、高效地實(shí)現(xiàn)變電站三維實(shí)景建模的應(yīng)用。

1 無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)組成

根據(jù)《無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)技術(shù)要求》，無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)基本構(gòu)成包括飛行平臺(tái)、飛行導(dǎo)航與控制系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“飛控系統(tǒng)”)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、發(fā)射與回收系統(tǒng)、地面保障設(shè)備[15]。拓普康天狼星無(wú)人機(jī)測(cè)圖系統(tǒng)組成如下。

1.1 飛行平臺(tái)

飛行平臺(tái)主要搭載任務(wù)設(shè)備并執(zhí)行航攝飛行任務(wù)。天狼星無(wú)人機(jī)測(cè)圖系統(tǒng)飛行平臺(tái)主要性能參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 天狼星無(wú)人機(jī)測(cè)圖系統(tǒng)飛行平臺(tái)主要性能參數(shù)

1.2 飛控系統(tǒng)

飛控系統(tǒng)主要用于無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航、定位和自主飛行控制。天狼星無(wú)人機(jī)測(cè)圖系統(tǒng)的飛控系統(tǒng)采用MAVinci Autopilot自動(dòng)駕駛儀和MAVinci Desktop桌面軟件部分功能，實(shí)現(xiàn)GPS/INS慣性導(dǎo)航，應(yīng)急控制，自動(dòng)起飛和著陸控制，飛機(jī)姿態(tài)、飛行高度、飛行速度的控制等功能。

1.3 地面監(jiān)控系統(tǒng)

地面監(jiān)控系統(tǒng)主要用于飛行任務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)、飛機(jī)飛行數(shù)據(jù)和任務(wù)設(shè)備監(jiān)控顯示、飛機(jī)故障時(shí)報(bào)警提示等。天狼星無(wú)人機(jī)測(cè)圖系統(tǒng)的地面監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)地面監(jiān)控站(包括筆記本電腦、MAVinci Desktop桌面軟件、無(wú)線(xiàn)電遙控器等)實(shí)現(xiàn)地面監(jiān)控功能。

1.4 任務(wù)設(shè)備

任務(wù)設(shè)備主要用于航攝影像的獲取與存儲(chǔ)。天狼星無(wú)人機(jī)測(cè)圖系統(tǒng)的任務(wù)設(shè)備為數(shù)碼相機(jī)富士X-M1，相機(jī)主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。

1.5 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)用于地面監(jiān)控站與飛控系統(tǒng)及其他設(shè)備之間的數(shù)據(jù)和控制指令的傳輸。天狼星無(wú)人機(jī)測(cè)圖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用發(fā)射電臺(tái)、MAVinci連接器、天線(xiàn)等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

1.6 發(fā)射與回收系統(tǒng)

發(fā)射與回收系統(tǒng)為無(wú)人機(jī)發(fā)射起飛、安全著陸提供保障。天狼星無(wú)人機(jī)采用手拋式起飛、自動(dòng)著陸，自動(dòng)駕駛輔助模式,手動(dòng)飛行3種模式滑翔，腹部著地降落飛機(jī)。

1.7 地面保障設(shè)備

地面保障設(shè)備包括運(yùn)輸保障設(shè)備和航攝作業(yè)保障設(shè)備。天狼星無(wú)人機(jī)的地面保障設(shè)備包括運(yùn)輸箱、維修包、地面基準(zhǔn)站，以保障設(shè)備運(yùn)輸安全和航攝精度高的性能指標(biāo)要求。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

變電站試驗(yàn)區(qū)位于浙江省杭州市某地，占地面積7.03 hm2，核心區(qū)地勢(shì)較平整，周邊均為山地。測(cè)區(qū)呈矩形，面積約19.4 hm2，高差約15 m，其中包括河流、道路、民房、耕地、電力線(xiàn)、鐵塔等地物類(lèi)型。如圖1所示。

圖1 工程范圍

2.2 工作流程

工作流程如圖2所示。

圖2 工作流程

2.3 數(shù)據(jù)獲取

利用天狼星無(wú)人機(jī)測(cè)圖系統(tǒng)MAVinci Desktop桌面軟件制定測(cè)區(qū)飛行計(jì)劃， 地面采樣距離6 cm，航向重疊度85%，最小航向重疊度75%，旁向重疊度65%，測(cè)區(qū)內(nèi)最高約50 m，最低約35m，飛行高度約300 m。根據(jù)以上參數(shù)設(shè)置，此次試驗(yàn)共飛行一個(gè)架次，飛行時(shí)間約20 min，獲取影像525張。利用MAVinci Desktop桌面軟件對(duì)影像進(jìn)行檢查篩選，獲得有效影像421張。

2.4 三維測(cè)圖應(yīng)用

將影像和POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入Agisoft Photoscan Pro后處理軟件，設(shè)置坐標(biāo)系統(tǒng)、中央子午線(xiàn)、投影方法、數(shù)據(jù)處理精度等相關(guān)參數(shù)，自動(dòng)化處理生成DOM、DSM、點(diǎn)云和三維實(shí)景模型等數(shù)據(jù)成果，數(shù)據(jù)成果如圖3、圖4所示。

圖3 DOM

圖4 三維實(shí)景模型

在測(cè)區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)10個(gè)檢核點(diǎn)，并在現(xiàn)場(chǎng)GPS信號(hào)穩(wěn)定、固定解狀態(tài)下通過(guò)RTK獨(dú)立測(cè)量?jī)纱?，將?shí)測(cè)三維坐標(biāo)與DOM、DSM成果圖上坐標(biāo)進(jìn)行比較，計(jì)算得出平面中誤差和高程中誤差，最終評(píng)定整個(gè)測(cè)區(qū)DOM的平面精度和DSM的高程精度見(jiàn)表2。

由表2各點(diǎn)較差計(jì)算可得：DOM平面中誤差為10.0 cm，DSM高程中誤差為14.8 cm，符合1∶2000比例尺測(cè)圖精度要求。

2.5 地理信息應(yīng)用

目前，筆者所在單位基于傾斜攝影測(cè)量的三維實(shí)景模型成果，利用三維地理信息平臺(tái)軟件，正在開(kāi)展電力行業(yè)三維實(shí)景地理信息應(yīng)用試驗(yàn)，已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了三維場(chǎng)景下的實(shí)景模型漫游、三維模型單體化管理、屬性?huà)旖?、信息查?xún)、視頻監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)分析等應(yīng)用功能，為變電站的運(yùn)維、監(jiān)控、培訓(xùn)等應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

表2 檢核點(diǎn)平面及高程精度表 m

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)變電站三維實(shí)景建模的需求，本文提出了一種基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的變電站三維實(shí)景模型重建方法。試驗(yàn)表明，由于拓普康天狼星無(wú)人機(jī)測(cè)圖系統(tǒng)的內(nèi)置實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分RTK模塊和免像控技術(shù)，以及數(shù)據(jù)后處理軟件自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，使用本方案可以大大節(jié)省外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理等工作量，而且成果精度完全滿(mǎn)足規(guī)范要求。

筆者下一步將深入挖掘變電站運(yùn)維、監(jiān)控、培訓(xùn)等方面需求，研究建立電力設(shè)施、項(xiàng)目管理等各類(lèi)專(zhuān)題信息數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)電力設(shè)施三維資產(chǎn)管理、工程管理、檢測(cè)分析、運(yùn)維管理等深度應(yīng)用功能，為電力部門(mén)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)一體化管理提供應(yīng)用服務(wù)。