周宏輝，汪從敏，江 炯，王 群

（國網浙江省電力有限公司寧波供電公司，浙江 寧波 315010）

0 引言

隨著數(shù)據(jù)采集技術的進步以及遙感技術的發(fā)展[1-2]，利用無人機搭載多傳感器獲取多源數(shù)據(jù)已經成為可能[3]。利用機載多傳感器系統(tǒng)進行電力巡線是近年來國內外應用較為廣泛的一項技術[4]。

目前國內多數(shù)電力公司建設了基于二維地理信息的電網管理系統(tǒng)[5]，但是傳統(tǒng)的二維平臺系統(tǒng)無法滿足無人機輸電線路巡線的數(shù)據(jù)瀏覽，尤其是根據(jù)多基線影像的實景建模數(shù)據(jù)[6-8]，因此需要提供一種三維可視化的管理平臺[9-10]，將不同時間、不同航線的巡線路徑進行統(tǒng)一管理，同時需要提供一種將多尺度、多分辨率、多源空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)相集成的方法[11]。

本文以GIS（地理信息系統(tǒng)）為基礎，結合實際項目，以寧波市某輸電線路為試點，利用空間地理信息技術，整合輸電線路資料，構建基于GIS的輸電線路無人機巡檢管理平臺，極大地提高了輸電線路無人機巡檢作業(yè)的能力和效率[12-13]。

1 平臺構建邏輯

目前無人機視距內及超視距巡視、基于無人機巡視的通道缺陷分析和樹障分析已在寧波供電公司全面展開，輸電線路無人機巡檢管理平臺作為核心環(huán)節(jié)，實現(xiàn)缺陷發(fā)現(xiàn)、上報、分析、消缺的閉環(huán)鏈條是設計的基本出發(fā)點。

針對無人機巡檢任務多、巡檢資料雜、人工干預量大等特點，本文提出一種基于Laravel的無人機巡線管理系統(tǒng)框架，以此為基礎，構建了無人機巡檢管理平臺，構建邏輯如圖1所示。平臺涵蓋了圖層管理、實景模型、桿塔管理、線路管理、巡視任務管理、巡視視頻回放、巡視照片管理等內容，實現(xiàn)基于試驗線路的無人機智能巡檢作業(yè)和流程化管理，以及巡檢資料的精確化、可視化管理。

圖1 無人機巡檢管理平臺構建邏輯

2 核心技術分析

2.1 實景模型可視化

無人機攜帶多傳感器能夠快速獲取輸電線路三維走廊地形、地貌的實景數(shù)據(jù)。實景數(shù)據(jù)由于真實度高，通常數(shù)據(jù)量較大。因此，需要通過一種適合網絡發(fā)布使用的格式和協(xié)議對其進行解析和渲染，WebGL是理想的選擇。

WebGL是一種3D繪圖協(xié)議，這種繪圖技術標準通過增加OpenGL ES 2.0的一個JavaScript綁定，為HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，使平臺數(shù)據(jù)呈現(xiàn)效率、兼容性大幅提高。

利用市場上成熟的實景模型生產軟件如ContextCapture，Pix4D，PhotoMesh等，將無人機獲取的大量航拍數(shù)據(jù)制作成實景模型數(shù)據(jù)格式（如OSGB），并對其進行Lod（多細節(jié)層次）處理。Lod策略并沒有固定模式，可以根據(jù)實際需求對數(shù)據(jù)進行處理。本文采用標準四叉樹策略進行數(shù)據(jù)分層，如圖2所示。

Lod后的數(shù)據(jù)結構如圖3所示，可以看出Lod后數(shù)據(jù)量更小，結構更優(yōu)化，適用于進行大面積的網絡請求和發(fā)布。借助WebGL技術的特性，即可對模型進行逐個讀取和渲染。采用ThreeJS引擎加載的片段代碼如圖4所示。

圖2 四叉樹分割

圖3 Lod后的數(shù)據(jù)結構

圖4 ThreeJS加載代碼

2.2 Laravel框架模式

Laravel是一套簡潔、優(yōu)雅的PHP（一種通用開源腳本語言）Web開發(fā)框架。Laravel充分運用了PHP面向對象的特性和軟件工程的思想，采用組件式開發(fā)，應用composer進行安裝和管理，具備優(yōu)雅、可讀性強的代碼風格，是當今PHP領域最流行的框架之一。

利用Laravel的框架模式，在平臺架構中引入MVC（一種軟件設計典范）的設計模式，即把軟件分為模型、視圖、控制器3個部分，如圖5所示。

由于巡檢業(yè)務的變化性和復雜性，利用MVC模式，將表現(xiàn)層與邏輯代碼進行分離，從而使軟件可以應對不同的業(yè)務模型。

圖5 MVC設計模式

將底層的數(shù)據(jù)表、業(yè)務表及對表的邏輯操作封裝到一個個獨立的模型中，利用視圖的刷新機制監(jiān)視模型中數(shù)據(jù)的變化，利用控制器控制整個業(yè)務流程的組織，如圖6所示。

圖6 業(yè)務流程

基于這種設計，可以將輸電線路巡檢的業(yè)務模型和地理信息數(shù)據(jù)可視化相結合，對其進行具象化的表達，如影像管理、巡線通道三維模型管理、巡檢視頻巡檢管理、巡檢照片巡檢管理、無人機設備管理、巡檢線路管理等，使業(yè)務模型與GIS分離，將耦合性降至最低。

2.3 空間變換模型

為了將無人機采集的精確坐標位置反映到巡檢管理平臺中，還需要將三維空間模型變換到顯示屏幕。三維模型變換到二維屏幕上需要經過模型位置變換、觀察視角（相機視角）變換以及投影方式變換，分別對應模型變換矩陣M、視角變換矩陣V和投影變換矩陣P。其變換表達式為：

式中：向量v為模型在原三維空間下的頂點坐標；向量p為其在顯示屏幕上的坐標；矩陣M包含模型頂點在三維空間下的位置變換；矩陣V包含三維模型向相機或視點的變換；矩陣P包含視點采用的投影方式，三維空間中通常采用透視投影。矩陣V和矩陣P通常由加載解析模型的運行環(huán)境設置，矩陣M一般保存在存儲模型的數(shù)據(jù)文件中。當需要使模型進行空間移動翻轉等位置變換時，需要重新計算矩陣M的值，這也是使模型在三維空間中運動或者改變位置的關鍵點。

2.4 坐標系統(tǒng)變換

進行空間變換后，應將輸電線路的三維通道模型與地球模型坐標融合，就需要進行坐標系統(tǒng)變換。一般將以球心為原點的坐標定義為球心坐標，將以球面任意一點為原點的坐標定義為局部坐標。如圖7所示，局部坐標為NED（北東地）坐標系統(tǒng)。

圖7 坐標系統(tǒng)關系

為了解決球心坐標和局部坐標之間的變換，需要對模型坐標原點進行旋轉和平移，這里通過矩陣變換來實現(xiàn)，如圖8所示。

圖8 坐標系統(tǒng)變換

假設對應的笛卡爾坐標為（X，Y，Z），兩者結合得出矩陣的計算公式見式（2），依次為正東單位向量、正北單位向量、上單位向量和坐標原點值：

3 系統(tǒng)總體設計

3.1 系統(tǒng)架構

根據(jù)前文所述，本系統(tǒng)采用MVC的應用模式，構建B/S（瀏覽器-服務器）系統(tǒng)架構，利用Laravel建立完整的無人機巡線管理流程，利用天地圖空間框架體系，建立一個多尺度、多分辨率、多源空間數(shù)據(jù)的無人機巡檢管理平臺框架，如圖9所示。整個框架結構包括接入層、應用服務層、系統(tǒng)服務層、工具層、數(shù)據(jù)層、基礎設施層、規(guī)范體系和安全保障體系8個層次，它們構成了一個有機的整體。

接入層是交互層。系統(tǒng)是一個門戶網站，用戶通過網頁瀏覽器實現(xiàn)對系統(tǒng)所提供服務的接入。

應用服務層是系統(tǒng)所提供的各種應用服務，包括圖層管理、實景模型瀏覽與加載、線路管理、任務管理等功能。

系統(tǒng)服務層是訪問底層接口的基礎，實現(xiàn)如數(shù)據(jù)疊加、數(shù)據(jù)管理等服務。

工具層是在數(shù)據(jù)入庫和系統(tǒng)服務發(fā)布過程中涉及和使用到的功能，包括數(shù)據(jù)編譯、數(shù)據(jù)發(fā)布、數(shù)據(jù)管理等。

數(shù)據(jù)層是整個系統(tǒng)的基礎。數(shù)據(jù)層包括基礎數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)2個部分，各個數(shù)據(jù)庫可以實行分布式部署和統(tǒng)一化管理。

基礎設施層是數(shù)據(jù)及其應用的基礎支撐環(huán)境。通過專線網絡、服務器等設施，實現(xiàn)對軟件、數(shù)據(jù)等層面的整合和應用。

數(shù)字城市空間框架指本系統(tǒng)對應接入的天地圖空間框架。

安全保障體系是指本系統(tǒng)建設過程中建立的安全保障機制。

3.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型設計

前文提及，利用MVC模式將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)封裝成獨立的模型類，并將對其的操作邏輯同樣封裝成模型。巡檢平臺系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務劃分主要包括輸電線路表、電力塔表、飛行任務表、巡檢記錄表、巡檢線路表、巡檢視頻表、巡檢照片表等。其主要模型邏輯關系如圖10所示。

從模型關系上可以看出，巡檢平臺的數(shù)據(jù)核心是輸電線路數(shù)據(jù)，巡檢主要業(yè)務都是圍繞輸電線路展開，其中包括輸電線路的管理、基于線路的飛行任務管理、基于飛行任務的軌跡管理、基于飛行任務的成果管理等。

3.3 系統(tǒng)主要功能設計與實現(xiàn)

以寧波地區(qū)某2條220 kV架空輸電線路為試驗區(qū)域，完成系統(tǒng)的主要功能設計與實現(xiàn)。

（1）圖層管理。包括底圖切換、地圖定位、數(shù)據(jù)展示。

圖9 無人機巡檢管理平臺框架

圖10 模型關系示意

1）底圖切換。依托天地圖，能夠任意切換衛(wèi)星影像圖和電子地圖作為系統(tǒng)底圖。

2）數(shù)據(jù)展示。直接在地圖上顯示出試驗線路的地理范圍，可以在影像上瀏覽線路全貌，實現(xiàn)輸電線路和位置信息的可視化一張圖。

3）線路定位。根據(jù)線路名稱，自動在地圖上定位到試驗線路，改變傳統(tǒng)線路列表管理方式，以地圖為入口對輸電線路檔案進行靈活調閱，系統(tǒng)界面如圖11所示。

圖11 線路定位

（2）輸電線路實景模型加載與管理。利用網絡瓦片式加載方式請求體量較大的輸電線路實景模型，系統(tǒng)界面如圖12所示。

圖12 實景模型

（3）桿塔管理。包括名稱快速檢索、圖形直接查閱、巡檢資料查看，系統(tǒng)界面如圖13所示。

1）名稱快速檢索。根據(jù)桿塔名稱，進行快速檢索，并在第一時間定位到地圖上正確位置。

2）圖形直接查閱。點擊地圖上桿塔圖形，可以快速調閱桿塔檔案數(shù)據(jù)資料。

3）巡檢資料查看。直接獲取該電力塔相關巡檢作業(yè)的巡檢照片等，方便管理。

圖13 桿塔管理

（4）任務管理。包括對無人機作業(yè)進行任務流程建立、任務實施、任務結果查詢，系統(tǒng)界面如圖14所示。

圖14 任務管理

（5）巡檢照片管理。基于電力桿塔的精確位置對巡檢照片進行對象化管理，系統(tǒng)界面如圖15所示。

圖15 巡檢照片管理

（6）巡線視頻管理?；趩螚l飛行任務進行巡線視頻的數(shù)據(jù)管理。可在同屏查閱與對比輸電線路三維通道數(shù)據(jù)和GIS地圖二維線路數(shù)據(jù)，系統(tǒng)界面如圖16所示。

圖16 巡線視頻管理

無人機巡檢管理平臺的構建，使得無人機巡視作業(yè)與通道缺陷及樹障分析工作站可以無縫連接，打通了無人機巡視的缺陷發(fā)現(xiàn)、上報、分析、消缺處理鏈條，實現(xiàn)了基于試驗線路的無人機智能巡檢作業(yè)和流程化管理，實現(xiàn)了巡檢資料的精確化、可視化管理，無人機輸電線路巡檢效率及質量均得到了顯著提升。

4 結語

本文討論了在輸電線路無人機巡檢作業(yè)中利用GIS技術建設無人機巡檢管理平臺，對其中的系統(tǒng)框架、數(shù)據(jù)建庫以及功能開發(fā)進行了設計與實現(xiàn)。在如今“互聯(lián)網+”盛行的大背景下，利用GIS實現(xiàn)真實場景與虛擬對象在空間上的有機融合，圖形化展示輸電線路的空間地理分布信息，同時將巡檢任務與巡檢數(shù)據(jù)納入系統(tǒng)管理維護中，對開展大規(guī)模輸電線路無人機自助巡檢具有重要的研究意義。