鄭玉浩，于學(xué)超，朱慶鋼，任宗基，張 佳

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濰坊供電公司,山東 濰坊261000）

架空輸電桿塔主要分布在山區(qū)、農(nóng)田、河道附近等環(huán)境復(fù)雜條件中，且隨著河流沖刷、取土開挖或機(jī)械碰撞等因素，會(huì)發(fā)生桿塔基礎(chǔ)沉降、傾斜，嚴(yán)重將導(dǎo)致桿塔倒桿斷線危險(xiǎn)。快速準(zhǔn)確地測(cè)量架空輸電線路桿塔傾斜度成為線路安全運(yùn)行和檢修改造的重要參考指標(biāo)[1]。如何提高桿塔傾斜度測(cè)量的精確度和測(cè)量效率成為當(dāng)前亟待解決的問題。

傳統(tǒng)的桿塔傾斜度測(cè)量方法有鉛錘法、經(jīng)緯儀、全站儀和平面鏡測(cè)量等[2-3]。但是鉛錘法需登塔測(cè)量，且工具簡(jiǎn)陋，存在安全風(fēng)險(xiǎn)大、效率低問題；經(jīng)緯儀和全站儀操作步驟復(fù)雜，且需要多角度變換位置測(cè)量；平面鏡測(cè)量利用光學(xué)原理需設(shè)置多次調(diào)整平面鏡，計(jì)算結(jié)果需多次校核，精度較低。文獻(xiàn)[4]提出采用地面激光雷達(dá)掃描輸電線路鐵塔獲取桿塔傾斜度，實(shí)現(xiàn)了桿塔傾斜度的數(shù)字化分析，但是獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)由于噪點(diǎn)不可避免，需要準(zhǔn)確剔除無關(guān)點(diǎn)云，且現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備架站需求高，對(duì)河道內(nèi)桿塔無法靠近測(cè)量。文獻(xiàn)[5]提出采用無人機(jī)激光雷達(dá)進(jìn)行桿塔傾斜度精確測(cè)量，雖然解決了空間位置受限，但仍存在點(diǎn)云噪點(diǎn)剔除、高程渲染等操作?；谏鲜鰡栴}，本文提出一種基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的輸電桿塔傾斜度精確測(cè)量方法，該方法不受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響，且獲取的數(shù)據(jù)真實(shí)還原現(xiàn)場(chǎng)三維環(huán)境，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)可行性測(cè)量和比對(duì)試驗(yàn)，驗(yàn)證此方法測(cè)量效率高、精度高、實(shí)用性強(qiáng)。

1 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

1.1 傾斜攝影基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取

輸電線路無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是無人機(jī)搭載五向相機(jī)或支持傾斜拍照功能的單鏡頭相機(jī)航攝技術(shù)[6-7]。航攝相機(jī)從各個(gè)角度獲取目標(biāo)區(qū)域輸電線路桿塔本體和通道附著物垂直和傾斜影像及位置信息，云臺(tái)鏡頭朝下為正射，云臺(tái)鏡頭傾斜40°～60°拍攝為傾斜拍攝，如圖1所示。同時(shí)無人機(jī)POS數(shù)據(jù)記錄飛機(jī)拍照對(duì)應(yīng)的俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、航向角、地速等豐富信息，便于后期進(jìn)行差分?jǐn)?shù)據(jù)處理[8-10]。

圖1 相機(jī)正射和斜射位置分布

1.2 傾斜攝影數(shù)據(jù)模型重建特點(diǎn)

傾斜攝影數(shù)據(jù)模型重建是將正射和斜射照片進(jìn)行影像拼接處理的全過程。處理過程主要概括為3步。第一步：影像重疊度、像片傾角和旋角、像點(diǎn)位移糾正。第二步：聯(lián)合平差，對(duì)相片進(jìn)行空中三角測(cè)量。第三步：重建多維融合模型包括DOM、DSM、DEM、數(shù)字點(diǎn)云等數(shù)據(jù)模型[11]。圖2為無人機(jī)數(shù)據(jù)處理流程圖。生成的三維實(shí)景模型具有三維可量測(cè)特性。

圖2 傾斜攝影數(shù)據(jù)處理流程圖

桿塔實(shí)景三維模型精確反應(yīng)本體及通道輪廓基本特征，原比例還原現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景，細(xì)節(jié)部分沒有顯著的拉伸變形或紋理漏洞。

模型坐標(biāo)和位置準(zhǔn)確，與無人機(jī)航拍影像一一對(duì)應(yīng)。

除了生成三維實(shí)景模型，還派生出現(xiàn)場(chǎng)無法肉眼可見的地表起伏變化模型和三維點(diǎn)云模型，信息豐富。

2 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)由無人機(jī)、任務(wù)載荷、航攝數(shù)據(jù)處理3部分組成。

2.1 機(jī)型選擇

當(dāng)前輸電線路常用于傾斜攝影無人機(jī)應(yīng)具備RTK精度定位，主要有多旋翼、固定翼、垂起固定翼。多旋翼采用四旋翼或8旋翼無人機(jī)，如大疆精靈4 RTK、經(jīng)緯M300 RTK搭載P1或H20系列高清鏡頭，固定翼采用垂起固定翼，如成都縱橫CW系列、武漢易瓦特、深圳飛馬等。

多旋翼特點(diǎn)：飛行高度相對(duì)安全，操作簡(jiǎn)單；低空拍攝，采集精度高；起降便利，對(duì)場(chǎng)地要求不高；飛行速度慢，續(xù)航時(shí)間短，作業(yè)面積有限。

固定翼特點(diǎn)：飛行高度相對(duì)較高，需要空域申請(qǐng)；高空拍攝，影像分辨率有限；起降區(qū)要求空曠，受環(huán)境限制；飛行速度快，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，作業(yè)效率高。

2.2 任務(wù)荷載

任務(wù)荷載是傾斜攝影的影像采集裝置，包括多鏡頭和單鏡頭相機(jī)。多鏡頭相機(jī)用于前、后、左、右、下5個(gè)方位影像同時(shí)獲取，作業(yè)效率高。單鏡頭相機(jī)根據(jù)框選區(qū)域自動(dòng)規(guī)劃五向航線、井字航線或者蛇形航線，按照飛行航線獲取正射和四面照片。

任務(wù)荷載參數(shù)決定建模的質(zhì)量和精度，主要包括：影像分辨率、影像重疊度、相機(jī)曝光值、飛行速度。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是生成三維實(shí)景模型的關(guān)鍵步驟，輸電線路常用的三維場(chǎng)景數(shù)模型數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)有Pix4D mapper 4、DJI Terra和Smart 3D等三維建模軟件。主要采用空中三角測(cè)量解算方法。導(dǎo)入航攝影像和POS數(shù)據(jù)，經(jīng)過點(diǎn)云匹配、點(diǎn)云構(gòu)網(wǎng)、無縫紋理映射等步驟，實(shí)現(xiàn)地面景物的逼真實(shí)景真三維重構(gòu)。后期可以人工修補(bǔ)、矯正。

表1 任務(wù)荷載主要參數(shù)

影像預(yù)處理。影像編號(hào)和對(duì)應(yīng)的POS數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，檢查拍照質(zhì)量，確認(rèn)影像沒有變形、扭曲等現(xiàn)象，對(duì)不符合要求的影像進(jìn)行修復(fù)，按照一定的規(guī)則對(duì)影像與POS數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)。

空三加密。在影像上刺像控點(diǎn)，采用光束法得到加密圖像點(diǎn)云。

影像密集匹配。自動(dòng)匹配影像重疊部分的同名點(diǎn)，根據(jù)特征點(diǎn)進(jìn)行疊加，得到大量三維實(shí)景點(diǎn)云細(xì)節(jié)。

紋理自動(dòng)映射。點(diǎn)云構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，再生成未上色的高程模型，通過紋理自動(dòng)映射到高程模型上最終形成實(shí)景三維模型。

3 桿塔傾斜測(cè)量

工程測(cè)量中，桿塔傾斜度為塔頂中心與塔基中心偏離值與桿塔全高的比值，顯然，找到塔基中心最大偏離值，即可確定桿塔傾斜度。桿塔三維傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用于桿塔測(cè)量需要解決的是桿塔三維實(shí)景模型的建立和桿塔頂、塔基中心的測(cè)量。

塔基絕對(duì)水平面通過連接桿塔4個(gè)塔角對(duì)角線連線，交點(diǎn)即為塔基中心O點(diǎn)。

桿塔頂部中心點(diǎn)通過連接桿塔頂部橫線路方向頂點(diǎn)到對(duì)側(cè)塔頂頂點(diǎn)“十”字相交確定塔頂中心點(diǎn)O1。

連接塔基中心O點(diǎn)和塔頂中心點(diǎn)O1，測(cè)出桿塔全高Q、桿塔垂直方向高度H和桿塔水平偏移距離S；

計(jì)算桿塔傾斜度為

式中：S為傾斜值，mm；H為桿塔全高，mm；Q為桿塔傾斜度，%。

依據(jù)GB 50233—2014《110 kV～750 kV架空輸電線路施工及驗(yàn)收規(guī)范》，桿塔組立及架線施工后，其允許偏差應(yīng)符合表2的規(guī)定。

表2 桿塔組立的允許偏差

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

4.1 測(cè)試方案

4.1.1 機(jī)型及飛行指標(biāo)

經(jīng)緯M300 RTK+P1鏡頭。

表3 經(jīng)緯M300 RTK傾斜攝影主要性能指標(biāo)

4.2.2 重建結(jié)果

濰坊市220 kV某線路#36塔現(xiàn)場(chǎng)巡視過程發(fā)現(xiàn)桿塔傾斜嚴(yán)重，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行無人機(jī)三維傾斜測(cè)量，桿塔性質(zhì)直線鋼管桿，塔全高77 m，桿塔走向東西方向，飛行間隔設(shè)置20 m，自動(dòng)生成5條航線，分別是下、前、后、左和右，默認(rèn)拍照數(shù)量512張。生成三維模型投影面積417083.8 m2，三維傾斜模型內(nèi)存43.9 G。三維傾斜模型投影面積和擬合面積效果如圖3所示。

圖3 三維傾斜模型效果及測(cè)量

建模效果：地表道路效果很好，桿塔細(xì)節(jié)建模效果一般，導(dǎo)線有部分缺失，不影響桿塔傾斜度測(cè)量精度。

現(xiàn)場(chǎng)采用地面激光雷達(dá)測(cè)量?jī)A斜結(jié)果如圖4所示。

圖4 激光雷達(dá)重建結(jié)果

傾斜度測(cè)量結(jié)果為S值7.2 m，傾斜度為4.67%。將上述數(shù)據(jù)分別代入利用公式分別計(jì)算出桿塔傾斜度，并與設(shè)計(jì)值對(duì)比，如表4所示。

表4 桿塔傾斜度測(cè)量誤差

三維傾斜測(cè)量順線路方向測(cè)量?jī)A斜值S1為51 m，橫線路方向測(cè)量值為52 m，傾斜度測(cè)量結(jié)果為4.51%，誤差0.02 m。精確度達(dá)99.8%。

可見本文提出的三維傾斜攝影測(cè)量桿塔傾斜度方法可用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，精度滿足工程需求。

3 結(jié)論

本文提出了一種三維傾斜實(shí)景模型下桿塔傾斜度測(cè)量方法，重點(diǎn)研究了輸電桿塔傾斜攝影步驟、三維實(shí)景模型建立和傾斜度測(cè)量。為了驗(yàn)證該方法的有效性，以濰坊市220 kV線路典型傾斜桿塔進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明了無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在輸電桿塔傾斜度測(cè)量方法有效性，與傳統(tǒng)傾斜度測(cè)量相比較，三維實(shí)景效果好，數(shù)字化測(cè)量更具體，能夠滿足桿塔運(yùn)維要求。