陸士好, 程 昌, 駱元鵬, 楊化超

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國電力工程顧問集團中南電力設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430000)

近年來，隨著數(shù)字信息時代的到來，全方位的城市數(shù)字化已經(jīng)成為城市現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。三維數(shù)據(jù)由于能夠更直觀、更真實、更精細的展現(xiàn)地物空間位置和地理面貌，已經(jīng)成為建設(shè)數(shù)字城市的重要基礎(chǔ)[1]。目前，重建地物的三維信息的方法主要有人工建立虛擬模型、三維激光掃描技術(shù)和傾斜攝影測量技術(shù)等[2]。其中傾斜攝影測量是利用無人機平臺搭載具有不同視角的多鏡頭傳感器對地物進行攝影[3-5]，可快速地重建出地物的實景三維模型，現(xiàn)已成為獲取地物三維信息的重要手段。為了生成更加精細的實景三維模型，相關(guān)研究人員通過不斷提高傳感器性能、優(yōu)化無人機飛行航線以及后期的修模等手段來提高模型的精細化程度[6]。通過這種方法對實景三維模型的幾何、紋理方面做出了較大改善。但由于傾斜攝影測量自身的局限性，通過改善傳感器性能和優(yōu)化飛行方式在高壓輸電線路這種高聳、細長的物體三維重建中仍然會出現(xiàn)模型缺失、扭曲的問題，這些問題使我們無法準(zhǔn)確的獲取輸電線路的幾何信息，也就無法通過模型修飾來達到模型精細化。機載LiDAR(Light Detection and Ranging)作為一門新興的測繪技術(shù)，因其高效率、高精度的作業(yè)模式被廣泛運用于電力巡檢中[7-9]，利用機載LiDAR獲取輸電線路的點云，進而獲取高壓輸電線路精確的幾何信息。因而，本文在高壓輸電線路的精細化建模中，提出了基于傾斜攝影測量和機載LiDAR點云的多源數(shù)據(jù)，分別獲取高壓輸電線路的地形信息和幾何信息[10]，通過3ds Max軟件利用點云來構(gòu)建精細的高壓輸電線路三維模型替換傾斜攝影模型中的相應(yīng)部分，從而實現(xiàn)高壓輸電線路實景三維模型精細化的目的。

1 研究方法與技術(shù)路線

本文的總體技術(shù)流程如圖1所示。在研究區(qū)大場景中采用建模速度快、成本較低的傾斜攝影測量技術(shù)構(gòu)建三維模型[11]。通過對采集的地物影像進行影像匹配、空三加密、構(gòu)建TIN模型、紋理映射等一系列關(guān)鍵技術(shù)生成實景三維模型，然后針對實景三維模型中高壓輸電線路出現(xiàn)的模型缺失、扭曲現(xiàn)象，利用機載LiDAR對場景中的高壓輸電線路進行掃描，對采集的激光點云進行拼接、濾波等預(yù)處理后導(dǎo)入3ds Max軟件進行1:1精確恢復(fù)高壓輸電線路模型，最后將該模型用DP-Modeler替換到實景三維模型中，完成基于多源數(shù)據(jù)的高壓輸電線路精細化模型構(gòu)建。最后對所構(gòu)建的精細化模型的優(yōu)化效果進行定性分析和定量評定，驗證通過該方法可以有效的改善傾斜攝影測量中高壓輸電線路模型缺失、扭曲的現(xiàn)象，提高模型精度。

圖1 總體技術(shù)流程

2 基于多源數(shù)據(jù)的高壓輸電線路精細化建模

2.1 基于傾斜攝影的高壓輸電線路三維模型構(gòu)建

無人機傾斜攝影技術(shù)適用于大范圍的三維場景。研究區(qū)選取在宿州市錢營孜煤礦的部分區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的高壓輸電線路錯綜復(fù)雜且其他地物較少，便于數(shù)據(jù)采集。航攝面積約為5 km2，數(shù)據(jù)獲取設(shè)備如圖2所示，采用大疆M600搭載賽爾五鏡頭傾斜相機系統(tǒng)。該相機的圖像分辨率為6 000×4 000，相機焦距為10 mm，同時從垂直和4個傾斜視角對地物進行拍攝。數(shù)據(jù)采集方法是采用Z字的飛行模式，航向重疊率為80%，旁向重疊率為70%，相對航高為100 m，地面分辨率為2.82 cm,共獲取158 742張影像。

圖2 傾斜攝影測量拍攝設(shè)備

在對研究區(qū)的地質(zhì)地貌有了充分了解后對像控點進行有選擇性的布設(shè)，控制點選取在穩(wěn)固、清晰的特征點上或進行人工布設(shè)[12-14]，像控點采集設(shè)備是海星達iRTK5，采用RTK進行像控點的三維坐標(biāo)采集，共采集了83個像控點。

本實驗采用的內(nèi)業(yè)攝影測量處理軟件是瞰景Smart3D 2019,該軟件強大的空三能力和建模速度極大便利了三維模型構(gòu)建。其模型構(gòu)建具體操作如下：(1)分區(qū)空三。由于照片數(shù)量較多，電腦硬件無法支持如此多的照片一次空三，可以利用該軟件的分區(qū)空三計算功能，保證各個分區(qū)具有足夠的重疊區(qū)域，然后依次對各個分區(qū)進行空三計算，最后合并各個分區(qū)空三。(2)添加控制點。將RTK采集的像控點坐標(biāo)按照規(guī)定的格式導(dǎo)入瞰景Smart3D 2019中，然后根據(jù)布設(shè)像控點的點之記在航攝像片中找到對應(yīng)的特征點，依次加入各個像控點。最后再進行一次空三加密，完成控制網(wǎng)平差。(3)輸出模型。該軟件的自動化程度較高，只需根據(jù)需要選擇相應(yīng)的三維模型格式提交任務(wù)，就可以得到想要的成果數(shù)據(jù)，軟件后臺自動完成三維TIN構(gòu)建、生成白膜、紋理映射等[15]。

建模完成后，對模型邊緣非研究區(qū)域的拉花進行裁剪，對水面和建筑物出現(xiàn)的漏洞利用DP-Modeler進行修補。該研究區(qū)域的傾斜攝影測量模型成果如圖3所示。由圖可知，通過傾斜攝影構(gòu)建的高壓輸電線路模型中電線塔有著很嚴重的缺失和扭曲的幾何錯誤現(xiàn)象，電力線也出現(xiàn)中斷的問題，無法達到高壓輸電線路精細化建模的要求。

圖3 傾斜攝影測量建模成果

2.2 基于激光點云的高壓輸電線路三維模型構(gòu)建

機載LiDAR是集GPS、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、激光測距及高分辨率航拍相機于一體的新興測繪儀器[6]。該儀器可以通過慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS獲取無人機飛行時的平臺姿態(tài)信息和空間三維信息，并通過高分辨率航拍相機獲取地物影像，從而使獲得的點云具有真彩色信息[5]。激光雷達系統(tǒng)為獲取地物的空間三維信息提供了強大助力。

本實驗使用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備如圖4所示。機載LiDAR設(shè)備是海達數(shù)云ARS-450i，無人機飛行平臺采用的是大疆M600?？紤]到高壓輸電線路的走向和飛行效率，機載LiDAR掃描的飛行方向與輸電線路平行，航線條數(shù)為4，保證機載LiDAR獲得的點云數(shù)據(jù)的旁向重疊度在40%～50%，飛行高度為80 m。

圖4 激光點云采集設(shè)備

將獲得的點云進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。主要包括兩部分，激光點云數(shù)據(jù)的處理以及3ds Max構(gòu)建高壓輸電線路模型。激光點云的預(yù)處理主要是利用航飛過程中的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS等各項參數(shù)進行各個激光點的三維坐標(biāo)解算，對解算后的點云分離空中噪點和濾波處理，然后將輸電線路從整體點云中分離出來，分離時可以將點云在高程條件下顯示，此時不同高程的點云具有不同的色彩，可以清晰的觀察到電力線和塔桿的輪廓信息，通過人工可以將輸電線路分離出來。如圖5所示，(a)、(b)、(c)為研究區(qū)三種典型的電線塔的點云數(shù)據(jù)。將獲得的電線塔點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入3ds Max，從點云數(shù)據(jù)中獲得其幾何信息，通過3ds Max構(gòu)建電線塔的精細化模型。重建的模型效果如圖5(d)、(e)、(f)所示。最后，相鄰的電線塔用電力線連接。由于航攝時飛行高度較高和輸電線路高聳、細長的特點，從航攝影像中提取紋理對3ds Max所建模型進行紋理貼圖時效果較差，所以為了增強電力塔、電力線等的視覺效果，對電力塔和電力線單獨賦色，結(jié)果如圖6所示，黃色的為電力線，灰色的為電力塔。

圖5 基于激光點云的不同類型電線塔建模成果

圖6 基于激光點云的高壓輸電線路建模成果

2.3 不同數(shù)據(jù)源的高壓輸電線路模型融合

傾斜攝影測量模型在高壓輸電線路上存在嚴重的模型缺失、扭曲現(xiàn)象。而通過機載LiDAR獲得的點云所建高壓輸電線路模型的地形信息又沒有傾斜攝影模型直觀。為此，將通過機載LiDAR獲得的高壓輸電線路3ds Max模型與攝影測量模型進行融合。其具體處理方法如下：(1)導(dǎo)出obj格式模型。在3ds Max中把高壓輸電線路模型導(dǎo)出為obj格式，注意在導(dǎo)出時要將3ds Max 中模型中心坐標(biāo)歸于0。(2)攝影測量模型中的高壓輸電線路踏平。通過DP-Modeler將高壓輸電線路刪除，將刪除后產(chǎn)生的空洞進行修補和紋理修飾。(3)將3ds Max模型導(dǎo)入攝影測量模型中。利用DP-Modeler將3ds Max模型以絕對坐標(biāo)導(dǎo)入攝影測量模型中，再通過旋轉(zhuǎn)模型使攝影測量模型與3ds Max模型精確套合。

基于傾斜攝影測量和機載LiDAR的高壓輸電線路精細化建模結(jié)果如圖7所示，從建模結(jié)果可以清晰的看出，通過該方法構(gòu)建出來的高壓輸電線路模型消除了傾斜攝影模型缺失和扭曲問題。在研究區(qū)內(nèi)通過全站儀采集了高壓輸電線路中的14個檢查點，將這14個檢查點分別在傾斜攝影模型和精細化模型中統(tǒng)計其偏差，如圖8所示。其中傾斜模型的平面中誤差為±8.23 cm，高程中誤差為±11.89 cm；精細化模型的平面中誤差為±3.12 cm，高程中誤差為±4.67 cm。精度得到較大改善，實現(xiàn)了高壓輸電線路模型精細化的目的。

圖7 高壓輸電線路精細化模型

圖8 檢查點基于兩種模型的精度統(tǒng)計

3 結(jié) 論

無人機傾斜攝影測量因其低成本、高效率、高精度成為大場景三維建模的首選方法。本文根據(jù)其在高壓輸電線路建模中出現(xiàn)的問題，提出了基于傾斜攝影測量和機載LiDAR的高壓輸電線路模型精細化方法，對高壓輸電線路實景模型精細化具有重要參考意義。但是，該方法也存在明顯不足，一是要獲取傾斜影像和點云數(shù)據(jù)需要兩次飛行，增加了外業(yè)的工作量；二是雖然建模效率有所提高，但和傾斜攝影測量相比，建模時間增加[16]。因此在建設(shè)高壓輸電線路的三維模型時，要根據(jù)需要綜合選擇輸電線路的三維建模方式。