楊梓瀚

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司汕頭供電局，廣東汕頭,515000）

0 引言

近年來，數(shù)字孿生電網(wǎng)的建設(shè)逐步推進(jìn)[1]，構(gòu)建電網(wǎng)設(shè)備三維模型，對數(shù)字孿生電網(wǎng)的支撐作用將愈加明顯。利用成熟于測繪領(lǐng)域的傾斜攝影航測技術(shù)，采用空間三角測量學(xué)解算方法，生成電網(wǎng)設(shè)備三維模型的方式，可高效產(chǎn)出具有還原度高、可使用性強、功能拓展性廣泛等眾多優(yōu)勢的設(shè)備三維模型。當(dāng)下，傾斜攝影[2]運用于輸配電線路建模，已逐步普及，但對于變電設(shè)備的三維實景建模，則尚且鮮有涉足。本文嘗試提出一種變電站傾斜攝影建模方法。

1 電網(wǎng)設(shè)備傾斜攝影建模應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 輸電線路傾斜攝影實景建模應(yīng)用現(xiàn)狀

傾斜攝影用于構(gòu)建城市、工廠、農(nóng)田等區(qū)域的三維實景，是一項測繪領(lǐng)域的技術(shù)，目前已趨于成熟。三維實景模型在輸電設(shè)備運行、維護(hù)、巡檢、生產(chǎn)管理等方面，大大提高了信息化、智能化生產(chǎn)水平，帶來了輸電線路運檢的減負(fù)增效，甚至推動了生產(chǎn)組織模式優(yōu)化[2-3]。

1.2 變電設(shè)備傾斜攝影的應(yīng)用前景

與輸電線路類似，變電站傾斜攝影建模，是變電站數(shù)字孿生的重要實現(xiàn)方式之一，其具有以下兩方面的優(yōu)勢。從功能上，變電站傾斜攝影三維實景模型，具有真實的設(shè)備外觀，清晰可見的設(shè)備編號，厘米級誤差的位置精度，在生產(chǎn)中應(yīng)用于設(shè)備管理、施工管理、生產(chǎn)過程管控、仿真演練及培訓(xùn)，起到重要支撐作用。從成本上，基本僅需一次性購置采集設(shè)備、建模軟件、工作站等軟硬件，建模過程的自動化水平高，人工干預(yù)少，因此生產(chǎn)成本低廉，并且模型生產(chǎn)周期也較短。

1.3 變電設(shè)備傾斜攝影建模的技術(shù)問題

一般的無人機傾斜攝影技術(shù)，主要是利用無人機搭載航測相機，在高空從多角度采集設(shè)備，而由于航拍高度較高，此種方法生成的三維模型，不利于對變電設(shè)備復(fù)雜結(jié)構(gòu)、局部細(xì)節(jié)的復(fù)現(xiàn)，并且，這些需要復(fù)現(xiàn)的細(xì)節(jié)，在后續(xù)模型功能的使用中十分重要。因此，如直接將一般的傾斜攝影航測方法應(yīng)用于變電站三維實景建模，通?；虿荒軡M足變電站無人機作業(yè)的安全要求，或不能達(dá)到理想的建模效果，因此該方式尚且鮮有涉足。

1.4 變電站傾斜攝影建模的主要思路

根據(jù)上文所述，變電站傾斜攝影建模方法，務(wù)必需要滿足變電站無人機安全飛行的要求，又需提高模型精細(xì)度。因此，可以認(rèn)為，變電站無人機傾斜攝影，主要就是解決如何使無人機飛得更低、更貼近設(shè)備的同時，又保證飛行安全的問題。

為此，本文提出如下構(gòu)想（圖1）：先使用一般的傾斜攝影建模方法，在高空對變電站全站進(jìn)行航測建模，得到一個初步的模型（后文簡稱“粗模”），在粗模上規(guī)劃無人機自動航線，利用驗證過的、安全可靠的自動航線，在更低的高度、更貼近設(shè)備的距離，采集設(shè)備近照，最后將高空、低空航測的照片共同用于建模解算，得到變電站的精細(xì)模型（后文簡稱“精?！保?。下面，本文將對此方案展開詳述。

圖1 變電站無人機傾斜攝影建模主要流程

2 安全技術(shù)介紹

2.1 安全優(yōu)先原則

變電站的無人機航測，應(yīng)同時兼顧飛行安全以及航測精度，但在安全與精度存在矛盾時，應(yīng)按照優(yōu)先考慮安全因素的原則。例如：建模精度不足時，優(yōu)先考慮使用更長焦距的鏡頭，而不是通過降低飛行高度提升精度。

2.2 自動駕駛優(yōu)先原則

由于變電站的特殊性，手動駕駛無人機航測作業(yè)，對飛手的操作要求較高，勞動強度也更大，帶來一定安全風(fēng)險。因此，航測無論是高空或低空，均優(yōu)先采用自動航線，通過航線控制無人機避開有電設(shè)備、構(gòu)（建）筑物等障礙物。手動駕駛僅用于緊急情況下飛機操作收回。

2.3 自動航線驗證方法

由于高精度的航測，需要使用的無人機尺寸往往會超過中型無人機的標(biāo)準(zhǔn)，其無論是尺寸或是重量，均給變電站安全飛行帶來挑戰(zhàn)。因此，若采用中型以上無人機以自動航線航測的方式，則需要先通過以下方法進(jìn)行驗證：選取輕型無人機（即起飛重量在4kg以內(nèi)的）作為安全檢查專用無人機，使其按建模航測的航線飛行，飛行過程宜開啟各類避障功能，用以檢測航線的安全性。在經(jīng)過安全飛行驗證，并確認(rèn)本條自動航線安全裕度足夠時，再啟用中型無人機進(jìn)行自動采集。

2.4 無人機失控處置方法

為保證無人機的失控風(fēng)險隨時可控，飛行航線須按照緊急返航通道，嚴(yán)格劃分為兩類（圖2）：第一類為“上跨型”，無人機上方不能存在任何設(shè)備或?qū)Ь€，該類航線的預(yù)設(shè)失控行為為升高返航；另一類為“下穿型”，無人機下方不能存在任何設(shè)備或?qū)Ь€，該類航線的預(yù)設(shè)失控行為為原地降落。自動航線起飛前，應(yīng)設(shè)置并檢查不同類型的失控返航行為，包括返航高度、返航點等參數(shù)。

圖2 兩類航線各自的緊急返航通道

2.5 安全距離

（1）高空航測的飛行高度，應(yīng)躲過實際飛行區(qū)域所覆蓋的避雷針、臨近輸電桿塔等較高構(gòu)（建）筑物的最高點，應(yīng)至少高于5米以上。

（2）無人機與非帶電體（構(gòu)架、避雷針、建筑物等）的安全距離：應(yīng)距離站內(nèi)設(shè)備3米以上（圖3），包括：與高于飛行高度的設(shè)備水平距離不小于3米，與無人機下方的設(shè)備垂直距離不小于3米。

圖3 無人機高、低空測時與非帶電體的最低安全距離

（3）無人機與帶電體的安全距離：按電壓等級，500kV大于3.9米，220kV大于2.1米，110kV大于1.2米，35kV大于0.7米。

（4）無人機飛行中，人與無人機的安全距離不小于3米。

（5）注意變電站圍墻外的輸電桿塔、輸電線路、高大建筑物等帶電或非帶電體，并按以上標(biāo)準(zhǔn)保持安全距離。

3 變電站傾斜攝影建模操作流程

3.1 高空航測

（1）現(xiàn)場勘察

航測作業(yè)前，應(yīng)做好變電站內(nèi)設(shè)備的實地、高空勘查工作。實地勘察應(yīng)確認(rèn)高空航測的飛行高度、航測范圍、飛行范圍。

飛行高度一般選擇高于站內(nèi)需建模設(shè)備（通常為避雷針）的最高點約5到10米左右，航測范圍一般為變電站圍墻及圍墻外一定面積的區(qū)域。由飛行高度和航測范圍，即可確定飛行范圍（圖4）。應(yīng)注意的是，當(dāng)傾斜攝影的角度過低時，飛行范圍的邊距會顯著超出航測范圍，此時要重新勘查，以策安全。

圖4 傾斜攝影角度較小時飛行邊距會顯著超出航測區(qū)域

（2）高空勘察

在得到航測適合的高度后，需將無人機鏡頭水平朝前，操作起飛至該高度后，環(huán)繞航測范圍區(qū)域巡視一周，確認(rèn)該高度內(nèi)確實無高于此高度的構(gòu)（建）筑物，方可開展航測作業(yè)。該步驟建議使用安全檢查的輕型無人機。

（3）高空航測作業(yè)

與一般的傾斜攝影航測一樣，變電站上空開展航測作業(yè)。

作業(yè)時，航拍傾斜角可選-55°至-75°范圍，為兼顧效率，旁向重疊率70%，航向重疊率80%，主航線的飛行方向與站內(nèi)設(shè)備的排布方向斜錯開，以使得所有設(shè)備擁有較大暴露面。飛行高度應(yīng)符合高空勘察結(jié)果，飛行速度越低則效率越低，但安全性越高，拍攝密度越高，效果越好，建議不超過3米每秒。

3.2 獲取粗模

將高空航測得到的采集結(jié)果，使用空間三維計算軟件進(jìn)行解算、建模，得到初步的結(jié)果（即“粗模”），該解算結(jié)果用于下一步規(guī)劃低空補測的航線。粗模無需十分精密，僅需選取“五向”飛行中的俯視正攝圖進(jìn)行解算即可?？紤]到規(guī)劃航線的方便性，解算結(jié)果宜為點云。

3.3 低空補測

在粗模上圍繞需要精細(xì)修模的設(shè)備，規(guī)劃低空補測的自動航線，使航測照片整體上呈“三層式”分布（圖5），即以高空航測為第一層，主要用于覆蓋全站所有設(shè)備；以導(dǎo)線、構(gòu)架上方補測為第二層，覆蓋主要設(shè)備；以近地飛行的航線為第三層，主要針對部分重要設(shè)備的細(xì)節(jié)精修。

圖5 變電站傾斜攝影建模的“三層式”航拍法

考慮到變電站設(shè)備的排布規(guī)律大致與導(dǎo)線延伸方向相同，低空補測的“第二層”航線，可以沿著如下兩個方向，分別各飛一個往返：一個方向沿設(shè)備區(qū)的主母線，另一個方向沿各電氣連接間隔內(nèi)的導(dǎo)線方向，一般而言，兩個方向成垂直相交，效果較好。

第三層非絕對必要，在有以下需要時，可適當(dāng)增加該層：一是主變等設(shè)備具有的重要附屬件，由于位置靠近地面，通過高空航測以及第二層補拍難以近距離覆蓋的；二是部分設(shè)備的雙重編號牌需要在模型中清晰呈現(xiàn)的，以及其他因各種需求，須更清晰復(fù)現(xiàn)的。

如添加第三層的補測拍攝，需注意盡量與第二層、第一層的垂直重疊率，例如，某張第二層拍攝的照片，應(yīng)與某張第三層拍攝的照片具有50%的畫面相似部分。最終的采集結(jié)果，應(yīng)使所有的照片都與其他至少1張照片擁有50%以上的畫面重疊率。

3.4 解算精模

將高空航測和低空補測所拍攝的照片，放在同一次解算中運算，即可得到較高精度的傾斜攝影實景模型。建模時，建議對變電站外圍環(huán)境同樣納入模型生成范圍，以供后期使用。

4 結(jié)束語

在變電站使用傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行精細(xì)化建模，擁有廣闊的應(yīng)用前景，但該技術(shù)應(yīng)用也尚處于摸索期。本文從建模的主要思路、保障安全的技術(shù)措施以及具體建模的操作方法，構(gòu)想了一種變電站傾斜攝影建模的一種新模式，其中還有許多欠考慮之處，但本文旨在拋磚引玉，為后續(xù)進(jìn)一步研究提供借鑒參考。