張 雷 班革革 劉 炳 沙 鑫 姬俊國

(國網(wǎng)河南省電力公司商丘供電公司)

0 引言

隨著數(shù)字地球的發(fā)展, 人們對建立三維模型產(chǎn)生濃厚興趣。近年來地形三維模型成為數(shù)字景觀模型中的重要模型, 目前國際測繪領(lǐng)域研究機(jī)載多角度傾斜攝影高新技術(shù), 可以從多個傾角獲取影像彌補(bǔ)正射影像的缺陷。攝影測量學(xué)根據(jù)拍攝時相機(jī)所處高度分為衛(wèi)星飛機(jī)與近景, 按照應(yīng)用范疇分為地形與非地形,攝影測量學(xué)技術(shù)從模擬測量到數(shù)字測量不斷發(fā)展。傾斜攝影測量三維建模具有成本低等優(yōu)點(diǎn), 傾斜影像技術(shù)可以提高建模效率, 三維模型廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃等多種行業(yè)。電力建設(shè)是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障,地理空間信息技術(shù)的發(fā)展為精細(xì)高效完成高等級電網(wǎng)勘測技術(shù)提供技術(shù)手段, 高壓輸電線路方案優(yōu)化技術(shù)路線包括攝影測量技術(shù)建立路徑立體環(huán)境, 可以準(zhǔn)確測量線路斷面與路徑空間關(guān)系。如何高效完成路徑優(yōu)化對輸電線設(shè)計(jì)提出新的要求。

1 輸電線路無人機(jī)攝影測量技術(shù)

攝影測量是對研究目標(biāo)物體拍攝通過軟件對照片分析處理確定位置形狀的學(xué)科, 測量不接觸拍攝目標(biāo), 不易受到天氣環(huán)境的影響, 可以通過借助軟件分析計(jì)算得到目標(biāo)幾何物理信息。數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)產(chǎn)生由來已久, 近年來輕小型航攝測量成為航空遙感領(lǐng)域的亮點(diǎn), 無人機(jī)是通過無線遙控設(shè)備進(jìn)行操控的不載人飛行器, 無人機(jī)以其方便快捷低成本優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用, 具有快速靈活實(shí)時性強(qiáng)、獲取高分辨率遙感影像等優(yōu)點(diǎn)。無人機(jī)航測技術(shù)可達(dá)到1: 2000 國家航測規(guī)范要求[1]。低空無人機(jī)攝影可在小區(qū)域快速獲取航空影像, 低空無人機(jī)航攝系統(tǒng)可以超低空飛行, 可以更低代價得到高分辨率影像。

無人機(jī)近景攝影測量是對距離小于300m 的目標(biāo)物攝影測量提取立體像, 采集目標(biāo)圖像經(jīng)軟件分析處理確定沒毛病形狀位置參數(shù)。無人機(jī)航空攝影是無人機(jī)為空中平臺利用機(jī)載CCD 數(shù)碼相機(jī)獲取影像信息,無人機(jī)低空影像系統(tǒng)包括無人機(jī)飛行平臺, 地面遙控系統(tǒng)等[2]。無人機(jī)遙感系統(tǒng)具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn), 但仍存在影像像幅小數(shù)量較多等缺點(diǎn)。無人機(jī)航空攝影流程與常規(guī)航攝一致, 應(yīng)注意航帶設(shè)計(jì)飛行檢查控制與數(shù)據(jù)檢查等問題。很多用戶選用無人機(jī)作為航測載體, 傾斜攝影技術(shù)可以從多角度獲取影像, 傾斜攝影技術(shù)的廣泛使用減少三維城市建模成本。采用傾斜攝影三維建模技術(shù)可以直觀表現(xiàn)地形地貌特征, 使得傾斜影像應(yīng)用范圍得到很大拓展。圖1 無人機(jī)航空攝影流程。無人機(jī)航攝后進(jìn)行無約束網(wǎng)空三加密, 利用DEM 產(chǎn)品進(jìn)行精細(xì)路徑優(yōu)化選線, 采用GPS 完成線路塔桿施工放樣。

圖1 無人機(jī)航空攝影流程

無人機(jī)航測具有效率高精度高等特點(diǎn), 可以在小區(qū)域進(jìn)行快速高分辨率影像采集, 基于無人機(jī)系統(tǒng)平臺的航測技術(shù)顯示出其獨(dú)有優(yōu)勢。無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)通過搭載相機(jī)云臺采集地面影像, 可以快速生成三維模型, 其他角度傾斜影像可以獲取地面實(shí)物側(cè)面紋理信息, 傾斜攝影測量技術(shù)是實(shí)時處理的新型測繪技術(shù)。傾斜攝影技術(shù)具有真實(shí)性、高效性與高性價比等特點(diǎn), 傾斜攝影技術(shù)是集成遙感傳感器等新型測繪技術(shù), 測量系統(tǒng)包括無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸與地面監(jiān)控系統(tǒng)等。傾斜攝影技術(shù)是國際測繪遙感領(lǐng)域新興發(fā)展的高新技術(shù), 利用拍攝物的垂直與傾斜影像快速構(gòu)建目標(biāo)區(qū)域真實(shí)三維空間場景, 可準(zhǔn)確測量被拍攝物的坐標(biāo)高度等。傾斜攝影系統(tǒng)包括飛行平臺與儀器, 姿態(tài)定位系統(tǒng)記錄相機(jī)在曝光瞬間姿態(tài)。

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)搭載相機(jī)獲取區(qū)域高重疊度影像, 采用專業(yè)測繪軟件完成空中三角測量計(jì)算獲得三維模型數(shù)據(jù), 電力巡視中應(yīng)用無人機(jī)攝影測量技術(shù)分為外葉數(shù)據(jù)采集與內(nèi)業(yè)處理。隨著我國電力行業(yè)的發(fā)展,一些三維可視化方法提高輸電線路巡視的效率[3]。傾斜攝影技術(shù)可以真實(shí)還原側(cè)面紋理信息, 可以獲取可視化三維信息。目前輸電線工程線路優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)用傾斜攝影測量技術(shù)包括采用多角度影像進(jìn)行三維重建生成點(diǎn)云數(shù)據(jù), 通過相關(guān)軟件對模型成果高度等屬性量測結(jié)果幫助完成輸電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用無人機(jī)攝影測量技術(shù)用于輸電工程勘測設(shè)計(jì)具有產(chǎn)品豐富, 快速響應(yīng)受天氣影響小等優(yōu)點(diǎn)。圖2DEM 細(xì)節(jié)豐富。采用無人機(jī)攝影測量技術(shù)可以提高輸電線路工程室內(nèi)選線的準(zhǔn)確性。

圖2 DEM 細(xì)節(jié)豐富

2 無人機(jī)攝影測量三維建模技術(shù)

現(xiàn)階段是我國堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)快速發(fā)展時期, 實(shí)現(xiàn)三維勘測設(shè)計(jì)成為輸電線路測繪領(lǐng)域的必然要求, 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)具有宏觀直觀等特點(diǎn), 但在時效性等方面具有局限性。常規(guī)航空攝影可快速獲取高清晰影像數(shù)據(jù), 但需要專用機(jī)場審批及軍事航空限制。無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于農(nóng)林水利等國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域, 目前在電網(wǎng)建設(shè)中取得初步成效。根據(jù)傾斜影響特征總結(jié)測量生成三維模型關(guān)鍵技術(shù)包括影像預(yù)處理等。

攝影測量外業(yè)控制需要合理布設(shè)控制點(diǎn), 應(yīng)遵從控制點(diǎn)布置原則選擇合適的布設(shè)方案, 在困難區(qū)域無人機(jī)航拍獲取圖像前在地面設(shè)置明顯標(biāo)記作為控制點(diǎn)[4]。像控點(diǎn)布設(shè)在相鄰像對重疊部分。傳統(tǒng)攝影測量法中需要像片控制點(diǎn)糾正, 全野外布點(diǎn)用于對測圖精度要求高的測量。像控布設(shè)運(yùn)用非全野外布點(diǎn)方法, 像片控制點(diǎn)聯(lián)測是大地點(diǎn)坐標(biāo)測定像片控制點(diǎn)坐標(biāo)高程, 有利于下步外業(yè)像片控制點(diǎn)布設(shè)測量。GPS 定位技術(shù)用于航空攝影測量可獲得較高經(jīng)濟(jì)效益。像片控制點(diǎn)聯(lián)測運(yùn)用分級控制方式,無人機(jī)航測利用數(shù)碼相機(jī)鏡頭焦距較小, 導(dǎo)致無人機(jī)航攝比例尺小。常規(guī)航攝比例為1 ∶8000 左右, 數(shù)碼相機(jī)像幅比專業(yè)航攝儀小。無人機(jī)影像基線長度短, 按照常規(guī)現(xiàn)有航攝測量外業(yè)規(guī)范布設(shè)像控點(diǎn)數(shù)量多, 通過計(jì)算分析研究合理控制點(diǎn)布設(shè)方案是無人機(jī)航攝技術(shù)應(yīng)用關(guān)鍵。

多視影像聯(lián)合平差是傾斜影像處理中的關(guān)鍵步驟, 普通使用多視影像聯(lián)合平差法是根據(jù)SIFT 特征提取算法對影像進(jìn)行特征提取, 得到像片外方位元素[5]。影像特征提取是影像數(shù)據(jù)處理與匹配中的基礎(chǔ)工作, 特征提取精度決定空三加密的精度。影響特征表現(xiàn)形式為影像在部分領(lǐng)域的灰度急劇變化, 目前基于點(diǎn)特征匹配算法有很多。多視影像中物體旋轉(zhuǎn)等問題突出, 為獲取高質(zhì)量特征應(yīng)選擇SIFT 算法提取特征, 通過建立圖像尺度空間尋找對圖像旋轉(zhuǎn)縮放等不具備變性的特征點(diǎn), 特征點(diǎn)描述符包含信息完整。圖3 SIFT 算法步驟示意圖。SIFT 特征提取算法特點(diǎn)是數(shù)據(jù)描述能力強(qiáng)大, 良好不變性等。空三加密是無人機(jī)影像內(nèi)業(yè)處理的關(guān)鍵部分, 將區(qū)域納入已知控制點(diǎn)地面坐標(biāo), 空三加密結(jié)果影響后期三維模型精度。將測區(qū)影像納入統(tǒng)一物方坐標(biāo)系, 通過多視影像空三加密可以計(jì)算影像所在位置, 可實(shí)時量測影像數(shù)據(jù)。

圖3 SIFT 算法步驟示意圖

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)采用專業(yè)測繪軟件完成空中三角測量計(jì)算, 技術(shù)流程分為現(xiàn)場飛行作業(yè)與數(shù)據(jù)計(jì)算分析。基于影像還原三維場景是商業(yè)軟件成熟功能, 如何得到輸電塔桿三維數(shù)據(jù)是復(fù)雜的問題。影像預(yù)處理后密集匹配所需基本數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢, 近年來國內(nèi)外學(xué)者深入研究多視影像密集匹配法, 匹配關(guān)鍵是采用多視匹配算法獲取多視影像同名點(diǎn)坐標(biāo)[6]。研究采用CMVS 方法進(jìn)行多視影像密集匹配, 對物體不同角度多幅圖像完成密集匹配。通過多視影像密集匹配可獲得高精度數(shù)字表面模型, 成為空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵技術(shù), 獲取高密度DSM 數(shù)據(jù)后將不同匹配單元融合生產(chǎn)數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)。將制作模型利用編輯軟件進(jìn)行精細(xì)化修改, 對相應(yīng)數(shù)據(jù)文件輸出上交成果數(shù)據(jù)。

3 輸電線路攝影測量三維建模優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用

輸電線路周期性巡視工作主要關(guān)注線路本體和附屬設(shè)施, 通過直升機(jī)無人機(jī)可快速對線路進(jìn)行本體紅外等巡視, 線路本體應(yīng)用機(jī)巡可超越人工巡視效果[7]。通道巡視主要內(nèi)容是線行保護(hù)區(qū)內(nèi)環(huán)境變化導(dǎo)致線路風(fēng)險, 線路通道巡視要保證及時發(fā)現(xiàn)問題, 安全管控等級高的線路區(qū)段要求每月兩次, 采用人工巡視方式受限于地形采用望遠(yuǎn)鏡不能保證測量精度。航空攝影測量可以快速對大范圍區(qū)域測量。輸電線路側(cè)影測量要注意任務(wù)目標(biāo), 相機(jī)選擇與飛機(jī)平臺選型等工作。

無人機(jī)航空攝影前用戶根據(jù)作業(yè)任務(wù)做好規(guī)劃,確定攝影比例尺和行高等, 為提高空域資源利用率,需要向航空管理部門申請測區(qū)空域飛行學(xué)科[8]。依據(jù)無人機(jī)飛行任務(wù)對航攝技術(shù)參數(shù)設(shè)置, 做好地面準(zhǔn)備工作后選擇晴朗無云的天氣, 無人機(jī)拍攝作業(yè)中選好起飛地點(diǎn)組裝航攝儀, 合理設(shè)置各項(xiàng)技術(shù)參數(shù), 向空中控制系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)控制命令。地面人員對獲取數(shù)據(jù)檢查, 無人機(jī)飛行后回收檢查儀器相關(guān)功能。無人機(jī)空中飛行作業(yè)時用于天氣情況使航線受到偏移, 影響測繪產(chǎn)品的精度。利用機(jī)載POS 系統(tǒng)得到位置數(shù)據(jù),飛行質(zhì)量檢查包括航向重疊度等。無人機(jī)傾斜攝影測量系統(tǒng)飛行決定生成地理信息產(chǎn)品精度, 對獲取影像質(zhì)量檢查可以清晰掌握是否存在漏拍情況。表1 激光雷達(dá)發(fā)現(xiàn)樹障點(diǎn)情況。

表1 激光雷達(dá)發(fā)現(xiàn)樹障點(diǎn)情況

數(shù)據(jù)檢查合格后對原始圖像處理, 編號隨飛行方向增加, 根據(jù)飛行航線編號原始影像分類, 按照影像數(shù)據(jù)通用格式建立目錄分類存儲。航測系統(tǒng)搭載成像設(shè)備存在光學(xué)鏡頭加工誤差, 原始影像拍攝存在不均勻光照等影響, 應(yīng)對影像進(jìn)行歸一化勻光色處理。影像增強(qiáng)采用Wallis 濾波變換, 電網(wǎng)公司機(jī)巡作業(yè)中心使用無人機(jī)傾斜攝影對220kV 輸電線采集數(shù)據(jù), 在巡視線路桿塔N016-N138 檔間, 通過傾斜攝影發(fā)現(xiàn)4 處樹障。應(yīng)用數(shù)據(jù)處理軟件對線路傾斜攝影數(shù)據(jù)對比分析差異, 在20 檔測試數(shù)據(jù)中通過甲鈷胺雷達(dá)發(fā)現(xiàn)7處樹障, 針對不同巡視方式得到較大差異數(shù)據(jù)分析結(jié)果。對比原始照片核查, 13 點(diǎn)樹障原始照片左右側(cè)位置不符。14 號離樹干中心較遠(yuǎn), 證實(shí)算法劃分點(diǎn)群區(qū)域?qū)⑼脴浯嬖谌c(diǎn)群區(qū)域?qū)е掳l(fā)現(xiàn)三個樹障點(diǎn)。

以激光雷達(dá)數(shù)據(jù)作參考數(shù)據(jù)分析誤差原因。對比分析發(fā)現(xiàn)得到數(shù)據(jù)存在差異包括樹障點(diǎn)距離小號塔差異。研究從檔距差異, 點(diǎn)群區(qū)域劃分方面分析差異,輸電線路傾斜攝影樹障分析軟件采用kml 文件導(dǎo)入塔桿坐標(biāo), 處于塔桿密集區(qū)出現(xiàn)人為失誤導(dǎo)致坐標(biāo)糾正錯誤。處于安全閾值的樹木選取代表危險點(diǎn)作為樹障缺陷。針對不同巡視方式得到較大差異化結(jié)果進(jìn)行理論分析, 通過分析不同方式產(chǎn)生點(diǎn)云對比尋找差異原因, 將不同方式點(diǎn)云數(shù)據(jù)疊加, 樹障處激光點(diǎn)云反應(yīng)樹木空間形態(tài), 測量樹障距離大于激光雷達(dá)。

4 結(jié)束語

傾斜攝影測量技術(shù)可以彌補(bǔ)正射影響不能真實(shí)反應(yīng)地表真實(shí)情況的缺陷。目前傾斜攝影三維建模技術(shù)廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中, 攝影測量技術(shù)在輸電線路巡視中應(yīng)用具有很大優(yōu)勢。本文利用無人機(jī)傾斜攝影測量系統(tǒng)獲取研究趨于影像, 總結(jié)系統(tǒng)采集遙感影像關(guān)鍵技術(shù), 建立三維模型分析影響精度的因素, 采用無人機(jī)航攝測量技術(shù)可以快速獲取輸電線路等區(qū)域影像, 建立三維模型具備測繪級精度, 低空攝影測量技術(shù)對不同地形適應(yīng)性較強(qiáng)。無人機(jī)搭載非量測數(shù)碼相機(jī), 現(xiàn)行航攝測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于航攝方案一些規(guī)定不適用于無人機(jī), 應(yīng)結(jié)合相關(guān)理論選擇適當(dāng)?shù)募夹g(shù)方案。研發(fā)適應(yīng)性光的影像匹配算法對無人機(jī)航攝測量技術(shù)普及日常重要。