遙感影像技術(shù)在架空輸電線路中的應(yīng)用

黃 彪，莊宿軍，沈 翀

(華東電力設(shè)計院，上海200331)

0 引言

航空攝影測量技術(shù)在架空輸電線路的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛和普及，但是由于航攝成本高、周期長以及航空管制等原因造成某些區(qū)域不能航攝。用傳統(tǒng)的工程測量方法雖然精度高，但不能滿足大范圍選線、優(yōu)化路徑以及工期的要求，這就需要采取一些新的技術(shù)和方法。進入21世紀，世界上有二十幾個國家每年投入巨額資金用于發(fā)展和經(jīng)營地球觀測衛(wèi)星，高分辨率的商業(yè)衛(wèi)星進入到一個新的發(fā)展階段。高分辨率衛(wèi)星遙感影像具有空間分辨率高、定位精度較高、覆蓋范圍廣、現(xiàn)勢性強、獲取周期短、處理的技術(shù)手段先進、獲取的成本低等特點，逐步實現(xiàn)了市場化、商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化，為遙感影像應(yīng)用于架空輸電線路提供了可能［1～4］。

1 工程應(yīng)用

1.1 概述

委內(nèi)瑞拉某線路工程位于Cojedes地區(qū)，線路經(jīng)過區(qū)域植被茂盛，通視條件較差，地形起伏較大。如果利用傳統(tǒng)的工程測量方法需要消耗大量的人力、物力。線路經(jīng)過地區(qū)多為私人農(nóng)牧場，砍伐量大，政策處理難度高。另外由于當?shù)丶夹g(shù)條件限制，航空攝影也不具備條件。為確保線路路徑合理，減少拆遷和林木砍伐，并能按期完成設(shè)計任務(wù)，本工程決定利用高分辨率衛(wèi)星遙感影像進行架空輸電線路的內(nèi)業(yè)測量工作。

1.2 技術(shù)依據(jù)

《350 kV～750 kV架空輸電線路勘測規(guī)范》、《1 000 kV架空輸電線路勘測規(guī)范》中關(guān)于線路山地的限差規(guī)定為:定向點限差:平面1.5 m，高程1.0 m;檢查點限差:平面2.0 m，高程2.0 m;模型連接限差:平面3.0 m，高程4.0 m。

1.3 作業(yè)流程

作業(yè)流程見圖1。

圖1 作業(yè)流程圖

1.3.1 資料檢查與分析 衛(wèi)星影像在作業(yè)之前，首先對資料檢查和分析。檢查的主要內(nèi)容包括以下幾個部分。

(1)影像質(zhì)量檢查:影像時相較新，傾角較小;影像層次豐富、圖像清晰、色調(diào)均勻、反差適中;影像中云層覆蓋應(yīng)小于5%，且不能覆蓋重要地物，分散的云層總和不應(yīng)大于15%;影像不應(yīng)存在明顯的噪聲、斑點和壞線。

(2)漏洞檢查:包括相對漏洞和絕對漏洞。

(3)視差檢查:所有能構(gòu)成的立體模型的上下視差檢查。

(4)模型接邊檢查:包括軌道內(nèi)和軌道間的模型接邊檢查。

(5)定位精度檢查:利用控制點檢查立體模型的定位精度。分析的主要內(nèi)容包括分析影像的數(shù)據(jù)是否完整，格式是否正確。

本工程使用的遙感影像為法國2011年發(fā)射的Pleiades-1衛(wèi)星，全色分辨率達到0.5 m，多光譜4波段分辨率為2 m。單景標準像幅大小為20 km2×20 km2。Pleiades衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)必須包括軌道參數(shù)RPC文件、全色和多光譜影像數(shù)據(jù)文件(JP2或TIFF格式)、影像坐標信息文件(J2W或TFW格式)，另外一般還包括索引文件、產(chǎn)品縮略圖文件、快視圖文件等。考慮到彩色影像的融合耗時較長，數(shù)據(jù)量大，并可能造成影像分辨率降低，所以在滿足設(shè)計和測量精度要求的前提下，網(wǎng)平差、形成DEM和立體量測使用全色影像，在路徑選線和優(yōu)化時使用融合影像。工程采用同軌兩景遙感影像構(gòu)成立體像對，覆蓋范圍包括全測區(qū)。根據(jù)現(xiàn)階段設(shè)計要求，主要是利用少量控制點進行區(qū)域網(wǎng)平差，并對平差結(jié)果進行分析，分析是否可滿足輸電線路測量要求。

1.3.2 建立工程并組區(qū) 影響影像質(zhì)量和定位精度的主要原因是獲取影像的過程中存在軌道漂移，即衛(wèi)星瞬時偏移預(yù)定軌道，并且還存在傾斜攝影。由于衛(wèi)星影像相對于航空影像像幅大，且自帶初始定位參數(shù)，因此剛性較強，測區(qū)如果由多景影像組成，建議多景影像構(gòu)成立體模型一起進行組區(qū)，進行模型連接后整區(qū)統(tǒng)一進行平差計算，這樣可以消除軌道漂移等現(xiàn)象帶來的系統(tǒng)差。本工程只有兩景影像構(gòu)成立體模型，所以不存在模型間的接邊問題。

在工程參數(shù)設(shè)置時，一定要準確設(shè)置與工程所在地相符的坐標系統(tǒng)參數(shù)，否則在后續(xù)控制點預(yù)測工作中會出現(xiàn)控制點偏移而導(dǎo)致無法量測。

1.3.3 自由網(wǎng)平差 建立工程并組區(qū)后，對像對進行連接點選取，連接點選取的主要作用在于加強景與景之間的連接并消除模型的上下視差。連接點個數(shù)不能少于4個且應(yīng)均勻分布，一般選取5個以上，并根據(jù)地形情況適當增加點數(shù)。連接點的精度要求是:一般應(yīng)小于0.2個像素，最大不應(yīng)大于0.5個像素，中誤差最大不應(yīng)大于0.4個像素。連接點選取完后，一般選擇RPC參數(shù)加多項式變換的方法進行自由網(wǎng)平差，通過自由網(wǎng)平差計算能夠較好地解決模型和軌道(航線)間的拼接差問題，提高影像的定位精度。本測區(qū)自由網(wǎng)平差后，完全消除模型的上下視差，連接點的像素中誤差為0.22像素。

1.3.4 區(qū)域網(wǎng)平差 自由網(wǎng)平差后，為使立體模型的精度達到規(guī)范的要求，必須加入控制點進行區(qū)域網(wǎng)平差。由于遙感影像的像幅較大，剛性較強，且初始定位精度較高，一般在測區(qū)四角和中間采用五點法或九點法進行布設(shè)，也可根據(jù)測區(qū)大小、形狀和地形起伏及高差，也可適當增加控制點數(shù)量，并布設(shè)一定數(shù)量的檢查點用于區(qū)域網(wǎng)平差的成果檢查。本測區(qū)只有一個立體模型，共布設(shè)15個控制點，在測區(qū)四角和中心布設(shè)5個控制點作為定向點，其余10個控制點作為檢查點。由于本工程只有一個模型，所以不存在模型接邊問題。平差計算余差結(jié)果見表1、表2。

表1 5個定向點余差統(tǒng)計

表2 10個檢查點余差統(tǒng)計

由統(tǒng)計結(jié)果可以看出，5個定向點和10個檢查點的余差完全滿足規(guī)范關(guān)于山地線路的測量精度要求。

1.3.5 三維選線和優(yōu)化路徑 完成區(qū)域網(wǎng)平差后，生成核線影像、DEM和正射影像。為方便在遙感影像中進行三維立體選線，使用適普公司開發(fā)的電力線路設(shè)計輔助系統(tǒng)Virtuozo ELE，根據(jù)DEM和正射影像圖生成虛擬的立體模型或直接使用拼接的立體模型(含有多個立體模型)。在立體模型下可以同時設(shè)計多個線路方案，對每個線路方案的轉(zhuǎn)角數(shù)量和線路長度進行比較，如果已經(jīng)對沿線房屋進行了測量，還可以對不同方案的拆遷量進行統(tǒng)計，并自動形成概略斷面圖用于排塔位，以選擇最佳線路路徑方案。

1.3.6 立體模型測圖 完成選線和優(yōu)化路徑后，就可以進行平斷面的測量工作。使用該軟件可以根據(jù)線路走向和DEM自動生成斷面線，形成概略平斷面圖;也可以人工采集斷面線和平面點，形成初設(shè)和施工圖階段所需的平斷面圖。由于受影像分辨率的限制，立體測圖時，影像可以量測房屋、道路、林木范圍、河流和魚塘等地物，交叉跨越可以辨別鐵塔，其他低等級的桿型、林木的種類、高度及胸徑需要在調(diào)繪階段調(diào)繪或現(xiàn)場定線、定位階段進行補測。

2 結(jié)論

通過以上作業(yè)流程，以及對數(shù)字空三成果的檢查和精度比對，可以得到以下結(jié)論:Pleiades衛(wèi)星全色0.5 m分辨率的影像使用不少于5個控制點進行數(shù)字空中三角測量，可以大幅提高衛(wèi)星影像的定位精度，滿足《350～750 kV架空輸電線路勘測規(guī)范》、《1 000 kV架空輸電線路勘測規(guī)范》中關(guān)于山地線路的測量精度要求。另外由于遙感影像剛性較強，存在的誤差基本是系統(tǒng)差，平面和高程的誤差方向基本是同向的，因此線路定位階段可以對平斷面圖進行補測和校核，通過現(xiàn)場實測的直線樁、轉(zhuǎn)角樁，交叉跨越測量成果及其他修測的成果加入到航測平斷面圖中進行編輯修改，以滿足設(shè)計要求。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進步，全色影像分辨率達0.25 m的遙感衛(wèi)星正在研制發(fā)射，相信在不久的將來，更高分辨率遙感影像應(yīng)用在各種地形條件下的輸電線路測量成為一個發(fā)展方向。

［1］ GB 50548-2010.330 kV～750 kV架空輸電線路勘測規(guī)范［S］.

［2］ GB 50741-2011.1 000 kV架空輸電線路勘測規(guī)范［S］.

［3］ 關(guān)元秀，程曉陽.高分辨率衛(wèi)星影像處理指南［M］.北京:科學(xué)出版社，2008.

［4］ 張祖勛.數(shù)字攝影測量研究30年［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2007.