基于傾斜攝影對輸電架空線走廊三維重建關鍵設計

董選昌 曲烽瑞 張記權 李艷飛 楊成城

摘要：傾斜攝影測量技術是繼航空攝影測量之后又一項新的先進的對地觀測技術，它利用慣性導航系統（IMU）、全球定位系統（GPS）和數碼相機，可快速、準確地獲取地面及附屬物的三維坐標和數字影像數據。高壓輸電線路走廊環境復雜，三維重建任務給輸電管理部門提出了新的要求和研究課題。

關鍵詞：傾斜攝影；輸電架空線走廊；高壓線路；三維重建；沒量技術 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP391 文章編號：1009-2374（2016）18-0013-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.007

為了保證電力輸送系統的正常運行，我們需要對電力線走廊進行巡檢。電力線走廊的范圍大，距離長，線路往往需要經過深山野林，跨越大江大河，穿過沙漠等交通工具行駛不方便的地區。巡檢的主要目的是發現可能威脅到輸電線路的障礙物，如樹木、房屋等。人工巡線不僅需要花費大量的時間精力，而且難以應對突發的故障。相對于傳統的人工巡檢方法和手段，目前新的方法主要有機器人巡線和直升機巡線。機器人爬線盡管獲取數據精度高，但是存在著電池的續航能力不足導致巡檢效率不高的問題。無人機巡檢電力線路具有高效、快捷、可靠、不受地域影響等優點，成為電力線巡檢技術發展的趨勢。除人工巡檢外，利用直升機巡檢的另外一個優勢是獲取電力線走廊的地形地貌及電力設施等信息，可以系統進行檢查并建立樹木生長和預測模型。目前獲取走廊的方法有三維激光掃描和立體攝影測量，林昀等利用激光雷達對寧海地區的超高壓進行了快速巡檢，該方法雖然高效，但激光雷達的價格貴、測量范圍小、操作難度大，所以難以推廣應用。而立體攝影測量的方法是利用飛機搭載數碼相機對電力走廊進行多角度拍攝，然后對電力走廊進行三維重建。這是目前的主流方法之一，具有體積小、重量輕、成本低的特點。在實際的直升機巡線中，一般是采用來回雙航帶的飛行模式，并用單相機進行拍攝。

1 方案和流程

對于航拍，我們要求飛機必須沿著導線低空飛行，拍攝影像的航向重疊度不能低于60%。在航飛拍攝完成后，我們獲得一組電力走廊的航飛照片。首先要提取影像間的連接點；接著對航拍影像進行GPS輔助空中三角測量獲取影像的外方位元素；最后對影像進行密集匹配生成具有三維信息的點云模型。具體的流程如圖1所示。

2 連接點提取

由于SIFT算法具有尺度不變、旋轉不變等特性，所以本文采用SIFT（Scale-Invariant Feature Transform）局部特征檢測算法來提取連接點，并用GPS信息來加速連接點的計算。算法首先構建圖像金字塔，金字塔的上層是由下層高斯卷積得到的，上級是由下降得到的，金字塔的結構如圖2所示；然后遍歷每個尺度空間中的像素點，并對每個遍歷像素點和同層及上下層圖像比較，找出極值點；接著利用公式（1）計算每個極值點鄰域像素的主梯度方向來描述關鍵點的旋轉不變性；再接下來為關鍵點生成128維特征向量，使得特征點具有旋轉不變和不受光照影響的特性；最后，在兩幅影像匹配中，找出與關鍵點特征向量的歐式距離最近的兩個點，如果最近的距離除以次近的距離少于0.6則接受這個匹配點。為了加快影像匹配速度，利用已知的GPS信息來篩選具有重疊度的影像。方法是假設所有影像都是水平的，將GPS的坐標信息轉換成像方空間坐標系。然后根據像片的長寬計算影像是否有重疊的部分。這樣在做影像匹配的時候就不需要考慮所有的像片組合了，而只需考慮有可能重疊的像片組合，從而減少匹配的計算量。

（1）

式中：L（x，y）為圖像函數；m（x，y）為梯度大小；為梯度方向。

3 GPS輔助空三測量

由于沒有控制控制數據，我們采用GPS輔助空中三角測量方法來獲取影像拍攝時的攝影中心位置和姿態。首先，利用SIFT算法提取的連接點構建雙航帶影像的自由模型；然后，根據投影中心和GPS天線的位置關系解算出每個影像攝影中心和姿態的初值。GPS輔助空中三角測量基于式（2）和式（3）進行聯合解求。式（1）表示每張影像攝影中心（XS，YS，ZS）和相應拍攝時刻GPS坐標（XA，YA，ZA）的平移、旋轉關系；式（2）表示每個連接點（x，y）和地面點（X，Y，Z）的共線關系。

（2）

式中：R為影像姿態角決定的旋轉矩陣；（u，v，w）為像空間輔助坐標系的GPS位置的坐標平移。

（3）

從每幅影像上的待定像點坐標和GPS獲取的攝影中心坐標出發，按每條攝影光線的共線方程式（3）列出誤差方程，逐點法化建立改化法方程式，按最小二乘法即可求得每張影像的攝影中心（XS，YS，ZS）和旋轉矩陣。

4 密集匹配

本文采用基于半全局匹配算法（SGM）的多級密集匹配來生成點云。算法是基于全局匹配能量函數簡化得到。對于一種匹配可能，全局能量函數定義為：

（4）

式中：第一項表示對于像素p，視差為Dp時的不相似性代價；第二項表示像素p取視差Dp與鄰域內的點q取視差Dq時。視差較為1的懲罰性代價；第三項表示像素p取視差Dp與鄰域內的點q取視差Dq時，視差較大于1時的懲罰性代價。

最優全局匹配的目標是最小化能量函數E（D）。利用式（5）通過8個或16個方向代價的和得到近似全局最優的匹配結果。

（5）

5 實驗結果

本實驗利用集成差分GPS、索尼A7R高分辨率定焦相機的航空數碼攝影系統和8旋翼無人機對廣州大學附近的一條220kV線路進行了數據采集和三維重建。從圖2中可以看見桿塔和地面樹木都已經三維重建成功：

圖2 對桿塔和地面數據采集三維重建結果

將生成的三維數據模型疊加到三維平臺上面，如圖3所示。與0.265米分辨率的高清航拍圖進行疊加顯示，航拍的地物可以和傾斜攝影三維重建的數據完美疊加在一起（圖中兩個綠化帶完美疊加一起），驗證了數據的精度比較高。傾斜攝影低空飛行帶來高分辨率的地面紋理。

圖3 與分辨0.2米的三正射影像疊加

6 結語

通過對輸電走廊線路的三維重建，很好地展示了輸電線路桿塔與周圍真實環境的距離，環境真實場景的再現和定位，為輔助輸電管理、運行維護提供了幫助。未來還可以結合電力的生成管理平臺，實現電力設備與真實場景的可視化及生命周期管理。

目前還存在一些技術不足的地方，桿塔三維重建細節不夠完美，導線還不能全自動化提取。今后可以通過設計規則、對稱性原理、桿塔參數等約束條件與三維重建幾何約束關系，實現桿塔模型真正的全自動化建模。

參考文獻

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（責任編輯：黃銀芳）