基于地理信息系統的輸電線路無人機巡檢管理平臺研究與實現

周宏輝，汪從敏，江 炯，王 群

（國網浙江省電力有限公司寧波供電公司，浙江 寧波 315010）

0 引言

隨著數據采集技術的進步以及遙感技術的發展[1-2]，利用無人機搭載多傳感器獲取多源數據已經成為可能[3]。利用機載多傳感器系統進行電力巡線是近年來國內外應用較為廣泛的一項技術[4]。

目前國內多數電力公司建設了基于二維地理信息的電網管理系統[5]，但是傳統的二維平臺系統無法滿足無人機輸電線路巡線的數據瀏覽，尤其是根據多基線影像的實景建模數據[6-8]，因此需要提供一種三維可視化的管理平臺[9-10]，將不同時間、不同航線的巡線路徑進行統一管理，同時需要提供一種將多尺度、多分辨率、多源空間數據和屬性數據相集成的方法[11]。

本文以GIS（地理信息系統）為基礎，結合實際項目，以寧波市某輸電線路為試點，利用空間地理信息技術，整合輸電線路資料，構建基于GIS的輸電線路無人機巡檢管理平臺，極大地提高了輸電線路無人機巡檢作業的能力和效率[12-13]。

1 平臺構建邏輯

目前無人機視距內及超視距巡視、基于無人機巡視的通道缺陷分析和樹障分析已在寧波供電公司全面展開，輸電線路無人機巡檢管理平臺作為核心環節，實現缺陷發現、上報、分析、消缺的閉環鏈條是設計的基本出發點。

針對無人機巡檢任務多、巡檢資料雜、人工干預量大等特點，本文提出一種基于Laravel的無人機巡線管理系統框架，以此為基礎，構建了無人機巡檢管理平臺，構建邏輯如圖1所示。平臺涵蓋了圖層管理、實景模型、桿塔管理、線路管理、巡視任務管理、巡視視頻回放、巡視照片管理等內容，實現基于試驗線路的無人機智能巡檢作業和流程化管理，以及巡檢資料的精確化、可視化管理。

圖1 無人機巡檢管理平臺構建邏輯

2 核心技術分析

2.1 實景模型可視化

無人機攜帶多傳感器能夠快速獲取輸電線路三維走廊地形、地貌的實景數據。實景數據由于真實度高，通常數據量較大。因此，需要通過一種適合網絡發布使用的格式和協議對其進行解析和渲染，WebGL是理想的選擇。

WebGL是一種3D繪圖協議，這種繪圖技術標準通過增加OpenGL ES 2.0的一個JavaScript綁定，為HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，使平臺數據呈現效率、兼容性大幅提高。

利用市場上成熟的實景模型生產軟件如ContextCapture，Pix4D，PhotoMesh等，將無人機獲取的大量航拍數據制作成實景模型數據格式（如OSGB），并對其進行Lod（多細節層次）處理。Lod策略并沒有固定模式，可以根據實際需求對數據進行處理。本文采用標準四叉樹策略進行數據分層，如圖2所示。

Lod后的數據結構如圖3所示，可以看出Lod后數據量更小，結構更優化，適用于進行大面積的網絡請求和發布。借助WebGL技術的特性，即可對模型進行逐個讀取和渲染。采用ThreeJS引擎加載的片段代碼如圖4所示。

圖2 四叉樹分割

圖3 Lod后的數據結構

圖4 ThreeJS加載代碼

2.2 Laravel框架模式

Laravel是一套簡潔、優雅的PHP（一種通用開源腳本語言）Web開發框架。Laravel充分運用了PHP面向對象的特性和軟件工程的思想，采用組件式開發，應用composer進行安裝和管理，具備優雅、可讀性強的代碼風格，是當今PHP領域最流行的框架之一。

利用Laravel的框架模式，在平臺架構中引入MVC（一種軟件設計典范）的設計模式，即把軟件分為模型、視圖、控制器3個部分，如圖5所示。

由于巡檢業務的變化性和復雜性，利用MVC模式，將表現層與邏輯代碼進行分離，從而使軟件可以應對不同的業務模型。

圖5 MVC設計模式

將底層的數據表、業務表及對表的邏輯操作封裝到一個個獨立的模型中，利用視圖的刷新機制監視模型中數據的變化，利用控制器控制整個業務流程的組織，如圖6所示。

圖6 業務流程

基于這種設計，可以將輸電線路巡檢的業務模型和地理信息數據可視化相結合，對其進行具象化的表達，如影像管理、巡線通道三維模型管理、巡檢視頻巡檢管理、巡檢照片巡檢管理、無人機設備管理、巡檢線路管理等，使業務模型與GIS分離，將耦合性降至最低。

2.3 空間變換模型

為了將無人機采集的精確坐標位置反映到巡檢管理平臺中，還需要將三維空間模型變換到顯示屏幕。三維模型變換到二維屏幕上需要經過模型位置變換、觀察視角（相機視角）變換以及投影方式變換，分別對應模型變換矩陣M、視角變換矩陣V和投影變換矩陣P。其變換表達式為：

式中：向量v為模型在原三維空間下的頂點坐標；向量p為其在顯示屏幕上的坐標；矩陣M包含模型頂點在三維空間下的位置變換；矩陣V包含三維模型向相機或視點的變換；矩陣P包含視點采用的投影方式，三維空間中通常采用透視投影。矩陣V和矩陣P通常由加載解析模型的運行環境設置，矩陣M一般保存在存儲模型的數據文件中。當需要使模型進行空間移動翻轉等位置變換時，需要重新計算矩陣M的值，這也是使模型在三維空間中運動或者改變位置的關鍵點。

2.4 坐標系統變換

進行空間變換后，應將輸電線路的三維通道模型與地球模型坐標融合，就需要進行坐標系統變換。一般將以球心為原點的坐標定義為球心坐標，將以球面任意一點為原點的坐標定義為局部坐標。如圖7所示，局部坐標為NED（北東地）坐標系統。

圖7 坐標系統關系

為了解決球心坐標和局部坐標之間的變換，需要對模型坐標原點進行旋轉和平移，這里通過矩陣變換來實現，如圖8所示。

圖8 坐標系統變換

假設對應的笛卡爾坐標為（X，Y，Z），兩者結合得出矩陣的計算公式見式（2），依次為正東單位向量、正北單位向量、上單位向量和坐標原點值：

3 系統總體設計

3.1 系統架構

根據前文所述，本系統采用MVC的應用模式，構建B/S（瀏覽器-服務器）系統架構，利用Laravel建立完整的無人機巡線管理流程，利用天地圖空間框架體系，建立一個多尺度、多分辨率、多源空間數據的無人機巡檢管理平臺框架，如圖9所示。整個框架結構包括接入層、應用服務層、系統服務層、工具層、數據層、基礎設施層、規范體系和安全保障體系8個層次，它們構成了一個有機的整體。

接入層是交互層。系統是一個門戶網站，用戶通過網頁瀏覽器實現對系統所提供服務的接入。

應用服務層是系統所提供的各種應用服務，包括圖層管理、實景模型瀏覽與加載、線路管理、任務管理等功能。

系統服務層是訪問底層接口的基礎，實現如數據疊加、數據管理等服務。

工具層是在數據入庫和系統服務發布過程中涉及和使用到的功能，包括數據編譯、數據發布、數據管理等。

數據層是整個系統的基礎。數據層包括基礎數據和專題數據2個部分，各個數據庫可以實行分布式部署和統一化管理。

基礎設施層是數據及其應用的基礎支撐環境。通過專線網絡、服務器等設施，實現對軟件、數據等層面的整合和應用。

數字城市空間框架指本系統對應接入的天地圖空間框架。

安全保障體系是指本系統建設過程中建立的安全保障機制。

3.2 系統數據模型設計

前文提及，利用MVC模式將系統的數據封裝成獨立的模型類，并將對其的操作邏輯同樣封裝成模型。巡檢平臺系統根據業務劃分主要包括輸電線路表、電力塔表、飛行任務表、巡檢記錄表、巡檢線路表、巡檢視頻表、巡檢照片表等。其主要模型邏輯關系如圖10所示。

從模型關系上可以看出，巡檢平臺的數據核心是輸電線路數據，巡檢主要業務都是圍繞輸電線路展開，其中包括輸電線路的管理、基于線路的飛行任務管理、基于飛行任務的軌跡管理、基于飛行任務的成果管理等。

3.3 系統主要功能設計與實現

以寧波地區某2條220 kV架空輸電線路為試驗區域，完成系統的主要功能設計與實現。

（1）圖層管理。包括底圖切換、地圖定位、數據展示。

圖9 無人機巡檢管理平臺框架

圖10 模型關系示意

1）底圖切換。依托天地圖，能夠任意切換衛星影像圖和電子地圖作為系統底圖。

2）數據展示。直接在地圖上顯示出試驗線路的地理范圍，可以在影像上瀏覽線路全貌，實現輸電線路和位置信息的可視化一張圖。

3）線路定位。根據線路名稱，自動在地圖上定位到試驗線路，改變傳統線路列表管理方式，以地圖為入口對輸電線路檔案進行靈活調閱，系統界面如圖11所示。

圖11 線路定位

（2）輸電線路實景模型加載與管理。利用網絡瓦片式加載方式請求體量較大的輸電線路實景模型，系統界面如圖12所示。

圖12 實景模型

（3）桿塔管理。包括名稱快速檢索、圖形直接查閱、巡檢資料查看，系統界面如圖13所示。

1）名稱快速檢索。根據桿塔名稱，進行快速檢索，并在第一時間定位到地圖上正確位置。

2）圖形直接查閱。點擊地圖上桿塔圖形，可以快速調閱桿塔檔案數據資料。

3）巡檢資料查看。直接獲取該電力塔相關巡檢作業的巡檢照片等，方便管理。

圖13 桿塔管理

（4）任務管理。包括對無人機作業進行任務流程建立、任務實施、任務結果查詢，系統界面如圖14所示。

圖14 任務管理

（5）巡檢照片管理。基于電力桿塔的精確位置對巡檢照片進行對象化管理，系統界面如圖15所示。

圖15 巡檢照片管理

（6）巡線視頻管理。基于單條飛行任務進行巡線視頻的數據管理。可在同屏查閱與對比輸電線路三維通道數據和GIS地圖二維線路數據，系統界面如圖16所示。

圖16 巡線視頻管理

無人機巡檢管理平臺的構建，使得無人機巡視作業與通道缺陷及樹障分析工作站可以無縫連接，打通了無人機巡視的缺陷發現、上報、分析、消缺處理鏈條，實現了基于試驗線路的無人機智能巡檢作業和流程化管理，實現了巡檢資料的精確化、可視化管理，無人機輸電線路巡檢效率及質量均得到了顯著提升。

4 結語

本文討論了在輸電線路無人機巡檢作業中利用GIS技術建設無人機巡檢管理平臺，對其中的系統框架、數據建庫以及功能開發進行了設計與實現。在如今“互聯網+”盛行的大背景下，利用GIS實現真實場景與虛擬對象在空間上的有機融合，圖形化展示輸電線路的空間地理分布信息，同時將巡檢任務與巡檢數據納入系統管理維護中，對開展大規模輸電線路無人機自助巡檢具有重要的研究意義。