基于多源數據的高壓輸電線路精細化建模*

陸士好, 程 昌, 駱元鵬, 楊化超

(1.中國礦業大學 環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116；2.中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430000)

近年來，隨著數字信息時代的到來，全方位的城市數字化已經成為城市現代化的重要標志。三維數據由于能夠更直觀、更真實、更精細的展現地物空間位置和地理面貌，已經成為建設數字城市的重要基礎[1]。目前，重建地物的三維信息的方法主要有人工建立虛擬模型、三維激光掃描技術和傾斜攝影測量技術等[2]。其中傾斜攝影測量是利用無人機平臺搭載具有不同視角的多鏡頭傳感器對地物進行攝影[3-5]，可快速地重建出地物的實景三維模型，現已成為獲取地物三維信息的重要手段。為了生成更加精細的實景三維模型，相關研究人員通過不斷提高傳感器性能、優化無人機飛行航線以及后期的修模等手段來提高模型的精細化程度[6]。通過這種方法對實景三維模型的幾何、紋理方面做出了較大改善。但由于傾斜攝影測量自身的局限性，通過改善傳感器性能和優化飛行方式在高壓輸電線路這種高聳、細長的物體三維重建中仍然會出現模型缺失、扭曲的問題，這些問題使我們無法準確的獲取輸電線路的幾何信息，也就無法通過模型修飾來達到模型精細化。機載LiDAR(Light Detection and Ranging)作為一門新興的測繪技術，因其高效率、高精度的作業模式被廣泛運用于電力巡檢中[7-9]，利用機載LiDAR獲取輸電線路的點云，進而獲取高壓輸電線路精確的幾何信息。因而，本文在高壓輸電線路的精細化建模中，提出了基于傾斜攝影測量和機載LiDAR點云的多源數據，分別獲取高壓輸電線路的地形信息和幾何信息[10]，通過3ds Max軟件利用點云來構建精細的高壓輸電線路三維模型替換傾斜攝影模型中的相應部分，從而實現高壓輸電線路實景三維模型精細化的目的。

1 研究方法與技術路線

本文的總體技術流程如圖1所示。在研究區大場景中采用建模速度快、成本較低的傾斜攝影測量技術構建三維模型[11]。通過對采集的地物影像進行影像匹配、空三加密、構建TIN模型、紋理映射等一系列關鍵技術生成實景三維模型，然后針對實景三維模型中高壓輸電線路出現的模型缺失、扭曲現象，利用機載LiDAR對場景中的高壓輸電線路進行掃描，對采集的激光點云進行拼接、濾波等預處理后導入3ds Max軟件進行1:1精確恢復高壓輸電線路模型，最后將該模型用DP-Modeler替換到實景三維模型中，完成基于多源數據的高壓輸電線路精細化模型構建。最后對所構建的精細化模型的優化效果進行定性分析和定量評定，驗證通過該方法可以有效的改善傾斜攝影測量中高壓輸電線路模型缺失、扭曲的現象，提高模型精度。

圖1 總體技術流程

2 基于多源數據的高壓輸電線路精細化建模

2.1 基于傾斜攝影的高壓輸電線路三維模型構建

無人機傾斜攝影技術適用于大范圍的三維場景。研究區選取在宿州市錢營孜煤礦的部分區域，該區域內的高壓輸電線路錯綜復雜且其他地物較少，便于數據采集。航攝面積約為5 km2，數據獲取設備如圖2所示，采用大疆M600搭載賽爾五鏡頭傾斜相機系統。該相機的圖像分辨率為6 000×4 000，相機焦距為10 mm，同時從垂直和4個傾斜視角對地物進行拍攝。數據采集方法是采用Z字的飛行模式，航向重疊率為80%，旁向重疊率為70%，相對航高為100 m，地面分辨率為2.82 cm,共獲取158 742張影像。

圖2 傾斜攝影測量拍攝設備

在對研究區的地質地貌有了充分了解后對像控點進行有選擇性的布設，控制點選取在穩固、清晰的特征點上或進行人工布設[12-14]，像控點采集設備是海星達iRTK5，采用RTK進行像控點的三維坐標采集，共采集了83個像控點。

本實驗采用的內業攝影測量處理軟件是瞰景Smart3D 2019,該軟件強大的空三能力和建模速度極大便利了三維模型構建。其模型構建具體操作如下：(1)分區空三。由于照片數量較多，電腦硬件無法支持如此多的照片一次空三，可以利用該軟件的分區空三計算功能，保證各個分區具有足夠的重疊區域，然后依次對各個分區進行空三計算，最后合并各個分區空三。(2)添加控制點。將RTK采集的像控點坐標按照規定的格式導入瞰景Smart3D 2019中，然后根據布設像控點的點之記在航攝像片中找到對應的特征點，依次加入各個像控點。最后再進行一次空三加密，完成控制網平差。(3)輸出模型。該軟件的自動化程度較高，只需根據需要選擇相應的三維模型格式提交任務，就可以得到想要的成果數據，軟件后臺自動完成三維TIN構建、生成白膜、紋理映射等[15]。

建模完成后，對模型邊緣非研究區域的拉花進行裁剪，對水面和建筑物出現的漏洞利用DP-Modeler進行修補。該研究區域的傾斜攝影測量模型成果如圖3所示。由圖可知，通過傾斜攝影構建的高壓輸電線路模型中電線塔有著很嚴重的缺失和扭曲的幾何錯誤現象，電力線也出現中斷的問題，無法達到高壓輸電線路精細化建模的要求。

圖3 傾斜攝影測量建模成果

2.2 基于激光點云的高壓輸電線路三維模型構建

機載LiDAR是集GPS、慣性導航系統、激光測距及高分辨率航拍相機于一體的新興測繪儀器[6]。該儀器可以通過慣性導航系統和GPS獲取無人機飛行時的平臺姿態信息和空間三維信息，并通過高分辨率航拍相機獲取地物影像，從而使獲得的點云具有真彩色信息[5]。激光雷達系統為獲取地物的空間三維信息提供了強大助力。

本實驗使用的數據采集設備如圖4所示。機載LiDAR設備是海達數云ARS-450i，無人機飛行平臺采用的是大疆M600。考慮到高壓輸電線路的走向和飛行效率，機載LiDAR掃描的飛行方向與輸電線路平行，航線條數為4，保證機載LiDAR獲得的點云數據的旁向重疊度在40%～50%，飛行高度為80 m。

圖4 激光點云采集設備

將獲得的點云進行內業數據處理。主要包括兩部分，激光點云數據的處理以及3ds Max構建高壓輸電線路模型。激光點云的預處理主要是利用航飛過程中的慣性導航系統、GPS等各項參數進行各個激光點的三維坐標解算，對解算后的點云分離空中噪點和濾波處理，然后將輸電線路從整體點云中分離出來，分離時可以將點云在高程條件下顯示，此時不同高程的點云具有不同的色彩，可以清晰的觀察到電力線和塔桿的輪廓信息，通過人工可以將輸電線路分離出來。如圖5所示，(a)、(b)、(c)為研究區三種典型的電線塔的點云數據。將獲得的電線塔點云數據導入3ds Max，從點云數據中獲得其幾何信息，通過3ds Max構建電線塔的精細化模型。重建的模型效果如圖5(d)、(e)、(f)所示。最后，相鄰的電線塔用電力線連接。由于航攝時飛行高度較高和輸電線路高聳、細長的特點，從航攝影像中提取紋理對3ds Max所建模型進行紋理貼圖時效果較差，所以為了增強電力塔、電力線等的視覺效果，對電力塔和電力線單獨賦色，結果如圖6所示，黃色的為電力線，灰色的為電力塔。

圖5 基于激光點云的不同類型電線塔建模成果

圖6 基于激光點云的高壓輸電線路建模成果

2.3 不同數據源的高壓輸電線路模型融合

傾斜攝影測量模型在高壓輸電線路上存在嚴重的模型缺失、扭曲現象。而通過機載LiDAR獲得的點云所建高壓輸電線路模型的地形信息又沒有傾斜攝影模型直觀。為此，將通過機載LiDAR獲得的高壓輸電線路3ds Max模型與攝影測量模型進行融合。其具體處理方法如下：(1)導出obj格式模型。在3ds Max中把高壓輸電線路模型導出為obj格式，注意在導出時要將3ds Max 中模型中心坐標歸于0。(2)攝影測量模型中的高壓輸電線路踏平。通過DP-Modeler將高壓輸電線路刪除，將刪除后產生的空洞進行修補和紋理修飾。(3)將3ds Max模型導入攝影測量模型中。利用DP-Modeler將3ds Max模型以絕對坐標導入攝影測量模型中，再通過旋轉模型使攝影測量模型與3ds Max模型精確套合。

基于傾斜攝影測量和機載LiDAR的高壓輸電線路精細化建模結果如圖7所示，從建模結果可以清晰的看出，通過該方法構建出來的高壓輸電線路模型消除了傾斜攝影模型缺失和扭曲問題。在研究區內通過全站儀采集了高壓輸電線路中的14個檢查點，將這14個檢查點分別在傾斜攝影模型和精細化模型中統計其偏差，如圖8所示。其中傾斜模型的平面中誤差為±8.23 cm，高程中誤差為±11.89 cm；精細化模型的平面中誤差為±3.12 cm，高程中誤差為±4.67 cm。精度得到較大改善，實現了高壓輸電線路模型精細化的目的。

圖7 高壓輸電線路精細化模型

圖8 檢查點基于兩種模型的精度統計

3 結 論

無人機傾斜攝影測量因其低成本、高效率、高精度成為大場景三維建模的首選方法。本文根據其在高壓輸電線路建模中出現的問題，提出了基于傾斜攝影測量和機載LiDAR的高壓輸電線路模型精細化方法，對高壓輸電線路實景模型精細化具有重要參考意義。但是，該方法也存在明顯不足，一是要獲取傾斜影像和點云數據需要兩次飛行，增加了外業的工作量；二是雖然建模效率有所提高，但和傾斜攝影測量相比，建模時間增加[16]。因此在建設高壓輸電線路的三維模型時，要根據需要綜合選擇輸電線路的三維建模方式。