基于傾斜攝影的輸電線路三維建模應用研究

馬海霞，李中興，陳斯炯

（1.華南理工大學廣州學院電氣工程學院，廣東廣州 510800；2.廣東機電職業技術學院電氣技術系，廣東廣州 510515；3.廣東電網有限責任公司汕頭澄海供電局，廣東汕頭 515800）

近年來，我國電網建設高速發展，規模已居世界首位。無人機巡檢技術在輸配電線路巡檢中被迅速推廣應用，以提高巡檢效率，降低工作人員勞動強度。目前無人機自主巡檢中，一個至關重要的制約其發展的因素是輸配電網絡三維模型的建立。輸電線路巡檢中三維建模一般采用激光雷達進行,但由于設備昂貴，導致電網企業需投入的資金較多，在短期內無法實現全面覆蓋。而傳統3D MAX 建模技術難度較大、專業性強，主要應用于建造設計中。現有技術的大規模三維建模流程也尚未規范，造成工作效率低下。無人機攝影技術是近年來發展起來的一種新的三維建模技術，主要在違章建筑監測、測繪及智慧旅游等領域開始應用，并取得了良好的效果[1-3]。文獻[4]針對單體建筑物三維精細化建模問題，使用單體建筑物影像三維環繞式航線規劃技術的數據采集的方法，提高模型精度和視覺效果[4]。文獻[5]提出了一種基于傾斜影像三維線特征約束的三維模型優化方法，來消除模型的凹凸不平和邊緣鋸齒等視覺效果不佳問題[5]。目前已經有研究人員開始探索將傾斜攝影技術用于電力行業，文獻[6]將激光雷達與傾斜攝影技術融合起來，對電力巡檢系統進行優化[6]。文獻[7]使用傾斜攝影技術對水電站進行三維建模，以解決老水電站數字化困難的問題[7]。文中針對當前架空輸電線路三維建模的不足，提出使用傾斜攝影技術進行輸電線路的三維建模，并依據實際建模經驗提出一套規范化的建模操作流程，降低設備成本，提高工作效率，為大規模輸電線路三維建模提供依據。

1 無人機傾斜攝影技術

1.1 傾斜攝影原理

無人機傾斜攝影技術是通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器（傾斜相機），同時從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體更為完整準確信息的一種方法。

傾斜相機不管是單鏡頭還是多鏡頭，都會拍攝一組正射影像和4 組傾斜影像，通過區域網平差算法將傾斜攝影影像進行聯合平差、影像匹配、三維建模，提取所需信息[8]。傾斜攝影圖像處理流程如圖1所示。

圖1 傾斜攝影圖像處理流程

多視角圖像具有垂直視角的正射圖像和傾斜圖像。多視影像在聯合平差過程中需要判斷物體遮擋情況，結合無人機提供的經緯度數據獲得影像外的方位信息，在建立連接點和連接線的過程中，將執行相同名稱圖像點的自動匹配和自由網束方法的調整。控制點坐標、GPS 信息、三軸姿態角和加速度測量信息用作輔助數據，以進行算法的調整。影像匹配可以獲取高精度的數字表面模型（DSM），并且可以更好地表達地形的起伏形狀。在真正射影像糾正過程中，需要用到大量的多角度傾斜圖像和連續數字高程模型（DEM），而且需要用到離散分布且差異很大的地面物體。因此，需要分別在圖像側執行校正、圖像分割、邊緣信息提取、紋理聚類等方法，以提取圖像側的立體信息。

通過上述步驟對斜攝影圖像進行處理后，可以使用專業的軟件生成斜攝影模型，即單體模型或非單體模型。單體模型基于圖像中側面紋理的特定細節，結合三維線框模型，在紋理映射后生成三維模型。在該過程中，高密度點云也可用于構建不規則性的表面，三角網格模型可生成具有一定映射精度的斜攝影三維模型[9]。

1.2 傾斜攝影測量的優點

如圖2 所示，傾斜攝影測量能夠清晰地展現真實地物信息，相比于傳統3D MAX 建模誤差大的缺點，能夠做出較好的補償。傾斜攝影三維模型的高度、面積、體積等信息可以通過軟件進行測量，相比使用全站儀等設備測量更加方便。相比于傳統3D MAX 建模方式，傾斜攝影測量從外業采集到內業，數據處理整個流程所用的時間僅為傳統3D MAX 建模的1∕3，大大節省了建模時間。在三維模型建立過程中，傾斜攝影測量技術能夠進行大規模圖像采集和模型重建，同時能夠直觀地表現物體立面的紋理信息、壓縮建模時間、節約建模成本。使用傳統方法重建的三維模型數據量較大，不宜于儲存與發布，傾斜攝影三維模型的影像數據數據量較小，便于進行數據共享[10-11]。

圖2 傾斜攝影測量技術的優點

1.3 圖像幾何失真處理

進行傾斜攝影測量時，首先應對幾何圖形進行多視圖處理，糾正和消除圖像的幾何失真。導致圖像變形的原因包括地面的起伏、光折射的影響、傳感器的位置以及無人機飛行姿態的變化等。除此之外，由于攝像機的內部結構，成像分辨率和鏡頭質量等原因，也會導致圖像變形。上述像點偏移的誤差是由傳感器結構和各種外部原因引起的，而引起變形最主要的誤差來自鏡頭畸變，但它所產生的誤差屬于系統誤差，可以通過一定的計算方法進行消除[12]。鏡頭的構造則不同，通常會導致出現變形的情況，這種變形稱為光學畸變。除了鏡頭本身的構造外，感光元件及相機內部光電轉換元件對影像進行處理時也會造成一定的誤差，形成畸變。徑向畸變、切向畸變和電荷耦合器件面陣變形都是常見的光學畸變。文中使用相機檢校軟件對相機進行檢校，獲取畸變參數，對影像進行畸變差糾正。

2 傾斜攝影三維建模規范化流程

使用無人機傾斜攝影測量技術進行輸電線路的三維模型重建工作，可以分為兩部分：外業工作和內業數據處理。傾斜攝影測量的外業工作是在測量中進行所有前期數據采集工作的統稱，其工作流程包括：現場踏勘、航攝方案擬定和航攝實施。傾斜攝影航攝任務結束后，將影像數據從內存卡拷貝到工作站上，開始進行數據處理。內業數據處理主要包括以下流程：原始數據準備、提交控制三角測量、提交三維重建、生成三維網格和三維點云、三維網格及三維點云的修飾以及三維模型的應用。

通過多次實踐，總結出一套利用無人機傾斜攝影測量技術進行三維建模的流程，如圖3 所示。

圖3 無人機傾斜攝影三維建模流程

3 輸電線路實訓基地三維建模

文中采用的三維建模系統為Bentley公司的Context Capture 軟件[13-14]。該軟件能夠根據相機內部方位元素、照片位置、云臺姿態參數和POS 坐標等數據，通過空中三角測量和3D 重構輸入相關參數，可以自動生成真實圖像的高密度點云，并生成三維模型。

3.1 外業數據采集

文中以某輸電線路實訓基地為例進行三維模型重建，實訓基地西側樹木較高，對地高度約為30 m，東側為學生公寓，對地高度約為25 m。

1）測區劃定

文中以輸電線路實訓基地中三基塔為主體，三基塔經緯度坐標如表1所示，測繪區面積為2 075 m2。

表1 測區經緯坐標

桿塔位置及邊界點位置如圖4 所示。

圖4 測區劃定

2）航攝技術參數確定

為確保無人機按照計劃航線完成此次航攝飛行任務，需根據無人機飛行安全規范以及低空數字航空攝影規范的相關規定，在實施航攝之前完成各項航攝技術參數：航高、航線等參數的計算[15-16]。

首先要計算航高，根據測區地形與預計影像精度，對于不同任務需要選擇合適的測圖比例尺和分辨率，再依據式（1）計算航高參數：

式（1）中，H為攝影航高(m)；f為物鏡鏡頭焦距(mm)；a為像元尺寸(μm)；GSD為地面分辨率(cm)。

確定測區范圍后，通過測區的面積確定飛行航向以及飛行航線長度，根據式（2）計算可得出航線間隔寬度，根據式（3）計算可得出攝影長度：

其中，DX表示實地航線間隔寬度，BX表示實地攝影長度，LX表示像幅長度，LY表示像幅寬度；PX表示航向重疊率，QY表示旁向重疊率。

文中選用大疆Phantom4ProV2.0 無人機作為執行航攝任務的平臺，相機云臺的傾角設置為-45°，飛行的平均速度設置為4 m∕s，航攝任務共計需要20 min。

3.2 三維模型重建

外業數據采集任務后獲得原始影像469 張，經過檢查清晰度及坐標等原始數據確定其中339 張可用于三維重建，影像利用率為72%；利用空中三角測量，計算出關鍵連接點67 482 個；重投影誤差為0.66像素。空中三角測量完成后，由關鍵連接點生成3D視圖，如圖5 所示。

圖5 空中三角測量3D視圖

三維重建有兩種方法：三維網格重建和三維點云重建。三維網格重建效果如圖6 所示。

圖6 三維網格重建效果

圖6 為三維網格重建效果，其時間取決于模型范圍的大小和模型重建的精度，通過多次對不同模型范圍及不同精度進行建模對比，發現模型范圍越大，重建時間越長；精度越高，重建時間也越長。在規劃的測繪區域外，由于圖像數量較少、重疊率較低，導致出現空洞，影響模型的美觀，需要對其進行修飾，才能達到更好的效果。三維點云重建時，由于傾斜攝影所采集的影像是由像素點構成的，能夠通過計算為每一個像素點定義屬性，與激光點十分相似，隨著相機像素不斷提高，大幅度提升了建模效果，對于一般的場景，足夠達到其應用要求。

4 結論

無人機傾斜攝影三維建模相比于傳統建模技術，可以實現快速建模，并且其視覺效果更加接近于現實。文中針對輸電線路實習基地利用傾斜攝影技術建立了三維模型，得到了三維網格建模模型和三維點云建模模型，并對兩種模型作了對比分析。同時在建模傾斜攝影建模實踐中總結出建模工作流程。三維網格重建后精度基本上可以達到厘米級，滿足線路巡檢的基本要求，為無人機自主巡檢提供了依據。利用三維點云重建的三維模型可以自動測量導線的對地距離，不需要人工進行巡檢，節約了時間，提高了巡檢的效率。但是桿塔結構或樹木的遮擋導致部分數據缺失是不可避免的，其對桿塔構建精細部分的重建誤差較大，使輸電線路精細化巡檢具有一定的難度。但隨著技術的發展和硬件性能的提升，傾斜攝影三維建模精度逐步升高，輸電線路精細化巡檢的問題也將得以解決。