無人機(jī)在電力勘測中的應(yīng)用研究

孟浩燦 蔣達(dá) 申曉丹 林杰

（1.國網(wǎng)河南能源互聯(lián)網(wǎng)電力設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450001；2.河南省測繪院，河南 鄭州 450003；3.河南省地質(zhì)科學(xué)研究所，河南 鄭州 450001）

1 引言

“十四五”以來，我國電網(wǎng)建設(shè)保持高速發(fā)展，對電網(wǎng)勘測、設(shè)計(jì)、建設(shè)等各階段作業(yè)效率提出了迫切需求。無人機(jī)航測技術(shù)憑借機(jī)動性強(qiáng)、分辨率高、實(shí)時性強(qiáng)、成圖比例尺大、三維建模迅速等優(yōu)點(diǎn)，迅速應(yīng)用于電力勘測設(shè)計(jì)領(lǐng)域，可實(shí)時量測、提取、分析，選擇變電站站址，輸電線路路徑優(yōu)化，提高作業(yè)效率，保證勘測設(shè)計(jì)質(zhì)量。

2 無人機(jī)在電力勘測中的綜合應(yīng)用

本文通過無人機(jī)搭載5 鏡頭傾斜相機(jī)，采用傾斜攝影獲取高重疊度影像數(shù)據(jù)，利用集群處理影像數(shù)據(jù)，輸出實(shí)景三維模型，實(shí)現(xiàn)變電站選址、輸電線路三維選線、電力工程三維設(shè)計(jì)等應(yīng)用。同時基于生成的4D產(chǎn)品，利用裸眼三維模型立體量測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)變電站大比例尺地形圖、輸電線路平斷面圖、塔基斷面圖、房屋拆遷圖等圖件繪制。最后選取房角點(diǎn)、電塔腳點(diǎn)等電力工程敏感地物，對比三維模型與GPS 實(shí)測坐標(biāo)差值，綜合評估三維模型精度，結(jié)果表明無人機(jī)航測精度完全滿足電力勘測需求。技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 技術(shù)路線

2.1 無人機(jī)傾斜攝影測量流程

（1）相機(jī)校準(zhǔn)。光線在經(jīng)過鏡頭中心時會發(fā)生一定程度的偏折，必須對相機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)標(biāo)定。相機(jī)校準(zhǔn)的參數(shù)主要有：主點(diǎn)偏移、徑向畸變和切向畸變，在進(jìn)行無人機(jī)攝影測量之前需對上述偏移進(jìn)行標(biāo)定，這是保證無人機(jī)攝影測量精度的基礎(chǔ)[1]。

（2）航線規(guī)劃及實(shí)施。航線規(guī)劃的目的是為了更好地獲取航測數(shù)據(jù)，航線設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有：航高、重疊度、曝光時間間隔等[2]。選擇合理的航高、重疊率對三維建模至關(guān)重要，無人機(jī)在電力領(lǐng)域航攝時尤其要注意高壓電塔及輸電線路的高度，航線設(shè)計(jì)高度要充分保證安全。無人機(jī)航高計(jì)算公式如下：

公式（1）中：H為航線航高；f為物鏡焦距；s為地面采樣距離；a為相機(jī)感光元件尺寸大小。

（3）空三解算。本文采用光束法進(jìn)行空三解算，基本原理是像點(diǎn)、投影中心、地物點(diǎn)三點(diǎn)成一條直線，以共線條件方程作為平差的基礎(chǔ)方程，通過像控點(diǎn)的大地坐標(biāo)，將每張像片的所有光束全部進(jìn)行整體平差，以此來解算其他地物加密點(diǎn)的坐標(biāo)，光束法空三加密共線方程如公式（2）所示。

公式（2）中：x、y為實(shí)際坐標(biāo)值；x0、y0、f是影像的內(nèi)方位元素；XS、YS、ZS為攝影點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)值；XA、YA、ZA是物方點(diǎn)的空間坐標(biāo)；ai、bi、ci（i=1,2,3）為影像的3 個外方位角元素組成的9 個方向余弦[3]。

（4）點(diǎn)云構(gòu)網(wǎng)。無人機(jī)航空攝影測量后獲得的影像經(jīng)過空三測量、影像匹配后，形成點(diǎn)云，進(jìn)而形成三角網(wǎng)，這個過程就是點(diǎn)云構(gòu)網(wǎng)。航攝影像在進(jìn)行上述處理后會形成超高密度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用三維點(diǎn)云構(gòu)建TIN 三角網(wǎng)，TIN 三角網(wǎng)構(gòu)網(wǎng)成果如圖2 所示。

圖2 TIN網(wǎng)構(gòu)建

（5） 紋理映射。通過無人機(jī)航測獲得內(nèi)外方位元素，將二維航片與三維模型上的同名點(diǎn)進(jìn)行共線投影，然后篩選提出陰影遮擋、分辨率差、色彩分布不均的影像，將高質(zhì)量的紋理映射到三維模型中，使三維模型精度更高，更加精細(xì)。

（6）傾斜攝影測量成品。利用Context Capture軟件生成實(shí)景三維模型，實(shí)景三維模型可放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、量測，獲取三維坐標(biāo)信息。將傾斜攝影測量生成的三維實(shí)景模型加載到EPS 三維測圖軟件，可裸眼觀察到模型細(xì)節(jié)，利用EPS 進(jìn)行二三維聯(lián)動數(shù)字化繪圖，可繪制大比例尺地形圖，進(jìn)而繪制線路平斷面圖。

2.2 傾斜攝影測量技術(shù)構(gòu)建變電站三維模型

利用傾斜攝影測量能迅速建立變電站主控樓等建筑物的三維模型，但對電塔、電力線等線狀地物建模效果不佳，常出現(xiàn)電塔拉花、扭曲，電力線中斷等情況[4]。采用傾斜攝影測量對變電站面狀地物進(jìn)行三維建模，桿塔、電力線等線狀地物由機(jī)載LiDAR 點(diǎn)云數(shù)據(jù)提供三維坐標(biāo)及細(xì)節(jié)信息。

傾斜攝影三維建模及機(jī)載LiDAR點(diǎn)云如圖3所示，可見道路、主控樓等面狀地物建模效果較好，桿塔出現(xiàn)扭曲、電力線中斷，無法提供塔高、線高等信息。機(jī)載三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中桿塔、電力線等清晰可見，可進(jìn)行量測分析。

圖3 傾斜攝影三維模型和機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.3 機(jī)載LiDAR 獲取電塔及輸電線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)

傾斜攝影對電塔及電力線建模效果不佳，因此采用機(jī)載LiDAR 構(gòu)建電塔及電力線三維模型。采用機(jī)載LiDAR 獲取電力走廊的原始三維點(diǎn)云，主要包括通道內(nèi)的地形地貌點(diǎn)云、電塔及輸電線路點(diǎn)云兩種。對原始點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)、濾波、分類、縮減、建模等處理，提取原始點(diǎn)云中的有效信息，確定數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的空間拓?fù)潢P(guān)系和鄰域信息。

使用專業(yè)點(diǎn)云處理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，對地表、水系、植被等經(jīng)過抽稀、濾波除噪后進(jìn)行粗略自動分類，點(diǎn)云自動分類流程如下：

點(diǎn)云數(shù)據(jù)→分離多次回波的首次回波和中間回波點(diǎn)→分離低點(diǎn)→分離空中點(diǎn)（電塔、輸電線）→分離地面點(diǎn)→分離低于地面點(diǎn)→自動分類后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

自動分類結(jié)束后，還應(yīng)采用人工輔助分類方式對點(diǎn)云進(jìn)行精細(xì)分類，一些無法根據(jù)回波信息、高程信息及周邊點(diǎn)關(guān)系區(qū)分的點(diǎn)云需手動提取，并對地表植被、建筑物、電塔等構(gòu)筑不規(guī)則三角網(wǎng)反復(fù)修正，剔除大部分錯誤。最后用處理后的高精點(diǎn)云導(dǎo)入三維平臺，對交跨處進(jìn)行量測分析。三維平臺中呈現(xiàn)的電塔及輸電線路點(diǎn)云如圖4 所示。

圖4 機(jī)載LiDAR獲取的電塔及輸電線點(diǎn)云

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

本工程為鄭州地區(qū)新建500kV 變電站工程，北側(cè)為居民小區(qū)，南側(cè)為隴海鐵路，西側(cè)為三環(huán)快速路，東南側(cè)為現(xiàn)狀熱力電廠，目前為社區(qū)公園，植被覆蓋較為密集，GPS 信號較差。擬建變電站站址東西長約245m，南北寬約90m，面積約為22050m2，輸電線路路徑長度為34.9km，要求變電站站址繪制1∶500 地形圖，輸電線路繪制滿足施工圖設(shè)計(jì)精度要求。

3.2 傾斜攝影獲取實(shí)景三維模型

本工程采用科比特入云龍M6 六旋翼無人機(jī)，掛載睿博D2 五鏡頭相機(jī)，總像素達(dá)到1.2 億，采用PPK 工作模式，飛行高度120m，航向重疊率80%，旁向重疊率70%，飛行速度為8m/s，坐標(biāo)系為CGCS2000 坐標(biāo)系統(tǒng)、1985 高程系統(tǒng)，地面點(diǎn)分辨率達(dá)到2.1cm。航飛完成后首先檢查是否存在航攝漏洞，是否有大面積遮擋模糊等情況，然后利用UAV-PPK 軟件將無人機(jī)影像POS 數(shù)據(jù)同GPS 靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)同步解算，獲得影像高精度POS 數(shù)據(jù)，最后利用Context Capture 軟件經(jīng)過影像匹配、空三加密、生成TIN 和紋理貼圖等工序，建立高精度實(shí)景三維模型，如圖5 所示。

圖5 測區(qū)三維模型

3.3 機(jī)載LiDAR 獲取電塔及輸電線交跨信息

本工程使用大疆經(jīng)緯M300RTK+L1 機(jī)載激光雷達(dá)對電塔及輸電線路進(jìn)行掃描，掃描范圍為輸電線路兩側(cè)各50m，飛行高度為100m，航向重疊率65%，旁向重疊率60%，飛行速度為13m/s，坐標(biāo)系、高程和傾斜攝影測量相同，采用CGCS2000 坐標(biāo)系統(tǒng)、1985 高程系統(tǒng)，便于對生成的高精度DEM 和實(shí)景三維模型融合處理。

利用點(diǎn)云智繪軟件對激光點(diǎn)云進(jìn)行濾波處理和點(diǎn)云分類，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)劃分為地表點(diǎn)云、電塔點(diǎn)云、輸電線路點(diǎn)云及走廊內(nèi)地物點(diǎn)云等。利用分類后的激光點(diǎn)云，對通道內(nèi)已有的桿塔進(jìn)行建模，獲取鐵塔的三維坐標(biāo)信息，方便開展各種距離的量測作業(yè)，進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。輸電線路跟蹤相鄰點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將同一條線路上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)識別出來，并輸出矢量化的電力線成果，可分析線路走廊內(nèi)導(dǎo)線與植被、建筑物、交叉跨越等凈空距離，進(jìn)而確定線路運(yùn)行狀態(tài)是否安全。地表點(diǎn)云生成高精度DEM 數(shù)據(jù)，可作為高程數(shù)據(jù)用于后續(xù)輸電線路平斷面的繪制。

3.4 變電站大比例尺地形圖繪制

大比例尺地形圖繪制采用清華山維EPS 軟件，將三維模型導(dǎo)入軟件后即可進(jìn)行裸眼大比例尺地形圖繪制，選取需要繪制的地物，如房子、道路、水系、植被、電力鐵塔等，依次進(jìn)行繪制。采用EPS 繪制大比例尺地形圖時，不僅具有平面坐標(biāo)，還帶有高程信息，因此繪制時要正確選擇地物的高程。該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)二三維數(shù)據(jù)聯(lián)動，對于輸電塔腳等易遮擋地物，可通過旋轉(zhuǎn)視角，準(zhǔn)確繪制出塔腳位置。該軟件繪制成品能夠直接導(dǎo)出cad 或南方cass 進(jìn)行整理修飾，進(jìn)而生成變電站大比例尺地形圖，利用該方法能省去大量外業(yè)實(shí)測和調(diào)繪工作，大大提高地形圖測繪效率。EPS繪制大比例尺地形圖如圖6 所示。

圖6 基于實(shí)景三維模型繪制大比例尺地形圖

3.5 輸電線路平斷面圖繪制

傾斜攝影測量獲得的實(shí)景三維模型直觀、精度高，能滿足各種比例尺地形圖繪制要求，但存在數(shù)據(jù)量過大的缺點(diǎn)。以本工程為例，變電站航測面積僅為0.22平方千米，航片已經(jīng)有11350 張，數(shù)據(jù)量為110GB，因此本工程線路采用無人機(jī)垂直攝影測量，生成高精度DOM，DEM 采用機(jī)載LiDAR 生成的高精度DEM。將二者導(dǎo)入EPS 軟件形成垂直三維模型，繪制地物、地貌特征點(diǎn)，結(jié)合實(shí)地調(diào)繪信息繪制輸電線路大比例尺地形圖，進(jìn)而繪制輸電線路平斷面圖。垂直三維模型細(xì)節(jié)不及傾斜實(shí)景三維模型，但其數(shù)據(jù)量少，精度也能滿足輸電線路要求。基于垂直三維模型繪制地物、地貌如圖7 所示，繪制的輸電線路平斷面圖如8 所示，其中輸電線路交叉跨越高度信息取自LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖7 基于垂直三維模型繪制高速公路

圖8 基于垂直三維模型生成的輸電線路平斷面圖

4 精度分析

4.1 像控點(diǎn)精度分析

選取變電站內(nèi)5 個像控點(diǎn)進(jìn)行精度分析，如表1 所示，像控點(diǎn)平面中誤差為0.02m，高程中誤差為0.052m，點(diǎn)位中誤差為0.025m，精度較高，能夠作為繪制大比例尺地形圖的控制點(diǎn)使用。

表1 三維模型像控點(diǎn)精度分析

4.2 地形點(diǎn)精度評價(jià)

在電力工程中，對高壓電塔、房屋等地物信息較為關(guān)注，故本工程采集房屋角點(diǎn)坐標(biāo)18 個，采集高壓電塔塔基點(diǎn)28 個，并對其進(jìn)行精度分析，房角點(diǎn)平面最大誤差為0.225m，高程最大誤差為0.159m，三維最大誤差為0.274m，塔腳點(diǎn)平面最大誤差為0.237m，高程最大誤差為0.273m，三維最大誤差為0.283m，房角點(diǎn)及塔腳點(diǎn)誤差分布如圖9 所示，中誤差分析如圖10所示，均滿足1∶500 大比例尺地形圖測圖精度需要。

圖9 三維模型房角點(diǎn)和塔腳點(diǎn)精度分析

圖10 中誤差分析

5 結(jié)論

本文討論了將無人機(jī)傾斜攝影測量及機(jī)載LiDAR技術(shù)應(yīng)用于電力工程的方法，利用高精度三維實(shí)景模型及點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取變電站和輸電線路大比例尺地形圖，并以鄭州市某新建500kV 變電站地形圖繪制為例，分析了像控點(diǎn)、房角點(diǎn)、塔腳點(diǎn)等電力工程敏感地物精度，結(jié)果表明精度滿足1∶500 大比例尺地形圖所需，該技術(shù)應(yīng)用于電力工程可行，相較傳統(tǒng)電力測繪大大減少了外業(yè)工作，效率提升較為明顯，有較大的實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。