一、項(xiàng)目背景

數(shù)字化三維設(shè)計(jì)是新一代智能設(shè)計(jì)平臺(tái)的基礎(chǔ)，目前我國(guó)各行各業(yè)均廣泛、深入的應(yīng)用三維設(shè)計(jì)技術(shù)。2017年開(kāi)始，國(guó)家電網(wǎng)公司與南方電網(wǎng)公司共同力推數(shù)字化三維設(shè)計(jì)技術(shù)在電力工程中全面應(yīng)用。未來(lái)，以三維設(shè)計(jì)為核心的數(shù)字化設(shè)計(jì)，將成為貫穿電力工程全過(guò)程、全生命周期的主軸線。

無(wú)人機(jī)中、低空數(shù)據(jù)采集技術(shù)作為空間數(shù)據(jù)獲取的一項(xiàng)重要手段，具有續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、飛行成本低、數(shù)據(jù)分辨率高、調(diào)度機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，并可進(jìn)入高危地區(qū)探測(cè)，是衛(wèi)星遙感與傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量的有力補(bǔ)充。[1]

本文利用飛馬智能航測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行航空攝影測(cè)量，采集擬建輸電線路走廊影像數(shù)據(jù)，制作實(shí)景三維模型，并導(dǎo)入三維設(shè)計(jì)平臺(tái)中[1]?；谌S模型進(jìn)行輸電線路設(shè)計(jì)，將極大提高設(shè)計(jì)可視化程度，并能精確量測(cè)地物與線路的空間距離，優(yōu)化線路路徑。

1.1無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)

本文采用飛馬D1000智能航測(cè)系統(tǒng)，D1000是飛馬機(jī)器人推出的一款基于旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)的一體化智能航測(cè)系統(tǒng)；系統(tǒng)基于無(wú)人機(jī)管家iPad版，支持正射、條帶、傾斜、環(huán)繞、全景多種作業(yè)模式的專業(yè)航線設(shè)計(jì)與全自動(dòng)飛行控制功能；整合無(wú)人機(jī)管家專業(yè)版軟件，在其穩(wěn)健的空三解算、控制點(diǎn)測(cè)量、一鍵成圖等支持下，針對(duì)旋翼相機(jī)優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)大比例尺精度應(yīng)用，并提供DSM、真正射、三維模型等多種成果。

1.2工程概況

邢西~臨泉π入龍泉220kV線路工程位于太行山東部丘陵地區(qū)，起自新建龍泉220kV變電站，止于邢西~臨泉220kV線路東、西破口點(diǎn)，形成龍泉~邢西220kV線路和龍泉~臨泉220kV線路。

表1 工程概況

Table1Project Overview

二、技術(shù)路線圖

三、作業(yè)流程

3.1航線設(shè)計(jì)

針對(duì)本工程線路走向，為完全覆蓋兩條線路兩側(cè)各100m的線路走廊區(qū)域，測(cè)區(qū)宜設(shè)計(jì)為多邊形，如圖1所示。最低點(diǎn)高程279m，最高點(diǎn)高程308m，經(jīng)計(jì)算得到測(cè)區(qū)平均高程為292m。根據(jù)規(guī)范要求，當(dāng)航攝比例尺大于或等于1:7000時(shí)，測(cè)區(qū)內(nèi)的地形高差一般不大于1/6相對(duì)航高，航攝設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

圖1 航線布設(shè)圖

Fig. 1 Route layout

表2 無(wú)人機(jī)航攝設(shè)計(jì)

Table 2 Drone aerial photography design

3.2像控點(diǎn)布設(shè)

由于本工程設(shè)計(jì)采用的坐標(biāo)系為西安80，而無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)自帶坐標(biāo)系為WGS84，故需要布設(shè)像控點(diǎn)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系。像控點(diǎn)的精度和數(shù)量直接影響到航測(cè)數(shù)據(jù)后處理的精度，所以像控點(diǎn)的布設(shè)和選擇應(yīng)當(dāng)盡量規(guī)范、嚴(yán)格、精確。本次像控點(diǎn)布設(shè)采用噴漆法布設(shè)像控點(diǎn)7個(gè)，并使用GPS采集點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)（西安80）。像控點(diǎn)分布如圖2所示。

圖2 像控點(diǎn)分布圖（藍(lán)線為線路走向）

Fig. 2 control point distribution map (blue line isthe line direction)

四、輸電線路走廊實(shí)景建模

利用航空影像數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，采用影像匹配彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)技術(shù)和三維網(wǎng)格優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)三維建模、紋理映射、連接點(diǎn)重構(gòu)紋理和重建約束，建立輸電線路走廊三維模型[3]。

4.1 三維建模流程

使用航攝影像處理軟件，對(duì)采集的航攝相片進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)影像進(jìn)行勻光和降噪。之后根據(jù)影像的航向和旁向重疊數(shù)據(jù)，將相片拼接為整副影像。利用無(wú)人機(jī)航飛拍攝的POS數(shù)據(jù)與地面像控點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)行空三校正，將影像坐標(biāo)系由WGS84轉(zhuǎn)為本工程所需的西安80坐標(biāo)系。最后通過(guò)影像匹配點(diǎn)云，TIN三角建模及紋理貼附，生成三維影像模型，如圖3所示。

（a）影像匹配點(diǎn)云

（b）構(gòu)建數(shù)字地表模型

（c）自動(dòng)紋理貼圖

圖3 輸電線路走廊實(shí)景建模過(guò)程

Fig. 3 Transmission line corridor real-time modelingprocess

至此，三維實(shí)景模型中的地物只有空間信息，沒(méi)有屬性信息。因此，需要賦予道路、樹(shù)木、房屋、交跨線等地物屬性信息，從而可以在線路選線過(guò)程中實(shí)現(xiàn)空間距離量算。

圖4 交跨地物信息標(biāo)繪

Fig. 4 Cross-land feature information plotting

4.2 三維模型精度分析

本工程在航飛前，采集了輸電線路5基塔塔位作為航飛精度檢測(cè)點(diǎn)。像控點(diǎn)校正方面，中誤差在±0.01m。經(jīng)檢測(cè)點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比，三維模型中平面中誤差在±0.05~0.1m之間，高程中誤差在±0.1~0.2m之間。根據(jù)《220kV及以下架空送電線路勘測(cè)技術(shù)規(guī)程》要求，本次測(cè)量精度滿足設(shè)計(jì)深度規(guī)定。

表3 像控點(diǎn)殘差分析

表4 檢測(cè)點(diǎn)對(duì)比結(jié)果精度分析

五、工程應(yīng)用與精度分

5.1地物標(biāo)繪精度比對(duì)分析

由于本工程在開(kāi)展三維設(shè)計(jì)之前，已完成全線祥測(cè)工作。因此，將人工測(cè)量成果中的樹(shù)木、道路、房屋等交跨地物與三維模型進(jìn)行比對(duì)分析，即可得出三維模型中地物標(biāo)繪的精度。

（a）已有塔基位置對(duì)比

（b）房屋標(biāo)繪位置對(duì)比

（c）道路標(biāo)繪位置對(duì)比

圖5 地物標(biāo)繪對(duì)比（紅色為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)）

將三維模型中標(biāo)繪的地物與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，如圖5所示，比對(duì)結(jié)果如表5所示。由此可以看出，除無(wú)法識(shí)別的地物外，考慮兩種測(cè)量方式存在對(duì)地物邊界定義不完全一致的因素，可以認(rèn)為三維模型中的地物精度能夠滿足初設(shè)要求。

5.2空間距離量算

在三維場(chǎng)景中，基于BIM技術(shù)對(duì)輸電線路的塔、線、串進(jìn)行三維建模，可以真實(shí)模擬輸電線路走廊場(chǎng)景，如圖6所示。依據(jù)《110kV~750kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)于220kV架空輸電線路的安全距離規(guī)定（表4），便可以對(duì)輸電線路走廊內(nèi)的交跨地物進(jìn)行空間距離量測(cè)，對(duì)輸電線路走廊內(nèi)的居民地、建筑、樹(shù)木等交叉跨越物進(jìn)行精確的空間距離量測(cè)，并對(duì)不滿足安全距離的區(qū)段進(jìn)行報(bào)警提示，如圖7所示。

圖6 三維場(chǎng)景中的塔、線、串模型

圖7 三維空間距離精確校驗(yàn)

Fig. 7 Accuratecalibration of three-dimensional space

六、效果評(píng)價(jià)

隨著國(guó)家電網(wǎng)公司基建部2018【585】號(hào)文的頒布，所有新建35kV及以上電壓等級(jí)輸變電工程均要求采用三維設(shè)計(jì)手段開(kāi)展設(shè)計(jì)工作。通過(guò)無(wú)人機(jī)航測(cè)獲取線路走廊DOM與DEM，是輸電工程開(kāi)展三維設(shè)計(jì)的前提。本文利用飛馬無(wú)人機(jī)D1000航測(cè)系統(tǒng)對(duì)輸電線路走廊進(jìn)行數(shù)字化三維建模，真實(shí)還原架空輸電線路工程實(shí)景模型，為輸電線路路徑優(yōu)化與交跨地物的空間距離量算提供了數(shù)據(jù)支撐。將本次研究成果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，可總結(jié)出利用飛馬航測(cè)系統(tǒng)開(kāi)展輸電線路三維設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)如下。

（1）飛馬無(wú)人機(jī)操控及數(shù)據(jù)處理流程簡(jiǎn)單快捷，易上手，新手經(jīng)過(guò)半天培訓(xùn)即可開(kāi)展獨(dú)立作業(yè)（2）航測(cè)數(shù)據(jù)覆蓋面積廣，數(shù)據(jù)獲取速度快，即使線路路徑發(fā)生變動(dòng)也無(wú)需重測(cè)，方便開(kāi)展路徑優(yōu)化工作。（3）基于DOM及DEM調(diào)繪沿線地物，可大量減輕傳統(tǒng)人工測(cè)量工作量。以本工程為例，傳統(tǒng)測(cè)量需2個(gè)工作日，而采用航測(cè)僅需1小時(shí)。（4）對(duì)于沿線需砍伐或高跨的樹(shù)木，由于人工測(cè)量只標(biāo)注行距與株距，而航攝影像可以清楚辨別單棵樹(shù)木，因此航測(cè)手段對(duì)樹(shù)木數(shù)量的統(tǒng)計(jì)更精準(zhǔn)。