无人机在电力勘测中的应用研究
时间：2023-06-26 15:35:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
孟浩灿 蒋达 申晓丹 林杰
（1.国网河南能源互联网电力设计院有限公司，河南 郑州 450001；
2.河南省测绘院，河南 郑州 450003；
3.河南省地质科学研究所，河南 郑州 450001）
“十四五”以来，我国电网建设保持高速发展，对电网勘测、设计、建设等各阶段作业效率提出了迫切需求。无人机航测技术凭借机动性强、分辨率高、实时性强、成图比例尺大、三维建模迅速等优点，迅速应用于电力勘测设计领域，可实时量测、提取、分析，选择变电站站址，输电线路路径优化，提高作业效率，保证勘测设计质量。
本文通过无人机搭载5 镜头倾斜相机，采用倾斜摄影获取高重叠度影像数据，利用集群处理影像数据，输出实景三维模型，实现变电站选址、输电线路三维选线、电力工程三维设计等应用。同时基于生成的4D产品，利用裸眼三维模型立体量测技术，实现变电站大比例尺地形图、输电线路平断面图、塔基断面图、房屋拆迁图等图件绘制。最后选取房角点、电塔脚点等电力工程敏感地物，对比三维模型与GPS 实测坐标差值，综合评估三维模型精度，结果表明无人机航测精度完全满足电力勘测需求。技术路线如图1 所示。
图1 技术路线
2.1 无人机倾斜摄影测量流程
（1）相机校准。光线在经过镜头中心时会发生一定程度的偏折，必须对相机进行校准标定。相机校准的参数主要有：主点偏移、径向畸变和切向畸变，在进行无人机摄影测量之前需对上述偏移进行标定，这是保证无人机摄影测量精度的基础[1]。
（2）航线规划及实施。航线规划的目的是为了更好地获取航测数据，航线设计的主要内容有：航高、重叠度、曝光时间间隔等[2]。选择合理的航高、重叠率对三维建模至关重要，无人机在电力领域航摄时尤其要注意高压电塔及输电线路的高度，航线设计高度要充分保证安全。无人机航高计算公式如下：
公式（1）中：H为航线航高；
f为物镜焦距；
s为地面采样距离；
a为相机感光元件尺寸大小。
（3）空三解算。本文采用光束法进行空三解算，基本原理是像点、投影中心、地物点三点成一条直线，以共线条件方程作为平差的基础方程，通过像控点的大地坐标，将每张像片的所有光束全部进行整体平差，以此来解算其他地物加密点的坐标，光束法空三加密共线方程如公式（2）所示。
公式（2）中：x、y为实际坐标值；
x0、y0、f是影像的内方位元素；
XS、YS、ZS为摄影点的物方空间坐标值；
XA、YA、ZA是物方点的空间坐标；
ai、bi、ci（i=1,2,3）为影像的3 个外方位角元素组成的9 个方向余弦[3]。
（4）点云构网。无人机航空摄影测量后获得的影像经过空三测量、影像匹配后，形成点云，进而形成三角网，这个过程就是点云构网。航摄影像在进行上述处理后会形成超高密度的三维点云数据，利用三维点云构建TIN 三角网，TIN 三角网构网成果如图2 所示。
图2 TIN网构建
（5） 纹理映射。通过无人机航测获得内外方位元素，将二维航片与三维模型上的同名点进行共线投影，然后筛选提出阴影遮挡、分辨率差、色彩分布不均的影像，将高质量的纹理映射到三维模型中，使三维模型精度更高，更加精细。
（6）倾斜摄影测量成品。利用Context Capture软件生成实景三维模型，实景三维模型可放大、缩小、旋转、量测，获取三维坐标信息。将倾斜摄影测量生成的三维实景模型加载到EPS 三维测图软件，可裸眼观察到模型细节，利用EPS 进行二三维联动数字化绘图，可绘制大比例尺地形图，进而绘制线路平断面图。
2.2 倾斜摄影测量技术构建变电站三维模型
利用倾斜摄影测量能迅速建立变电站主控楼等建筑物的三维模型，但对电塔、电力线等线状地物建模效果不佳，常出现电塔拉花、扭曲，电力线中断等情况[4]。采用倾斜摄影测量对变电站面状地物进行三维建模，杆塔、电力线等线状地物由机载LiDAR 点云数据提供三维坐标及细节信息。
倾斜摄影三维建模及机载LiDAR点云如图3所示，可见道路、主控楼等面状地物建模效果较好，杆塔出现扭曲、电力线中断，无法提供塔高、线高等信息。机载三维激光点云数据中杆塔、电力线等清晰可见，可进行量测分析。
图3 倾斜摄影三维模型和机载LiDAR点云数据
2.3 机载LiDAR 获取电塔及输电线路点云数据
倾斜摄影对电塔及电力线建模效果不佳，因此采用机载LiDAR 构建电塔及电力线三维模型。采用机载LiDAR 获取电力走廊的原始三维点云，主要包括通道内的地形地貌点云、电塔及输电线路点云两种。对原始点云进行配准、滤波、分类、缩减、建模等处理，提取原始点云中的有效信息，确定数据点之间的空间拓扑关系和邻域信息。
使用专业点云处理软件对数据进行预处理，对地表、水系、植被等经过抽稀、滤波除噪后进行粗略自动分类，点云自动分类流程如下：
点云数据→分离多次回波的首次回波和中间回波点→分离低点→分离空中点（电塔、输电线）→分离地面点→分离低于地面点→自动分类后的点云数据。
自动分类结束后，还应采用人工辅助分类方式对点云进行精细分类，一些无法根据回波信息、高程信息及周边点关系区分的点云需手动提取，并对地表植被、建筑物、电塔等构筑不规则三角网反复修正，剔除大部分错误。最后用处理后的高精点云导入三维平台，对交跨处进行量测分析。三维平台中呈现的电塔及输电线路点云如图4 所示。
图4 机载LiDAR获取的电塔及输电线点云
3.1 工程概况
本工程为郑州地区新建500kV 变电站工程，北侧为居民小区，南侧为陇海铁路，西侧为三环快速路，东南侧为现状热力电厂，目前为社区公园，植被覆盖较为密集，GPS 信号较差。拟建变电站站址东西长约245m，南北宽约90m，面积约为22050m2，输电线路路径长度为34.9km，要求变电站站址绘制1∶500 地形图，输电线路绘制满足施工图设计精度要求。
3.2 倾斜摄影获取实景三维模型
本工程采用科比特入云龙M6 六旋翼无人机，挂载睿博D2 五镜头相机，总像素达到1.2 亿，采用PPK 工作模式，飞行高度120m，航向重叠率80%，旁向重叠率70%，飞行速度为8m/s，坐标系为CGCS2000 坐标系统、1985 高程系统，地面点分辨率达到2.1cm。航飞完成后首先检查是否存在航摄漏洞，是否有大面积遮挡模糊等情况，然后利用UAV-PPK 软件将无人机影像POS 数据同GPS 静态观测数据同步解算，获得影像高精度POS 数据，最后利用Context Capture 软件经过影像匹配、空三加密、生成TIN 和纹理贴图等工序，建立高精度实景三维模型，如图5 所示。
图5 测区三维模型
3.3 机载LiDAR 获取电塔及输电线交跨信息
本工程使用大疆经纬M300RTK+L1 机载激光雷达对电塔及输电线路进行扫描，扫描范围为输电线路两侧各50m，飞行高度为100m，航向重叠率65%，旁向重叠率60%，飞行速度为13m/s，坐标系、高程和倾斜摄影测量相同，采用CGCS2000 坐标系统、1985 高程系统，便于对生成的高精度DEM 和实景三维模型融合处理。
利用点云智绘软件对激光点云进行滤波处理和点云分类，将点云数据划分为地表点云、电塔点云、输电线路点云及走廊内地物点云等。利用分类后的激光点云，对通道内已有的杆塔进行建模，获取铁塔的三维坐标信息，方便开展各种距离的量测作业，进行精准设计。输电线路跟踪相邻点云数据，将同一条线路上的点云数据识别出来，并输出矢量化的电力线成果，可分析线路走廊内导线与植被、建筑物、交叉跨越等净空距离，进而确定线路运行状态是否安全。地表点云生成高精度DEM 数据，可作为高程数据用于后续输电线路平断面的绘制。
3.4 变电站大比例尺地形图绘制
大比例尺地形图绘制采用清华山维EPS 软件，将三维模型导入软件后即可进行裸眼大比例尺地形图绘制，选取需要绘制的地物，如房子、道路、水系、植被、电力铁塔等，依次进行绘制。采用EPS 绘制大比例尺地形图时，不仅具有平面坐标，还带有高程信息，因此绘制时要正确选择地物的高程。该软件能够实现二三维数据联动，对于输电塔脚等易遮挡地物，可通过旋转视角，准确绘制出塔脚位置。该软件绘制成品能够直接导出cad 或南方cass 进行整理修饰，进而生成变电站大比例尺地形图，利用该方法能省去大量外业实测和调绘工作，大大提高地形图测绘效率。EPS绘制大比例尺地形图如图6 所示。
图6 基于实景三维模型绘制大比例尺地形图
3.5 输电线路平断面图绘制
倾斜摄影测量获得的实景三维模型直观、精度高，能满足各种比例尺地形图绘制要求，但存在数据量过大的缺点。以本工程为例，变电站航测面积仅为0.22平方千米，航片已经有11350 张，数据量为110GB，因此本工程线路采用无人机垂直摄影测量，生成高精度DOM，DEM 采用机载LiDAR 生成的高精度DEM。将二者导入EPS 软件形成垂直三维模型，绘制地物、地貌特征点，结合实地调绘信息绘制输电线路大比例尺地形图，进而绘制输电线路平断面图。垂直三维模型细节不及倾斜实景三维模型，但其数据量少，精度也能满足输电线路要求。基于垂直三维模型绘制地物、地貌如图7 所示，绘制的输电线路平断面图如8 所示，其中输电线路交叉跨越高度信息取自LiDAR点云数据。
图7 基于垂直三维模型绘制高速公路
图8 基于垂直三维模型生成的输电线路平断面图
4.1 像控点精度分析
选取变电站内5 个像控点进行精度分析，如表1 所示，像控点平面中误差为0.02m，高程中误差为0.052m，点位中误差为0.025m，精度较高，能够作为绘制大比例尺地形图的控制点使用。
表1 三维模型像控点精度分析
4.2 地形点精度评价
在电力工程中，对高压电塔、房屋等地物信息较为关注，故本工程采集房屋角点坐标18 个，采集高压电塔塔基点28 个，并对其进行精度分析，房角点平面最大误差为0.225m，高程最大误差为0.159m，三维最大误差为0.274m，塔脚点平面最大误差为0.237m，高程最大误差为0.273m，三维最大误差为0.283m，房角点及塔脚点误差分布如图9 所示，中误差分析如图10所示，均满足1∶500 大比例尺地形图测图精度需要。
图9 三维模型房角点和塔脚点精度分析
图10 中误差分析
本文讨论了将无人机倾斜摄影测量及机载LiDAR技术应用于电力工程的方法，利用高精度三维实景模型及点云数据获取变电站和输电线路大比例尺地形图，并以郑州市某新建500kV 变电站地形图绘制为例，分析了像控点、房角点、塔脚点等电力工程敏感地物精度，结果表明精度满足1∶500 大比例尺地形图所需，该技术应用于电力工程可行，相较传统电力测绘大大减少了外业工作，效率提升较为明显，有较大的实用价值和经济效益。
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