输电线路走廊三维模型构建方法研究

输电线路走廊三维模型构建方法研究

闫国云 李宗洋 张发岳 龚永胜

中国电建集团青海省电力设计院有限公司，青海省，西宁市，810000

摘要：随着无人机遥感技术的发展，对输电线路走廊三维模型的要求越来越高。本文针对倾斜摄影测量技术、激光雷达测量技术两种方法研究输电线路构建方法和流程，通过对比建模难易程度、建模成果等方面进行对比分析，进而选出最优的架空输电线路三维模型构建方案，为后续无人机自主巡检作业模式提供科学化决策参考依据。

关键词：无人机遥感；倾斜摄影；三维激光扫描;三维模型;输电线路;自主巡检

1.引言

倾斜摄影测量技术以大范围、高精度、高清晰的方式全面感知复杂场景，通过高效的数据采集设备及专业的数据处理流程生成的数据成果直观反映输电线路通道走廊及本体的外观、位置、高度等属性，为真实效果和测绘级精度提供保证，该技术可有效提升模型的生产效率；机载激光雷达技术具备快速获取地表测绘数据（特别是条带状地表数据）时其便捷、快速、高效的优特点非常明显。机载激光雷达扫描作为一种新型空间测量技术手段，其成果激光点云具有与传统空间数据显著不同的特性，原始点云数据，经过滤波、分类等处理后形成合格的产品数据，才能进行可视化工作，同时机载激光雷达点云数据量庞大，一次飞行作业往往能够形成数百GB的点云及影像数据，对后期处理软件的性能、功能等方面提出了较高的要求。为了更好的对比、分析、评价倾斜摄影测量技术与激光雷达技术在架空输电线路三维模型构建中，特别是用于支持无人机全自助巡检应用中的起到的作用，从而找出合理的输电线路高精度三维构建方法。

（图1 人工检测电力线路）                   （图2 无人机检测电力线路）

2.基于倾斜摄影测量技术的输电线路走廊三维模型构建方法

基于倾斜摄影测量技术的输电线路走廊三维建模是通过无人机载体平台，搭载多角度相机对输电线路走廊及杆塔本体进行多角度图像采集，并对采集到的图像数据进行空间三维计算与处理，形成输电线路通道走廊及杆塔本体的真实三维模型。

（图3 倾斜摄影测量航线规划）                （图4 倾斜摄影测量模型图）

2.1倾斜测量技术输电线路数据采集方法

架空输电线路走廊一般架设在地形起伏较大、植被覆盖密集的山地或者林地，具有线路架设高度大、路线跨度长，呈条带状分布的特点；同时，不同线路互相交错，分布结构复杂。因此无人机飞行平台的作业过程需要与电力线路保持一定的安全距离；其次，采集的影像数据范围应覆盖整个输电线路廊道及保护区范围，数据采用倾斜五轴相机进行数据采集，分别从前、后、左、右、竖直五个方向对目标进行拍照，充分保障采集后影像重叠度60%-80%之间，确定此次作业的行高、范围等关键要求后，利用采集系统配套的无人机航迹规划工具进行线路规划。

（图5 航线规划）                            （图6 航线加载）

此外，因倾斜摄影技术采用可见光进行测量，根据已有工程经验，其存在以下不足：对天气要求较高，受采集数据的角度限制，对植被下的地形无法进行有效拍照采集，对细小物体（杆塔、电力线）的建模能力不足，为保障输电线路数据采集的完整性、有效性，除单独对输电线路走廊进行飞行采集外，单独利用精灵4 RTK搭载对输电线路杆塔进行多次环绕飞行作业，采集杆塔不同的拍照角度照片，每基杆塔照片采集总数量不少于300张。

2.2基于倾斜摄影测量数据的输电线路三维建模研究

基于倾斜摄影测量数据的输电线路三维数据建模处理流程主要包括三维实景模型重建、电力杆塔与导线建模两个主要内容。其中，三维实景模型重建包括影像连接点提取、影像密集匹配、空中三角解算等步骤。电力杆塔与电力线建模均采用影像数据和参数结合的方式，既能满足模型的精度也能真实反映现场情况。

        （图7三维模型建立流程）            （图8输电线路三维模型）

从本体建模效果来看，图中的杆塔存在结构缺失的问题，如近侧塔绝缘子部分缺失，且建模出的绝缘子串形态不完整，横担模型存在断开的问题。从线路建模效果来看，因为线路宽度太窄，且纹理较弱，多角度影像难以匹点，导致三维重建后的实景模型无法恢复线路细节，相邻杆塔导线无法连接的情况。同时受采集影像的分辨率限制，重建后的地表物体纹理粗糙。

3.基于激光雷达测量技术的输电线路走廊三维模型构建方法研究

基于激光雷达扫描技术进行输电线路三维建模的方法首先对数据获取方式及设备选型深入研究，将获取的激光点云及相关数据进行动态GPS数据后处理，INS和GPS组合姿态确定、不同传感器观测值的时间系统同步处理、激光点云三维坐标计算、坐标系统的转换、系统误差的改正、粗差的剔除、数据的滤波分类等关键步骤流程，实现了输电线路走廊高精度三维模型获取，为后续开展不同种类塔型巡检对象精准定位方法研究提供了技术支撑。

3.1激光点云输电线路三维建模数据处理研究

利用高精度激光雷达三维扫描仪采集架空输电线路廊道激光数据为原始数据，需对原始点云数据经过多个方面处理获取分类三维点云成果才能进行建模处理，其中主要处理内容包括动态GPS数据后处理，INS和GPS组合姿态确定、不同传感器的观测值的时间系统同步处理、激光点云三维坐标计算、坐标系统的转换、系统误差的改正、粗差的剔除、数据的滤波分类、DEM/DTM的生成等处理。

3.2基于激光雷达测量技术进行输电线路三维建模研究

利用无人机激光雷达设备进行输电线路采集，首先需要对输电线路现场测区范围进行确认，评估激光雷达设备数据采集范围是否满足测区要求，确定合适的飞行高度和飞行安全距离，在通过飞行管理软件进行航测任务设计，确定飞行测区与飞行路线。在完成飞行任务设计、架设基站与机载激光雷达系统初始化后，即可按照事先计划的飞行路线进行航测数据采集；采集完的数据质量检查后，进行备份存储，最后进行激光点云生成、预处理、分类及三维建模等处理流程。

（图 9激光雷达系统作业流程图）

利用激光雷达测量技术在输电线路三维建模中，可发现虽前期数据采集时需要评估单边飞行激光雷达覆盖范围、评估激光雷达点云密度、精度要求，但是其数据建模效果、完成度都非常好，能够真实展现输电线路廊道三维环境、杆塔架构、导线、绝缘子串部件信息。

（图10电力走廊分类激光点云数据）

4.效果分析

通过上面对倾斜摄影测量和激光雷达技术输电线路三维建模应用的研究，特别是通过两种建模方法数据获取、成果分析发现，这两种三维建模方法的数据获取方式都比较快速，三维建模技术都比较成熟且都能自动化处理，都适合对输电线路进行快速三维建模且各具优势。但将倾斜摄影测量数据应用于输电线路三维建模也存在一定的缺陷，首先模型数据采集过程中需要航带重叠（60-80%）且需多次飞行、需获取足够多的影像数据，才能生成输电线路三维模型数据，因此采集效率相对比激光雷达巡检稍低。此外，倾斜三维模型虽具有真彩色信息，真实性较强特点，但是要求数据量大，数据处理对处理工作站的配置要求较高，耗时较长。且从倾斜模型数据效果看，倾斜三维模型虽能较直观展示杆塔结构，但是还是存在杆塔不完整、杆塔部件确实情况。将此数据应用到无人机自主巡检系统，作为自主航迹规划、目标定位的基础，尚不具备条件，而利用激光雷达测量技术在输电线路三维建模中，可发现虽前期数据采集时需要评估单边飞行激光雷达覆盖范围、评估激光雷达点云密度、精度要求，但是其数据建模效果、完成度都非常好，能够真实展现输电线路廊道三维环境、杆塔架构、导线、绝缘子串部件信息。同时，激光三维数据具有厘米级别精度，可准确定位杆塔、绝缘子串等部件空间位置，获取准确的空间坐标信息，能够为无人机自主巡检航迹任务规划、目标位置定位提取识别提供数据支撑。

输电线路倾斜摄影技术与激光技术三维建模对比如下表所示：

5.结束语

通过对倾斜摄影测量和机载激光雷达测量技术完整的内外业流程进行研究，结合两种技术处理后得到的成果进行分析，可以看出机载激光雷达测量技术更适宜于输电线路工程的三维建模，其数据采集效率高于倾斜摄影测量技术，且数据处理周期短，时效性强。此外机载激光雷达数据能够真实展现输电线路走廊三维环境，能够有效弥补倾斜摄影测量技术构建模型中存在的杆塔结构、绝缘子串缺失的问题。在后期工程应用方面，针对射程在150-200米的雷达设备可参考本研究的点云采集和预处理方法；获取后的激光点云数据点密度能够达到50-100点/平方米。通过这种方式采集和处理后的点云数据恢复后的杆塔架构清晰、导线连续、绝缘子串部件完整，便于对走廊中地物的空间关系进行分析，能够满足自主巡检、部件识别的要求。

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