无人机高空现场三维勘测建模分析

http://www.chinaqking.com 期刊门户-中国期刊网2019/4/22来源:《电力设备》2018年第31期文/刘毅1 胡钦俊2 林火煅2
[导读]摘要:随着输电线路的日益增多,线路运维人员的运维压力也日益增大。

        (1.福建电力职业技术学院  福建泉州  362000;2.国网漳州供电公司  福建漳州  363000)
        摘要:随着输电线路的日益增多,线路运维人员的运维压力也日益增大。本文利用公司无人机技术的研发基础,在福建高落差地形的客观条件下,注意建模误差,研究地形数据建模的方法与空三数据在输电线路建模里的应用,建立高精度坐标数据库;研究优化空三数据流程、减少空三数据误差的方法;并计算设计适合福建山区相对高度300m超低空无人机。通过建立输电线路三维模型,为输电线路的管理提供了一个三维模拟平台。通过该平台可以更好的观察输电线路通道隐患,为减轻一线班组的巡维任务压力提出了一个有效方案。
        关键词:无人机;三维建模;树线隐患;输电线路
        1.引言
        随着中国经济建设的快速发展,社会用电需求量也在急剧增长。为满足日渐增长的用电需求,越来越多的输电线路在规划建设中或已经开始正式投运,这无疑会加重线路运维人员的运维压力。同时,工作路径的不确定性和冗长也导致常规巡检工作量大且准确度低,无法快速排查出线路故障,对与供电稳定性和电能质量产生极大的负面影响。在输电线路巡维工作中,主要存在两个棘手的问题:
        (1)输电线路巡维路径的复杂性
        记忆输电线路的巡维路径是进行巡维工作的首要条件。福建地理条件多元、线路走廊跨度大、巡线道客观环情复杂等一系列因素,给高压输电线路巡检工作带来了极大的不便与危险。山路路况复杂,路口众多,且无明显的标志物,导致巡维人员难以有效的记忆巡线路径,且由于缺少有效的路径记录方式,好不容易记住的巡视路径往往容易遗忘掉。
        (2)如何处理巡维结果
        对巡维结果的处理是每天巡维工作中必不可少的一个环节,也是对巡维工作的总结。把巡维结果分类整理好,能够使巡维人员随时方便的查询了解线路的运行情况。目前,工作中一般采用纸记或使用word、excel等办公软件进行巡维结果的处理。但这些方法虽然能对结果进行处理,但却缺乏一定的灵活性,记录得信息也不够详尽。
        本文利用无人机巡检来采集数据,通过软件建立输电线路三维模型,通过把线路走廊与巡维路线录入该模型,建立一个详细的巡维地理信息地图,帮助巡维人员记忆巡线路径;通过把巡维结果录入到模型相应的位置上,以详细、灵活的处理运维结果,帮助运维人员及时了解线路运行现状。
        本文利用公司无人机技术的研发基础,在福建高落差地形的客观条件下,注意建模误差,研究地形数据建模的方法与空三数据在建模里的应用,建立高精度坐标数据库;研究优化空三数据流程、减少空三数据误差的方法;并计算设计适合福建山区相对高度300m超低空无人机,解决线路杆塔基础滑坡、输变电地质灾害评估、人员无法到达的输变电灾害区域的前期快速勘测。
        2.技术内容
        本文利用UAV固定翼轻型无人机及小型4轴多旋翼无人机为飞行平台,以可见光相机为任务载荷,通过SMAT3D软件自动空三计算原始影像外方位元素。利用Pix4Dmapper的技术和区域网平差技术,自动校准影像。软件自动生成三维模型,可以快速和正确地评估结果的质量。提供详细的、定量化的自动空三、区域网平差和地面控制点的精度。
        输电线路走廊三维数据采集基于无人机平台机动灵活、成本低、时效性强等特点进行搭载应用。由飞行平台搭载摄影相机,结合GPS接收机、高精度IMU来完成。摄影相机用来获取一组多方向杆塔相片,GPS和IMU分别提供位置和坐标信息。
        无人机平台设计主要包括飞行方案设计、地标点设计及检校点设计等。飞行设计一般采用高清影像图为地图。在航飞设计底图中依据设计要求,标绘出飞行范围,并调查该范围是否位于军事管制区或其他敏感地区。
        该方案通过多台传感器从不同的角度进行数据的采集,拍摄同时对航高、航向、航速和旁向重叠、坐标等参数数据进行记录,快速、高效获取丰富的数据信息,真实可靠地反映了对象地面的客观情况,可能满足工作中对线路走廊的三维信息需求。该技术所得三维数据能够真实地反映地物的外观、位置、高度等数据属性,弥补了传统人工模型仿真度低的缺点。
        本文基于无人机数据的三维建模流程本研究采用的建模工具是街景工厂,该软件特点是模型成果精度高,因此,对航飞数据的要求也较严格,需要每张倾斜影像都具有较精确的POS信息。由于无人机的飞行姿态不稳定,机体载重又不允许携带高精度POS设备,往往不具有准确的姿态信息,甚至仅有影像。因此,需要在第三方软件,如SMAT3D 中恢复空三姿态信息,进行畸变差修正后再导入街景工厂进行建模,可以得到良好的效果。
        (1)影像数据整理:检查影像资料的完整性与可靠性,五镜头数据应按照前视、后视、左视、右视、下视分类存放,如无时间跳跃值出现,表明数据结构完整。
        (2)姿态信息整理:使用MapSource查看到飞行坐标信息,将其按照xyz格式转换,在ArcGIS软件中进行展点,选取作业区范围内的有效点,与下视影像进行位置对应,最后合并转角信息初步制作EO文件进行空三匹配,获得较高精度的EO信息。
        3)将经过畸变差修正的EO成果导入软件,手动匹配连接点,原则是每张相片中匹配50个点
        3.试验分析
        1、项目组在成果研制后,利用SMAT3D及PIX4D软件对整条输电线路通道进行测绘点云处理,处理后的部分杆段图像如图1、图2所示:
           
        图1 线路通道空中三维点云模型     图2 线路通道正射影像图
        该点云模型精度容易受到相机像素、天气、光照、拍摄角度、拍摄高度等影响,通过大量的现场测试,最终得到能够满足精度要求的拍摄数据。由于导线在无人机高空拍摄中不容易被捕捉,在生成的三维模型中需要对导线进行重构,图3中黄、绿线为两根下相导线的拟合导线,通过图3和图4的对比可以看到,两者基本重叠,因此,所重构的导线与实际导线的位置是基本一致的。
       
        图3 拟合导线图
       
        图4 实际导线图
        通过导线拟合后,就能通过软件计算来分析该段线路通道内的树线隐患,图5和图6分别是树线距离危险点正射图和三维图,可以多角度观察该隐患点的相对位置,也可以从图7的树障报告中去查看该树线隐患点的详细信息和具体位置。通过大量的实际现场测量发现,该方法测量得到的树线距离误差在0.5米以内,基本满足实际运维的需求。
       
        图5 树线距离危险点正射图     图6树线距离危险点3维图
       
        图7 输电线路通道隐患报告
        因此,线路通道建模通过无人机进行输电线路可见光拍摄,再经过软件后期处理,可进行线路通道精确建模,从而得到线路通道走廊
        树线距离测量,并精确定位树线距离严重不足点的位置,方便运维人员维护管理。
        4.结论
        高空现场快速三维勘测建模通过充分利用输电管理所现存的线路杆塔经纬度坐标、线路杆塔图纸以及现场测量所得数据等多种资料,结合SMAT3D软件自动空三计算原始影像外方位元素,初步建立起了输电线路的三维模型,为输电线路的管理提供了一个三维模拟平台。通过该平台可以更好的观察输电线路通道隐患,为减轻一线班组的巡维任务压力提出了一个有效方案。
        参考文献:
        [1]裴慧坤,姜三,林国安,黄浩,江万寿,杨成城.依托无人机倾斜摄影的电力走廊三维重建[J].测绘科学,2016,41(12):292-296.
        [2]李泉洲,石高峰,崔建军.无人机测绘遥感[J].电信工程技术与标准化,2017,30(04):14-17.
        [3]王柯,付怡然,彭向阳,左志权,易琳,黄松波.无人机低空遥感技术进展及典型行业应用综述[J].测绘通报,2017(S1):79-83.
        [4]明国辉.无人机倾斜摄影测量技术在电力工程中的应用[J].工程建设与设计,2017(20):199-200.
        [5]杨德慈,季笑庆,康凯,刘俊旭.基于倾斜摄影的电力工程勘测技术[J].科技经济市场,2018(04):35-37.
        [6]汪小钦,王苗苗,王绍强,吴云东.基于可见光波段无人机遥感的植被信息提取[J].农业工程学报,2015,31(05):152-157+159+158.
        [7]李志斌,冯再福.无人机遥感系统在电力工程环保水保中的应用[J].电力勘测设计,2013(05):30-32.
        [8]贾银江.无人机遥感图像拼接关键技术研究[D].东北农业大学,2016.
        [9]赵业婷.电力巡线单航带无人机影像拼接关键技术[D].成都理工大学,2017.