傾斜攝影測量中像控點(diǎn)數(shù)量對模型精度的影響研究

毛清政

摘 ?要：隨著國家電網(wǎng)公司提出“三型兩網(wǎng)”總體發(fā)展目標(biāo)，智能化、自動化、集成化管理運(yùn)作模式也即將成為電力企業(yè)發(fā)展的首要目標(biāo)，無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用成果無出其右。從電力巡檢到日常運(yùn)維，從智能測繪到工程規(guī)劃，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在電力企業(yè)中精密性高、客觀條件惡劣的諸多復(fù)雜工程項(xiàng)目中均展現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的工作水平。文章基于傾斜攝影測量中像控點(diǎn)數(shù)量對模型精度的影響展開論述，簡要分析其工作環(huán)節(jié)，探討如何提高無人機(jī)技術(shù)在電力企業(yè)的工作成效。

關(guān)鍵詞：電力企業(yè);傾斜攝影測量技術(shù);無人機(jī);模型精度;測繪

中圖分類號：P208 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）32-0059-02

Abstract： With the overall development goal of "three types and two grids" put forward by the State Grid Corporation， the operation mode of intelligent， automatic and integrated management will soon become the primary goal of the development of electric power enterprises. The application of UAV technology is second to none. From electric power inspection to daily operation and maintenance， from intelligent surveying and mapping to engineering planning， UAV tilt photogrammetry technology shows high efficiency and high quality in many complex projects with high precision and poor objective conditions in electric power enterprises. This paper discusses the influence of the number of image control points on the model accuracy in tilt photogrammetry， briefly analyzes its working links， and discusses how to improve the effectiveness of UAV technology in electric power enterprises.

Keywords： electric power enterprise; tilt photogrammetry technology; UAV; model accuracy; surveying and mapping

近幾年無人機(jī)低空傾斜攝影技術(shù)的出現(xiàn)，打破了無人機(jī)正射影像的拍攝角度局限性，最早運(yùn)用在國際測繪領(lǐng)域，隨著現(xiàn)代城市化、工業(yè)化建設(shè)的不斷推進(jìn)，相關(guān)工程項(xiàng)目建設(shè)、規(guī)劃及巡檢等工作也逐漸淘汰了人工操作，傾斜攝影測量技術(shù)也逐漸融入相關(guān)工業(yè)工程建設(shè)中。無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)主要是指在機(jī)身上搭載多個傳感器（通常為攝像頭），從垂直正射和其他傾斜角度（前后左右）采集信息數(shù)據(jù)，用于被攝場景的三維建模。傾斜攝影數(shù)據(jù)還是帶有空間位置信息的可量測影像數(shù)據(jù)，能同時輸出DSM、DOM、TDOM、DLG等多種類型的數(shù)據(jù)資料[1]。從廣義的角度分析，傾斜攝影技術(shù)更像是一個數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換的處理系統(tǒng)，由于其工作效率高，操作流程簡便，在諸多人為操作有危險性和風(fēng)險性的工作中，應(yīng)用效果較好。以電力公司為例，電力工程項(xiàng)目前期勘測和設(shè)計(jì)工作，必須依賴于真實(shí)準(zhǔn)確的實(shí)地?cái)?shù)據(jù)信息，小型無人機(jī)結(jié)合傾斜攝影測量技術(shù)能夠通過采集的拍攝場景數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行實(shí)地場景的三維建模，有利于輸電線路的排布、必要的防范措施、水文地質(zhì)條件的合理應(yīng)用及保護(hù)等。這種快速地理信息獲取的好處就在于能夠大幅減少工程建設(shè)成本，確保工程項(xiàng)目質(zhì)量，提升可行性與安全性。

1 傾斜攝影測量中的相關(guān)技術(shù)概述

1.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是處理航攝相片和POS數(shù)據(jù)，根據(jù)事先編寫好的航拍程序，有針對性地對拍攝場景的亮度、光照情況、溫度、降噪。尤其是電力企業(yè)在應(yīng)用過程中要考慮電磁場對無人機(jī)正常運(yùn)作的干擾影響，還要加強(qiáng)相關(guān)裝置保護(hù)，保證航片數(shù)據(jù)真實(shí)準(zhǔn)確。

1.2 多視影像區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差

采用區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差來處理傾斜攝影數(shù)據(jù)，主要解決建筑物或山體林木對于所要拍攝場景的幾何變形和遮擋問題，通過POS數(shù)據(jù)中得到的傾斜圖像外方位元素，采用由粗到精的金字塔匹配策略在每一級像片上進(jìn)行同名點(diǎn)的自動匹配以及區(qū)域網(wǎng)光束法平差，能夠得到較好的同名點(diǎn)匹配結(jié)果。同一時刻，構(gòu)建了連接點(diǎn)與連接線、POS數(shù)據(jù)與GPS/IMU數(shù)據(jù)的傾斜圖像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差的誤差方程，對其采用聯(lián)合平差計(jì)算，來確保平差結(jié)果精度能夠滿足要求[2]。

1.3 多視影像密集匹配

多視影像密集匹配， 主要是在密集匹配過程中面對可能會產(chǎn)生大量冗余信息精確傾斜圖像的同名點(diǎn)坐標(biāo)，直觀獲取信息，匹配目標(biāo)。

1.4 數(shù)字表面模型生產(chǎn)

通過密集匹配得到高密度真彩色點(diǎn)云，再由其構(gòu)成TIN三角網(wǎng)，進(jìn)而形成了高分辨率以及高精度的數(shù)字表面模型，在獲取該DSM數(shù)據(jù)后，對其采取濾波處理，同時將有差異的匹配單元融合，構(gòu)成最終數(shù)字表面模型，可以充分表達(dá)地形、地物起伏特征。

1.5 三維模型及真正射影像生成與糾正

對無人機(jī)獲得的圖像進(jìn)行處理以后，采取可建模軟件生成三維模型。真正射影像糾正是基于數(shù)字表面模型，依據(jù)物方不間斷的地形地貌以及離散的地物的幾何特點(diǎn)，利用提取表面特征、面片擬合以及重建屋頂?shù)确绞絹慝@取物方語義信息，再由圖像分割、邊緣信息的獲取以及紋理聚類等方式來得到像方語義信息，然后利用前期的匹配結(jié)果將創(chuàng)建各個方面的的同名點(diǎn)對應(yīng)聯(lián)系，從而進(jìn)行全局優(yōu)化的采樣策略和考慮到的幾何輻射特征的聯(lián)合糾正，再對整個圖像進(jìn)行勻光勻色，實(shí)現(xiàn)了傾斜圖像的真正射糾正。

2 傾斜攝影測量中像控點(diǎn)數(shù)量對模型精度的影響在電力工程中的應(yīng)用

2.1 精度分析

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)中的像控點(diǎn)數(shù)量對模型精度的影響對于分解計(jì)算影像坐標(biāo)，分析處理場景數(shù)據(jù)信息，測量測繪等工作中都有重要影響。在復(fù)雜電力工程的勘測中就需要在前期針對建筑、交通、地形、水系等實(shí)地信息進(jìn)行了解，選擇合適的時間以及無人機(jī)的起降位置。比如變電站征地面積的劃分，通過無人機(jī)收集的數(shù)據(jù)，分析變電站超出征地紅線范圍的面積，來優(yōu)化工程財(cái)務(wù)預(yù)算管理。亦或是了解當(dāng)?shù)厮档姆植记闆r，討論后期電力工程建設(shè)過程中的用水方案，應(yīng)避免與周邊生活設(shè)施產(chǎn)生聯(lián)通。通過提升像控點(diǎn)數(shù)量來強(qiáng)化對于郊區(qū)城市、林業(yè)區(qū)、山地的生物要素觀察細(xì)節(jié)，對于電纜、輸電線路敷設(shè)路徑、水文、地質(zhì)情況優(yōu)化工程建設(shè)方案。

2.2 電力路巡檢

利用無人機(jī)對輸電線路進(jìn)行日常巡視和檢查，不受任何地形和地貌因索的影響。特別適用于陡峭山體，多河床河道地貌的線路巡視檢查工作。搭載的高清攝像設(shè)備可以實(shí)時定位和監(jiān)控傳輸線上產(chǎn)生的故障。地面控制人員可以根據(jù)地面站回傳實(shí)況信息找出線路存在的缺陷和主要隱患。從而提高桿塔巡檢的效率，節(jié)省了大量人力和財(cái)力，提高了線路巡檢質(zhì)量，確保輸電線路的安全運(yùn)行。有效提高電力工程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的覆蓋范圍，對于整體運(yùn)作情況也有較好地實(shí)時監(jiān)督和管理。如線路部分可以針對設(shè)計(jì)階段存在不合理的布局情況和設(shè)計(jì)進(jìn)行排查。進(jìn)出線間隔、線路走廊、線路排布等工作進(jìn)行完善。同時對于每一基桿塔選用的形式也要綜合考量，重點(diǎn)關(guān)注塔基堡坎、護(hù)坡排水方案。遇線路交叉跨越等問題[3]。傾斜攝影測量中像控點(diǎn)數(shù)量對模型精度的影響在某種意義上強(qiáng)化了智能巡檢的效率，提升了檢驗(yàn)準(zhǔn)確率，減少了人工復(fù)檢的頻率，更加側(cè)重于對于電力設(shè)備運(yùn)維。其利用可見光和紅外熱像儀設(shè)備對輸電線路全程進(jìn)行巡視監(jiān)測，可實(shí)現(xiàn)對輸電線路的定期巡視檢查，以便及時了解輸電線路的運(yùn)行情況，以及周圍環(huán)境和線路保護(hù)區(qū)域的變化情況，是現(xiàn)階段掌控電力運(yùn)行和線路維護(hù)不可或缺的手段。

2.3 通道地表三維點(diǎn)云重建方法

無人機(jī)架線技術(shù)也是結(jié)合像控點(diǎn)數(shù)量把控，實(shí)地還原三維場景，精準(zhǔn)布設(shè)，使用無人機(jī)架設(shè)惡劣環(huán)境的輸電線路，諸如丘陵放線、山河湖?？缭椒啪€、叢林放線、跨越線路及交叉穿越線路等等。電力線路通道地表的三維重建是通過影像密集匹配方法從立體像對中提取稠密三維點(diǎn)云來實(shí)現(xiàn)的。像片控制點(diǎn)是直接為攝影測量的控制點(diǎn)加密或測圖需要而在實(shí)地布設(shè)并進(jìn)行測定的控制點(diǎn)。包括僅具有平面坐標(biāo)的像片平面控制點(diǎn)和僅具高程的像片高程控制點(diǎn)及同時具有平面坐標(biāo)與高程的像片平高控制點(diǎn)。像控點(diǎn)的精度和數(shù)量直接影響到航測數(shù)據(jù)的處理質(zhì)量，其布控必須規(guī)范、嚴(yán)格、精確，不能單以數(shù)量為主。以電力巡線樹障檢測為例，航向、航高及航程都需要精確測量。由于影響空間分辨率有限，要減小投影差對空中三角測量中連接點(diǎn)的匹配影響，無人機(jī)傾斜測量航攝要取較大的重疊度，隨后根據(jù)電力塔桿的位置、樹障、房障、石障、交叉跨越等情況合理安排無人機(jī)航線，對于航高設(shè)計(jì)，也要考慮到地面高程最大處的航向和旁向重疊度。這就意味著拍攝區(qū)域的像控點(diǎn)要根據(jù)航線均勻合理布控，如果是帶狀測區(qū)，布點(diǎn)需要在帶狀的左右側(cè)布點(diǎn)，可以按“S”字型路線布點(diǎn)，左右側(cè)指航測區(qū)域內(nèi)的范圍，并不是沒有航線的地方。一側(cè)臨近點(diǎn)位距離按照GSD和實(shí)際情況而定。

2.4 故障檢測運(yùn)維的應(yīng)用

電力企業(yè)供電單位流傳著“寧翻三座山，不登一級塔”的俗語，這意味著電力桿塔的日常運(yùn)維檢修和故障檢測是具有極大的風(fēng)險性和工作難度的。近年來，隨著城市化建設(shè)全面推進(jìn)，戶外電力桿塔故障問題、異物情況引起的線路異常，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)運(yùn)行。通道障礙物隱患檢測也是無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用的重要措施，在完成電力線通道地表及導(dǎo)線的三維重建以后，可恢復(fù)出相機(jī)攝影時的輸電線路通道真實(shí)的三維點(diǎn)云場景，然后通過計(jì)算地表三維點(diǎn)云和導(dǎo)線之間的空間距離檢測超限點(diǎn)，然后根據(jù)障礙物點(diǎn)云間的拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行聚類分析，并分析它們的紋理特征，將相互鄰接的超限點(diǎn)合并為一個障礙物，區(qū)分障礙物所屬類別并評定障礙物的危險程度及可信度。隨后使用無人機(jī)相關(guān)技術(shù)對輸電線和電力桿塔進(jìn)行除障，比如無人機(jī)帶電噴火處理，使用霧化水珠狀汽油作為燃料，通過噴灑浸染，助燃熄滅，來避免火焰與電場力作用的負(fù)面情況，大大縮短清障時間。

3 結(jié)束語

隨著無人機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，采用傾斜攝影測量建立三維實(shí)景模型測繪大比例尺地形圖技術(shù)已在許多行業(yè)代替人工操作相關(guān)技術(shù)工作，高精度的三維實(shí)景模型，能夠落實(shí)精確、真實(shí)的數(shù)據(jù)資料，優(yōu)化設(shè)計(jì)與建設(shè)方案。無人機(jī)傾斜攝影測量雖然突破傳統(tǒng)航攝的局限性，但是現(xiàn)階段理論體系不夠完善，實(shí)際應(yīng)用案例存在偶然性，仍然需要大量實(shí)踐創(chuàng)新和改進(jìn)，豐富成果，以推動無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展前景，優(yōu)化像控點(diǎn)布設(shè)的密度和精度，促進(jìn)在電力行業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展。

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