無人機傾斜攝影技術(shù)在輸電桿塔斜度精確測量中的應(yīng)用

鄭玉浩，于學(xué)超，朱慶鋼，任宗基，張 佳

（國網(wǎng)山東省電力公司濰坊供電公司,山東 濰坊261000）

架空輸電桿塔主要分布在山區(qū)、農(nóng)田、河道附近等環(huán)境復(fù)雜條件中，且隨著河流沖刷、取土開挖或機械碰撞等因素，會發(fā)生桿塔基礎(chǔ)沉降、傾斜，嚴(yán)重將導(dǎo)致桿塔倒桿斷線危險。快速準(zhǔn)確地測量架空輸電線路桿塔傾斜度成為線路安全運行和檢修改造的重要參考指標(biāo)[1]。如何提高桿塔傾斜度測量的精確度和測量效率成為當(dāng)前亟待解決的問題。

傳統(tǒng)的桿塔傾斜度測量方法有鉛錘法、經(jīng)緯儀、全站儀和平面鏡測量等[2-3]。但是鉛錘法需登塔測量，且工具簡陋，存在安全風(fēng)險大、效率低問題；經(jīng)緯儀和全站儀操作步驟復(fù)雜，且需要多角度變換位置測量；平面鏡測量利用光學(xué)原理需設(shè)置多次調(diào)整平面鏡，計算結(jié)果需多次校核，精度較低。文獻[4]提出采用地面激光雷達掃描輸電線路鐵塔獲取桿塔傾斜度，實現(xiàn)了桿塔傾斜度的數(shù)字化分析，但是獲取的點云數(shù)據(jù)由于噪點不可避免，需要準(zhǔn)確剔除無關(guān)點云，且現(xiàn)場設(shè)備架站需求高，對河道內(nèi)桿塔無法靠近測量。文獻[5]提出采用無人機激光雷達進行桿塔傾斜度精確測量，雖然解決了空間位置受限，但仍存在點云噪點剔除、高程渲染等操作?；谏鲜鰡栴}，本文提出一種基于無人機傾斜攝影技術(shù)的輸電桿塔傾斜度精確測量方法，該方法不受現(xiàn)場環(huán)境影響，且獲取的數(shù)據(jù)真實還原現(xiàn)場三維環(huán)境，進行了現(xiàn)場可行性測量和比對試驗，驗證此方法測量效率高、精度高、實用性強。

1 無人機傾斜攝影技術(shù)

1.1 傾斜攝影基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取

輸電線路無人機傾斜攝影技術(shù)是無人機搭載五向相機或支持傾斜拍照功能的單鏡頭相機航攝技術(shù)[6-7]。航攝相機從各個角度獲取目標(biāo)區(qū)域輸電線路桿塔本體和通道附著物垂直和傾斜影像及位置信息，云臺鏡頭朝下為正射，云臺鏡頭傾斜40°～60°拍攝為傾斜拍攝，如圖1所示。同時無人機POS數(shù)據(jù)記錄飛機拍照對應(yīng)的俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、航向角、地速等豐富信息，便于后期進行差分?jǐn)?shù)據(jù)處理[8-10]。

圖1 相機正射和斜射位置分布

1.2 傾斜攝影數(shù)據(jù)模型重建特點

傾斜攝影數(shù)據(jù)模型重建是將正射和斜射照片進行影像拼接處理的全過程。處理過程主要概括為3步。第一步：影像重疊度、像片傾角和旋角、像點位移糾正。第二步：聯(lián)合平差，對相片進行空中三角測量。第三步：重建多維融合模型包括DOM、DSM、DEM、數(shù)字點云等數(shù)據(jù)模型[11]。圖2為無人機數(shù)據(jù)處理流程圖。生成的三維實景模型具有三維可量測特性。

圖2 傾斜攝影數(shù)據(jù)處理流程圖

桿塔實景三維模型精確反應(yīng)本體及通道輪廓基本特征，原比例還原現(xiàn)場實景，細(xì)節(jié)部分沒有顯著的拉伸變形或紋理漏洞。

模型坐標(biāo)和位置準(zhǔn)確，與無人機航拍影像一一對應(yīng)。

除了生成三維實景模型，還派生出現(xiàn)場無法肉眼可見的地表起伏變化模型和三維點云模型，信息豐富。

2 無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)

無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)由無人機、任務(wù)載荷、航攝數(shù)據(jù)處理3部分組成。

2.1 機型選擇

當(dāng)前輸電線路常用于傾斜攝影無人機應(yīng)具備RTK精度定位，主要有多旋翼、固定翼、垂起固定翼。多旋翼采用四旋翼或8旋翼無人機，如大疆精靈4 RTK、經(jīng)緯M300 RTK搭載P1或H20系列高清鏡頭，固定翼采用垂起固定翼，如成都縱橫CW系列、武漢易瓦特、深圳飛馬等。

多旋翼特點：飛行高度相對安全，操作簡單；低空拍攝，采集精度高；起降便利，對場地要求不高；飛行速度慢，續(xù)航時間短，作業(yè)面積有限。

固定翼特點：飛行高度相對較高，需要空域申請；高空拍攝，影像分辨率有限；起降區(qū)要求空曠，受環(huán)境限制；飛行速度快，續(xù)航時間長，作業(yè)效率高。

2.2 任務(wù)荷載

任務(wù)荷載是傾斜攝影的影像采集裝置，包括多鏡頭和單鏡頭相機。多鏡頭相機用于前、后、左、右、下5個方位影像同時獲取，作業(yè)效率高。單鏡頭相機根據(jù)框選區(qū)域自動規(guī)劃五向航線、井字航線或者蛇形航線，按照飛行航線獲取正射和四面照片。

任務(wù)荷載參數(shù)決定建模的質(zhì)量和精度，主要包括：影像分辨率、影像重疊度、相機曝光值、飛行速度。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是生成三維實景模型的關(guān)鍵步驟，輸電線路常用的三維場景數(shù)模型數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)有Pix4D mapper 4、DJI Terra和Smart 3D等三維建模軟件。主要采用空中三角測量解算方法。導(dǎo)入航攝影像和POS數(shù)據(jù)，經(jīng)過點云匹配、點云構(gòu)網(wǎng)、無縫紋理映射等步驟，實現(xiàn)地面景物的逼真實景真三維重構(gòu)。后期可以人工修補、矯正。

表1 任務(wù)荷載主要參數(shù)

影像預(yù)處理。影像編號和對應(yīng)的POS數(shù)據(jù)進行匹配，檢查拍照質(zhì)量，確認(rèn)影像沒有變形、扭曲等現(xiàn)象，對不符合要求的影像進行修復(fù)，按照一定的規(guī)則對影像與POS數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一編號。

空三加密。在影像上刺像控點，采用光束法得到加密圖像點云。

影像密集匹配。自動匹配影像重疊部分的同名點，根據(jù)特征點進行疊加，得到大量三維實景點云細(xì)節(jié)。

紋理自動映射。點云構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，再生成未上色的高程模型，通過紋理自動映射到高程模型上最終形成實景三維模型。

3 桿塔傾斜測量

工程測量中，桿塔傾斜度為塔頂中心與塔基中心偏離值與桿塔全高的比值，顯然，找到塔基中心最大偏離值，即可確定桿塔傾斜度。桿塔三維傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用于桿塔測量需要解決的是桿塔三維實景模型的建立和桿塔頂、塔基中心的測量。

塔基絕對水平面通過連接桿塔4個塔角對角線連線，交點即為塔基中心O點。

桿塔頂部中心點通過連接桿塔頂部橫線路方向頂點到對側(cè)塔頂頂點“十”字相交確定塔頂中心點O1。

連接塔基中心O點和塔頂中心點O1，測出桿塔全高Q、桿塔垂直方向高度H和桿塔水平偏移距離S；

計算桿塔傾斜度為

式中：S為傾斜值，mm；H為桿塔全高，mm；Q為桿塔傾斜度，%。

依據(jù)GB 50233—2014《110 kV～750 kV架空輸電線路施工及驗收規(guī)范》，桿塔組立及架線施工后，其允許偏差應(yīng)符合表2的規(guī)定。

表2 桿塔組立的允許偏差

4 現(xiàn)場測試

4.1 測試方案

4.1.1 機型及飛行指標(biāo)

經(jīng)緯M300 RTK+P1鏡頭。

表3 經(jīng)緯M300 RTK傾斜攝影主要性能指標(biāo)

4.2.2 重建結(jié)果

濰坊市220 kV某線路#36塔現(xiàn)場巡視過程發(fā)現(xiàn)桿塔傾斜嚴(yán)重，現(xiàn)場進行無人機三維傾斜測量，桿塔性質(zhì)直線鋼管桿，塔全高77 m，桿塔走向東西方向，飛行間隔設(shè)置20 m，自動生成5條航線，分別是下、前、后、左和右，默認(rèn)拍照數(shù)量512張。生成三維模型投影面積417083.8 m2，三維傾斜模型內(nèi)存43.9 G。三維傾斜模型投影面積和擬合面積效果如圖3所示。

圖3 三維傾斜模型效果及測量

建模效果：地表道路效果很好，桿塔細(xì)節(jié)建模效果一般，導(dǎo)線有部分缺失，不影響桿塔傾斜度測量精度。

現(xiàn)場采用地面激光雷達測量傾斜結(jié)果如圖4所示。

圖4 激光雷達重建結(jié)果

傾斜度測量結(jié)果為S值7.2 m，傾斜度為4.67%。將上述數(shù)據(jù)分別代入利用公式分別計算出桿塔傾斜度，并與設(shè)計值對比，如表4所示。

表4 桿塔傾斜度測量誤差

三維傾斜測量順線路方向測量傾斜值S1為51 m，橫線路方向測量值為52 m，傾斜度測量結(jié)果為4.51%，誤差0.02 m。精確度達99.8%。

可見本文提出的三維傾斜攝影測量桿塔傾斜度方法可用于現(xiàn)場實測，精度滿足工程需求。

3 結(jié)論

本文提出了一種三維傾斜實景模型下桿塔傾斜度測量方法，重點研究了輸電桿塔傾斜攝影步驟、三維實景模型建立和傾斜度測量。為了驗證該方法的有效性，以濰坊市220 kV線路典型傾斜桿塔進行試驗，結(jié)果表明了無人機傾斜攝影技術(shù)在輸電桿塔傾斜度測量方法有效性，與傳統(tǒng)傾斜度測量相比較，三維實景效果好，數(shù)字化測量更具體，能夠滿足桿塔運維要求。