一、前言

當(dāng)前，數(shù)字化技術(shù)逐步融入電網(wǎng)設(shè)計(jì)行業(yè)，交互協(xié)同設(shè)計(jì)、三維設(shè)計(jì)推動(dòng)電網(wǎng)勘測設(shè)計(jì)信息化技術(shù)不斷發(fā)展。三維數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于輸電線路設(shè)計(jì)工作是當(dāng)前研究熱點(diǎn)，使設(shè)計(jì)人員能夠在三維現(xiàn)場環(huán)境中進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的多維度分析、多視角空間校驗(yàn)，提高工作效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

在輸電線路三維數(shù)字化設(shè)計(jì)中，三維地理信息數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)。只有基于精確、全面的三維地理信息數(shù)據(jù)，才能在三維環(huán)境中進(jìn)行路徑優(yōu)化、桿塔設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)配置和施工方案策劃。地理信息數(shù)據(jù)獲取一直是輸電線路勘測設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)，需要考慮多方面因素，如工期、成本、數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)種類等。在以往工程中，電力設(shè)計(jì)企業(yè)通常委托專業(yè)航測公司，利用大型飛行平臺和專業(yè)航攝儀，獲得航測數(shù)據(jù)產(chǎn)品，周期較長，成本也較高。三維數(shù)字化設(shè)計(jì)工作的開展，對地理信息數(shù)據(jù)的要求更高，因此在滿足工期和經(jīng)濟(jì)可行性的前提下，有必要引進(jìn)更加先進(jìn)、靈活和高效，同時(shí)易于形成獨(dú)立自主作業(yè)能力的數(shù)據(jù)采集手段。

無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無疑大大降低了航空攝影測量的成本和技術(shù)門檻，無人機(jī)航空攝影測量是近年來測繪領(lǐng)域發(fā)展最為迅猛的數(shù)據(jù)采集手段，不僅極大地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)航空攝影測量的不足，還帶來了技術(shù)革新，特別是無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的發(fā)展成熟，更是將航空攝影測量推上新的歷史臺階，航測數(shù)據(jù)產(chǎn)品也突破傳統(tǒng)4D產(chǎn)品的范疇，傾斜實(shí)景模型越來越受到青睞。

本文結(jié)合輸電線路三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)需求，綜合運(yùn)用無人機(jī)正射攝影和傾斜攝影測量技術(shù)，以具體工程實(shí)踐為例，力圖為輸電線路設(shè)計(jì)三維地理信息數(shù)據(jù)獲取，提供一套經(jīng)濟(jì)可行、簡單高效的解決方案。

二、工程概況

本工程為國家電網(wǎng)2017年第二次三維數(shù)字化設(shè)計(jì)競賽依托工程：福建漳州～泉州500kV I,II回開斷進(jìn)集美變線路工程，該線路位于廈門市集美區(qū)北部山區(qū)，地形起伏較大，植被覆蓋密集，最大高差超過600米。根據(jù)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)要求，需獲得路徑通道覆蓋區(qū)域正射影像、數(shù)字高程模型以及重點(diǎn)區(qū)域傾斜實(shí)景模型。

圖1 飛行區(qū)域

三、實(shí)施方案

3.1 飛行平臺

本工程選擇聯(lián)合使用飛馬F1000和D1000進(jìn)行航測，其中F1000主要用于生產(chǎn)正射影像和數(shù)字高程模型，D1000用于生產(chǎn)傾斜實(shí)景模型。飛馬F1000是深圳飛馬機(jī)器人公司推出的第一款無人機(jī)航測系統(tǒng)，工藝成熟，性能穩(wěn)定，安全可靠，全自動(dòng)飛行無需人工干預(yù)，同時(shí)獨(dú)創(chuàng)了一次性降落傘解決方案，大大降低飛手門檻，無飛行經(jīng)驗(yàn)人員稍加培訓(xùn)即可掌握。更難能可貴的是，與大多數(shù)無人機(jī)航測系統(tǒng)生產(chǎn)商只重視硬件設(shè)計(jì)不同，飛馬機(jī)器人公司對于地面站軟件也極為重視，所開發(fā)的無人機(jī)飛行管家軟件，將用戶體驗(yàn)做到了極致，提供航線規(guī)劃、航飛控制、數(shù)據(jù)處理一條龍服務(wù)。飛馬D1000是基于無人機(jī)管家，與大疆合作開發(fā)的一套低成本航測系統(tǒng)，目前支持大疆精靈4Pro，無人機(jī)管家的加持，賦予消費(fèi)級無人機(jī)強(qiáng)大的航測能力，特別適合小場景正射攝影或傾斜攝影測量。

3.2 航線設(shè)計(jì)

飛馬無人機(jī)管家提供了強(qiáng)大的航線設(shè)計(jì)功能，選擇飛機(jī)型號、測區(qū)和測圖比例尺，即可自動(dòng)按區(qū)塊生成航線，各項(xiàng)參數(shù)也可手動(dòng)調(diào)整，軟件會自動(dòng)獲取測區(qū)地形數(shù)據(jù)，對航飛安全性及成果質(zhì)量進(jìn)行評估，航線設(shè)計(jì)成果直接在三維數(shù)字地球平臺中進(jìn)行展示。本工程F1000按1:2000比例尺進(jìn)行測圖，在保證飛行安全和影像重疊度的前提下，將正射影像地面分辨率人為調(diào)整到13cm，以盡可能在不影響作業(yè)效率的情況下獲得更高分辨率影像。D1000按1:500比例尺進(jìn)行測圖，飛行模式設(shè)置為傾斜。

圖3 F1000航線規(guī)劃

圖4 D1000航線規(guī)劃

3.3 控制點(diǎn)布設(shè)

飛馬F1000和D1000本身未帶差分設(shè)備（飛馬后期推出的產(chǎn)品系列，基本都自帶差分），對地面控制點(diǎn)的要求較高，特別是數(shù)字高程模型的精度受地面控制點(diǎn)影響較大，按照電力設(shè)計(jì)規(guī)范要求，高程中誤差宜控制在30cm以內(nèi)，本工程在測區(qū)范圍內(nèi)均勻布設(shè)了12個(gè)控制點(diǎn)，覆蓋10平方公里左右。D1000傾斜攝影測量像控點(diǎn)需單獨(dú)布設(shè)，一般每個(gè)架次覆蓋范圍內(nèi)至少布設(shè)4個(gè)控制點(diǎn)。

圖5 像控點(diǎn)布設(shè)

現(xiàn)場測繪像控點(diǎn)時(shí)，可選擇明顯特征地物，如水泥路面拐角，公路地面標(biāo)志等，如無明顯特征地物，可涂漆，或直接用A3大小的白紙，用石頭壓在地面。

圖6 常用類型地標(biāo)

3.4 飛行實(shí)施

飛馬F1000采用手拋起飛方式，可滑降或傘降，對起飛場地有一定要求，最好選擇直徑約100米左右的空曠場地進(jìn)行起飛和降落。整個(gè)飛行過程，由無人機(jī)飛行管家進(jìn)行監(jiān)控，作業(yè)人員只需密切關(guān)注各項(xiàng)飛行參數(shù)，以防止出現(xiàn)意外情況。

圖7 手拋起飛

3.5 數(shù)據(jù)處理

目前，最新版飛馬無人機(jī)管家提供正射影像處理和傾斜實(shí)景模型生產(chǎn)工具，基本可滿足需求，特別是其空三模塊，已經(jīng)不亞于其他知名航測數(shù)據(jù)處理軟件。如有較高要求，也可使用其他知名數(shù)據(jù)處理軟件，如pix4d和cc，其中pix4d在正射影像處理和DEM提取方面有較大優(yōu)勢，cc是目前最常用的傾斜實(shí)景模型生產(chǎn)軟件，自動(dòng)化程度較高，實(shí)景模型效果也較好。

圖8 數(shù)據(jù)成果疊加效果圖

3.6 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查

采用高精度RTK作業(yè)方式，現(xiàn)場實(shí)測了69個(gè)高程檢查點(diǎn)，與無人機(jī)航測生產(chǎn)的數(shù)字高程模型進(jìn)行對比分析，計(jì)算中誤差為0.25m,滿足方案設(shè)計(jì)要求。

圖9 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查

四、數(shù)據(jù)應(yīng)用

本方案利用自主研發(fā)的多源數(shù)據(jù)輔助電力線路優(yōu)化選線及平斷面測圖系統(tǒng)進(jìn)行路徑優(yōu)化，該平臺融合了航測的全部數(shù)據(jù)成果，包括正射影像、DEM、DSM、點(diǎn)云，支持海量數(shù)據(jù)加載和二、三維疊加顯示及快速瀏覽，并提供了豐富的路徑優(yōu)化工具。與海拉瓦系統(tǒng)不同，該平臺無需佩帶立體眼鏡，無需專業(yè)圖形工作站，利用普通PC，即可展示線路走廊的二、三維場景，進(jìn)行路徑優(yōu)化和平斷面測圖工作。

圖10 多源數(shù)據(jù)輔助電力優(yōu)化選線及平斷面測圖系統(tǒng)

4.1 優(yōu)化選線

除海拉瓦、適普等全數(shù)字?jǐn)z影測量平臺提供的常用路徑優(yōu)化功能之外，該平臺還有如下特色功能：

(1)實(shí)時(shí)線路斷面輔助路徑優(yōu)化

輸電線路經(jīng)過山區(qū)時(shí)，地形因素成為影響輸電線路走向的關(guān)鍵因素。本方案實(shí)時(shí)線路斷面由高精度DEM數(shù)據(jù)生成，使設(shè)計(jì)人員在選擇路徑時(shí)能夠同時(shí)觀察到路徑沿線的地形起伏情況，從而做出經(jīng)濟(jì)合理的路徑方案。

圖11 實(shí)時(shí)線路斷面輔助選線

(2)實(shí)時(shí)塔基斷面輔助路徑優(yōu)化

山區(qū)輸電線路選線時(shí)，通常需要考慮地形的陡峭程度是否能夠立塔，根據(jù)高精度DEM數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)生成的塔基斷面圖和各塔腿地面高程分布可用于解決這個(gè)問題。

圖12實(shí)時(shí)塔基斷面輔助選線

4.2 斷面及地形圖生產(chǎn)

（1）道路與水系調(diào)繪

無人機(jī)航測獲取的高分辨率正射影像中可以比較容易的判讀各種類型的道路和水系，其中道路主要有鐵路、高速公路、國道、省道、縣道、鄉(xiāng)道、機(jī)耕路、鄉(xiāng)村路、小路、在建鐵路、在建公路等，水系主要有河流、干溝、溝、渠、湖泊、塘、水庫、水井等。

圖13 調(diào)繪道路

（2）房屋調(diào)繪

結(jié)合DOM、DEM和DSM，不僅可以準(zhǔn)確的繪制房屋的平面位置，還能夠準(zhǔn)確的獲取房屋的高度，從而在室內(nèi)判斷出房屋的層數(shù)。房屋高度通常取房屋平面范圍內(nèi)DSM高-DEM高的最大值。

圖14 調(diào)繪房屋

（3）林區(qū)調(diào)繪

林區(qū)調(diào)繪也需要結(jié)合DOM、DEM和DSM，同時(shí)獲取林區(qū)的平面位置和林木高度信息。林木高度取林區(qū)平面范圍內(nèi)DSM高-DEM高的平均值，但在斷面上林木高度取邊線范圍內(nèi)DSM高最大值-中心點(diǎn)DEM高。

圖15 調(diào)繪林木

（4）風(fēng)偏斷面搜索

利用高精度DEM數(shù)據(jù)，通過坡度判斷，可以對風(fēng)偏斷面進(jìn)行自動(dòng)搜索。

圖16 風(fēng)偏斷面

（6）平斷面圖制作

平面圖繪制完成后，就可以輸出平斷面圖。目前，大部分設(shè)計(jì)院都使用道亨軟件進(jìn)行排桿定位，通過建立國標(biāo)編碼與道亨編碼的轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以輸出道亨ORG格式平斷面圖。在輸出平斷面圖時(shí)，將對斷面進(jìn)行自動(dòng)處理，主要包括斷面地形點(diǎn)的獲?。òㄖ行臄嗝纥c(diǎn)和左右邊線斷面點(diǎn)，為了與工測方法保持一致，左右邊線斷面點(diǎn)分別取左右邊線范圍內(nèi)最高點(diǎn)），水域內(nèi)的斷面點(diǎn)移除，林區(qū)內(nèi)樹高頂點(diǎn)的添加，交叉跨越頂點(diǎn)的添加等等。

圖17 平斷面圖

五、總結(jié)

基于高分辨率正射影像和高精度數(shù)字高程模型，可疊加生成三維地面場景，本工程位于山區(qū)，地形起伏較大，沖溝較多，通過三維地面場景，可清晰展現(xiàn)地形起伏情況、路溝、房屋分布等，可有效輔助三維數(shù)字化設(shè)計(jì)，一方面可用于路徑優(yōu)化，另一方面也可用于桿塔位置優(yōu)化，避免桿塔落在懸崖或不良地質(zhì)區(qū)域。同時(shí)，無人機(jī)航測數(shù)據(jù)產(chǎn)品的高分辨率和高精度，能夠保證平斷面測繪的絕大部分工作可以在室內(nèi)完成，外業(yè)只需在定位測量時(shí)，校核重要影響地物及危險(xiǎn)點(diǎn)，調(diào)查房屋、林木等重要地物的屬性信息即可。

傾斜攝影測量獲取的模型數(shù)據(jù)，兼顧紋理和精度，是三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的最佳數(shù)據(jù)源，后期隨著作業(yè)成本的下降和效率的提高，必將取代傳統(tǒng)航空攝影測量。目前，主流三維地理信息平臺均支持直接加載傾斜攝影測量模型，基于三維地理信息平臺開發(fā)的輸電線路三維數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺對傾斜模型數(shù)據(jù)的應(yīng)用，也是一大趨勢。