基于无人机倾斜摄影的变电站三维实景环境建模方法.pdf

142 EPEM 2023.7 下电力工程Electric Engineering基于无人机倾斜摄影的变电站三维实景环境建模方法广东电网有限责任公司东莞供电局 吴建杰摘要：针对当前变电站三维实景环境建模结果精度低的问题，将无人机倾斜摄影技术应用在变电站三维实景环境建模过程中，设计一种新的建模方法。利用无人机倾斜摄影获取变电站建模数据，设定像控点，经过影像拼接、提取坐标系空间坐标数据后，经过预处理得到建模基础数据，将拼接的图像利用边缘检测技术对其进行重采样，统一原始影像的尺寸和质量，最后设计三维实景环境建模的总体流程。建模方法性能测试表明：设计方法的建模结果与实际点之间的偏移量远远小于传统建模方法，验证了设计方法的有效性。关键词：数据采样；无人机倾斜摄影；图像增强；三维实景建模电力系统安全可靠运行关系到国计民生及经济发展，其可靠性也直接影响着国民经济和社会发展。目前，智能变电站是现代电网最主要的发展方向，其中对电力环境的监测和保护尤为重要。在变电站选址、规划设计以及运维管理中，为了获取准确详细的环境数据，通常需要建立一套真实三维实景模型以满足相关工作需要1。传统获取实体地理信息的方式主要为卫星遥感、航测、地面测量等方式。卫星遥感是常见且应用较为广泛的一种手段。但随着传感器技术日益成熟和应用成本降低，遥感数据的劣势已经逐渐显现出来，在进行变电站的测绘过程中，存在数据量大、采集范围小等问题，无法满足变电站建设选址和规划设计需求。目前，针对这类情况的解决方法多是利用传统航空航天相机获得倾斜摄影测量影像，但其处理周期长、成本高、效率低等问题难以解决2。无人机倾斜摄影测量是一种基于无人机搭载高精度相机进行空间定位的技术手段，其数据量大、采集范围广且不易受天气条件影响，已经逐渐被应用到测绘工作中。在实际应用中，无人机倾斜摄影测量过程中会不可避免地产生大量几何形变信息（如倾斜、俯仰等）及航摄场景变形信息（如相机镜头位移等）3。为了快速有效地获取真实环境要素，并在变电站建设选址、规划设计和运维管理时高效利用已获取数据并生成三维实景模型，对于项目管理者来说至关重要。本文提出一种基于无人机倾斜摄影的变电站三维实景环境建模方法。1 变电站三维实景环境建模方法设计1.1 基于无人机倾斜摄影的数据采样无人机倾斜摄影的环境一般都是高空航测。无人机倾斜摄影测量获取的是不同视角下的影像，需要通过软件处理对拍摄到的地面静态影像进行解译，并提取其空间坐标信息，然后利用 GIS 技术将其作为三维实景模型构建的基础4。在进行测量作业之前，要对变电站内部设备的存放位置的实地和空中测量环境进行勘察，确定无人机倾斜摄影过程中的飞行高度和范围。在拍摄过程中，相机配置为长焦或广角，需要对相机参数进行标定：采用数字摄影测量系统（DSM）和无人机的相机进行自动匹配，获取相机参数和像元信息。利用高分辨率相机对多个视点进行拍摄，将拍摄到的多视角图像拼接成一张正射影像。在拍摄的过程中，飞行的高度需要高于变电站内的建模设备，高出范围在510m 左右。在数据采样期间，首先要设定像控点，像控点根据功能不同划分为地标像控点和非地标像控点5。针对不同2023.7 下 EPEM 143电力工程Electric Engineering的测量区域实际情况，选择合适的像控点进行拍摄。于变站点这种地物稀少的区域来说，对于相控点的精度要求较高，在像控点的布设过程中，需要在测区内均匀分布。在获取到像控点之后，对因此需要对将拼接后的图像进行裁剪，将其作为一幅正射影像，将两幅正射影像拼接后得到最终图像，提取得到相应坐标系下空间位置坐标数据，将其作为变电站三维实景模型构建的基础数据。将获取到的数据进行空间解算，剪裁后的影像需要平差处理，获取两幅正射影像的平差值。由于倾斜摄影过程中图像的参考系不同，还需要进行坐标转换，转换公式为：（1）上式中，k 表示转角度数，x0、y0表示原点的两个坐标平移量。将上式进行化简，得到：（2）其中，A 为转换系数，经过坐标转换之后，建立与原始拍摄坐标系之间的关系。最后将数据输出，导出为 EXCEL 文件格式输出为 DEM 文件，作为后期处理数据使用。1.2 图像增强在图像增强的过程中，将两幅正射影像拼接成一张正射影像然后利用边缘检测技术对其进行重采样。经过图像增强，图像的边缘清晰，细节完整，整体上纹理较多，令图像具有一定的立体感，色彩饱和度得到明显提升，亮度增加。利用图像拼接软件实现拼接图像的自动对齐和自动裁剪,对拼接后的多视角图像进行裁剪，得到一幅完整的倾斜摄影相机拍摄的三维多视角影像。将裁剪后的图像分别导入到GIS 软件中，根据已有变电站三维场景数据和测量需求，选择合适的图层进行数据叠加或分层显示，得到满足变电站三维场景构建要求的基础数据。在已有变电站三维实景模型数据库中提取并保存每个像素的空间坐标信息。其中，高程点表示用于计算地面高程点之间位置关系以及高程差和垂直差的量值；水平位移表示作为测区内固定坐标系下位置信息；角度位移表示根据同一场景不同视角方向所构成不同角度间转换点坐标关系。根据变电站三维模型库中不同视角下对应坐标的空间位置信息，提取并生成满足空间位置要求标准地图。为了增强无人机倾斜摄影测量获取数据的准确性和可靠性，需对获取到的大量数据进行预处理。针对某变电站实测采集到大量数据进行预处理之前存在原始影像大小过大、质量不佳的问题，需对原始图片进行分割、合并和优化裁剪处理以获得较好照片效果以用于后续预处理。1.3 三维实景环境建模利用三维实景模型，可直观地查看变电站内的全景信息，如站内主要建筑物、变电站设备等设施布置情况以及相关数据信息。对于新建变电站，可通过 GIS 空间分析功能提取该变电站内相关建筑物信息和设备设施信息进行三维模型重建与展示。三维实景环境建模实际上就是以地理空间为基础，结合实景三维数据信息建立数字化实景模型的一种建模方式，在建模前期通过对地表进行分层，建立一系列复杂的模型来表达场景中的各种信息。场景是基于真实地形条件下，建立起来的三维模型的信息总和；环境是在某一特定空间区域内存在的自然现象、自然景观和社会现象。图1 建模流程示意图环境建模包括两个部分：地面上场景建模和高空空中场景建模。在地面环境建模的建模过程中，数据一般由地形测量、遥感影像获取、土地利用调查等手段获得，将高精度的地面数据生成点云模型，点云模型的精度在一定程度上能够决定最终模型的精度。这是用数字地图来表示地表三维地形和环境信息，主要用于土地利用规划和设计、环境质量评价等方面。再通过模型技术（如栅格数据提取技术）将这些地面测量和遥感影像获取到的信息进行融合形成立体视图后在计算机上显示，利用由各种几何图形（如正方形、圆形、三角形等）来表示地表空间几何形状和特性信息（如点密度、高程等），被称为144 EPEM 2023.7 下电力工程Electric Engineering面/体模型，其是一种空间可视化工具，广泛应用于GIS 领域中。得到实景三维效果。高空天空场景建模过程中，主要依靠无人机倾斜摄影获取影像，利用在无人机倾斜摄影可以获得天空区域内任意一片区域的三维数据信息，获取相应区域内各个角度范围内的三维影像数据。整体的建模流程如图1所示。在以上的建模流程下，对变电站的测绘区域进行三维建模，获取到无人机倾斜摄影拍摄得到的完整三维数据后，在软件中以数据为基础，在原有的变电站环境下，快速构建出变电站环境的大致模型，该模型类型一般选择三角网模型，此时三维模型经过处理之后，得到的大致雏形，将其输入到第三方的3DMax 软件中进行贴图处理，得到最终的三维实景环境模型。2 建模方法性能测试根据以上方法在某110kV 变电站采集的无人机倾斜航摄数据，以该110kV 变电站为例，分别使用本文设计的建模方法和传统的基于遥感数据的建模方法进行建模精度对比。本文建模方法下得到的不同测量点拟合的三相电线与影像之间的套合情况如图2所示。图2 不同测量点拟合的三相电线与影像的套合结果分析不同建模方法下不同相导线档距中间位置测量的导线与建模拟合导线之间的最大误差，基于遥感数据的建模方法下的误差情况见表1。表1 基于遥感数据的建模方法下的误差统计对比项相序aBc实测导线点y（水平）3364.6523308.6513369.542Z（垂直）-65.614-59.562-58.612内插导线点y（水平）3350.6123286.5133343.512Z（垂直）-60.525-51.324-49.622偏移量（米）dy（水平）14.0422.13826.03dZ（垂直）5.0898.2388.99利用同样的方法对本文方法下得到的模型误差进行统计，结果见表2。表2 本文建模方法下的误差统计对比项相序aBc实测导线点y（水平）3457.6243376.5263428.611Z（垂直）-58.586-52.647-63.563内插导线点y（水平）3456.6523375.2483427.695Z（垂直）-58.656-52.569-63.651偏移量（米）dy（水平）0.9721.2780.916dZ（垂直）0.070.0780.088对比量表中的误差统计结果可以看出，本文建模方法下的各项中水平和垂直误差都能够控制在1.3m 以内，能够反映出本文设计的基于无人机倾斜摄影的变电站三维实景环境建模方法得到的立体模型精度较高；传统的基于遥感数据的建模方法误差最大达到了26.03m，与本文方法的误差相比，进步空间更大，这也证明了本文设计的建模方法在实际应用中的可靠性更高。3 结语本文将无人机倾斜摄影技术应用在三维实景环境建模中，由于该技术对地面影像的获取精度较高，能够代替传统人工作业方式，解决成本昂贵、效率低下、数据质量不能保证等问题。本文设计的建模方法在实际应用过程中具有较高的建模精度，对于三维实景环境建模领域具有重要意义。但是本文设计的方法，还有部分问题需要改进，对于地面上不连续、不光滑的纹理映射来说，难以进行填充和贴图渲染，因此部分绿化植物的建模精度还有待提升。参考文献1 刘帅,陈建华,等.基于无人机倾斜摄影的数字露头实景三维模型构建 J.地质科学,2022,3.2李朋伟,王雁林,等.基于无人机与Photoscan 软件的矿山地质环境三维立体建模及应用J.中国矿业,2021,9.3 周勇,刘如飞,等.基于无人机倾斜摄影和三维激光扫描的桥梁数字化建模方法 J.公路交通科技,2022,8.4 余加勇,薛现凯,等.基于无人机倾斜摄影的公路边坡三维重建与灾害识别方法 J.中国公路学报,2022,4.5王越,何诚,等.基于无人机倾斜摄影技术的单木参数提取及胸径模型构建 J.西南林业大学学报(自然科学),2022,1.