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(cè)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(chǎng)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(cè)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(lèi)等。在以往工程中，電力設(shè)計(jì)企業(yè)通常委托專(zhuān)業(yè)航測(cè)公司，利用大型飛行平臺(tái)和專(zhuān)業(yè)航攝儀，獲得航測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，周期較長(zhǎng)，成本也較高。三維數(shù)字化設(shè)計(jì)工作的開(kāi)展，對(duì)地理信息數(shù)據(jù)的要求更高，因此在滿(mǎn)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(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)疑大大降低了航空攝影測(cè)量的成本和技術(shù)門(mén)檻，無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量是近年來(lái)測(cè)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(cè)量的不足，還帶來(lái)了技術(shù)革新，特別是無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展成熟，更是將航空攝影測(cè)量推上新的歷史臺(tái)階，航測(cè)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(lái)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(wú)人機(jī)正射攝影和傾斜攝影測(cè)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(jiǎn)單高效的解決方案。

二、工程概況

本工程為國(guó)家電網(wǎng)2017年第二次三維數(shù)字化設(shè)計(jì)競(jìng)賽依托工程：福建漳州～泉州500kV I,II回開(kāi)斷進(jìn)集美變線路工程，該線路位于廈門(mén)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(guò)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(tái)

本工程選擇聯(lián)合使用飛馬F1000和D1000進(jìn)行航測(cè)，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(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)，工藝成熟，性能穩(wěn)定，安全可靠，全自動(dòng)飛行無(wú)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(mén)檻，無(wú)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(wú)人機(jī)航測(cè)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(duì)于地面站軟件也極為重視，所開(kāi)發(fā)的無(wú)人機(jī)飛行管家軟件，將用戶(hù)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(wú)人機(jī)管家，與大疆合作開(kāi)發(fā)的一套低成本航測(cè)系統(tǒng)，目前支持大疆精靈4Pro，無(wú)人機(jī)管家的加持，賦予消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)強(qiáng)大的航測(cè)能力，特別適合小場(chǎng)景正射攝影或傾斜攝影測(cè)量。

3.2 航線設(shè)計(jì)

飛馬無(wú)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(hào)、測(cè)區(qū)和測(cè)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(huì)自動(dòng)獲取測(cè)區(qū)地形數(shù)據(jù)，對(duì)航飛安全性及成果質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，航線設(shè)計(jì)成果直接在三維數(shù)字地球平臺(tái)中進(jìn)行展示。本工程F1000按1:2000比例尺進(jìn)行測(cè)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(cè)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(duì)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?xún)?nèi)，本工程在測(cè)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(cè)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(chǎng)測(cè)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(wú)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(lèi)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(duì)起飛場(chǎng)地有一定要求，最好選擇直徑約100米左右的空曠場(chǎng)地進(jìn)行起飛和降落。整個(gè)飛行過(guò)程，由無(wú)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(wú)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(mǎn)足需求，特別是其空三模塊，已經(jīng)不亞于其他知名航測(cè)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(shì)，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(chǎng)實(shí)測(cè)了69個(gè)高程檢查點(diǎn)，與無(wú)人機(jī)航測(cè)生產(chǎn)的數(shù)字高程模型進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算中誤差為0.25m,滿(mǎn)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(cè)圖系統(tǒng)進(jìn)行路徑優(yōu)化，該平臺(tái)融合了航測(cè)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(tái)無(wú)需佩帶立體眼鏡，無(wú)需專(zhuān)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(chǎng)景，進(jìn)行路徑優(yōu)化和平斷面測(cè)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(cè)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(cè)量平臺(tái)提供的常用路徑優(yōu)化功能之外，該平臺(tái)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(guò)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(wèn)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(wú)人機(jī)航測(cè)獲取的高分辨率正射影像中可以比較容易的判讀各種類(lèi)型的道路和水系，其中道路主要有鐵路、高速公路、國(guó)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(kù)、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(guò)坡度判斷，可以對(duì)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(guò)建立國(guó)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(duì)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(cè)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(shù)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(chǎng)景，本工程位于山區(qū)，地形起伏較大，沖溝較多，通過(guò)三維地面場(chǎng)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(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的高分辨率和高精度，能夠保證平斷面測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量。目前，主流三維地理信息平臺(tái)均支持直接加載傾斜攝影測(cè)量模型，基于三維地理信息平臺(tái)開(kāi)發(fā)的輸電線路三維數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)對(duì)傾斜模型數(shù)據(jù)的應(yīng)用，也是一大趨勢(shì)。