投稿单位：
国网河北省电力有限公司经济技术研究院
投稿人：
任雨 申向梁
2018年11月24日
摘要：输变电工程三维设计是当前电力工程设计工作的主流趋势，基于三维影像模型进行电力工程设计，可更加直观、方便地开展路径优化、电气距离校验等工作。本文利用多旋翼无人机搭载传感器采集影像数据，建立输电线路走廊实景模型，为输电工程的三维设计提供数据支撑。同时，将三维模型与人工实测结果进行比对分析，总结得出无人机实景建模的适用范围。
关键词：输电线路三维设计;多旋翼无人机;实景建模
1 项目背景
数字化三维设计是新一代智能设计平台的基础，目前我国各行各业均广泛、深入的应用三维设计技术。2017年开始，国家电网公司与南方电网公司共同力推数字化三维设计技术在电力工程中全面应用。未来，以三维设计为核心的数字化设计，将成为贯穿电力工程全过程、全生命周期的主轴线。
无人机中、低空数据采集技术作为空间数据获取的一项重要手段，具有续航时间长、飞行成本低、数据分辨率高、调度机动灵活等优点，可实现数据实时传输，并可进入高危地区探测，是卫星遥感与传统航空摄影测量的有力补充。[1]
本文利用飞马智能航测系统进行航空摄影测量，采集拟建输电线路走廊影像数据，制作实景三维模型，并导入三维设计平台中[1] 。基于三维模型进行输电线路设计，将极大提高设计可视化程度，并能精确量测地物与线路的空间距离，优化线路路径。
1.1无人机航测系统
本文采用飞马D1000智能航测系统，D1000是飞马机器人推出的一款基于旋翼无人机平台的一体化智能航测系统；系统基于无人机管家iPad版，支持正射、条带、倾斜、环绕、全景多种作业模式的专业航线设计与全自动飞行控制功能；整合无人机管家专业版软件，在其稳健的空三解算、控制点测量、一键成图等支持下，针对旋翼相机优化算法，实现大比例尺精度应用，并提供DSM、真正射、三维模型等多种成果。 
1.2工程概况
邢西~临泉π入龙泉220kV线路工程位于太行山东部丘陵地区，起自新建龙泉220kV变电站，止于邢西~临泉220kV线路东、西破口点，形成龙泉~邢西220kV线路和龙泉~临泉220kV线路。
表1 工程概况
Table 1Project Overview
| 电压等级 | 220kV |
| 输送功率 | 529MVA |
| 线路路径长度 | 东线长1.04km,西线长1.22km |
| 回路数 | 单回路 |
| 导线型号 | 2*JL/GlA-400/35 |
| 地线型号 | 一侧采用24芯OPGW，另一侧使用JLB40-150铝包钢绞线 |
| 设计基本风速 | 27m/s |
| 设计覆冰厚度 | 导线5mm，地线10mm |
| 污秽等级 | 全线按e级污秽区设计 |
2 技术路线图
3 作业流程
3.1航线设计
针对本工程线路走向，为完全覆盖两条线路两侧各100m的线路走廊区域，测区宜设计为多边形，如图1所示。最低点高程279m，最高点高程308m，经计算得到测区平均高程为292m。根据规范要求，当航摄比例尺大于或等于1:7000时，测区内的地形高差一般不大于1/6相对航高，航摄设计指标如表1所示。
图1 航线布设图
Fig. 1 Route layout
表2 无人机航摄设计
Table 2 Drone aerial photography design
| 指标项 | 数值 | 指标项 | 数值 |
| 分辨率 | 5cm | 测区面积 | 2.011km2 |
| 航向重叠度 | 80% | 最高点海拔 | 308m |
| 旁向重叠度 | 60% | 最低点海拔 | 279m |
| 相对航高 | 183m | 平均海拔 | 292m |
3.2像控点布设
由于本工程设计采用的坐标系为西安80，而无人机航摄系统自带坐标系为WGS84，故需要布设像控点转换坐标系。像控点的精度和数量直接影响到航测数据后处理的精度，所以像控点的布设和选择应当尽量规范、严格、精确。本次像控点布设采用喷漆法布设像控点7个，并使用GPS采集点坐标数据（西安80）。像控点分布如图2所示。
图2 像控点分布图（蓝线为线路走向）
Fig. 2 control point distribution map (blue line is the line direction)
4 输电线路走廊实景建模
利用航空影像数据为数据源，采用影像匹配彩色点云数据技术和三维网格优化算法，实现自动三维建模、纹理映射、连接点重构纹理和重建约束，建立输电线路走廊三维模型[3]。
4.1 三维建模流程
使用航摄影像处理软件，对采集的航摄相片进行预处理，对影像进行匀光和降噪。之后根据影像的航向和旁向重叠数据，将相片拼接为整副影像。利用无人机航飞拍摄的POS数据与地面像控点坐标，进行空三校正，将影像坐标系由WGS84转为本工程所需的西安80坐标系。最后通过影像匹配点云，TIN三角建模及纹理贴附，生成三维影像模型，如图3所示。
（a）影像匹配点云
（b）构建数字地表模型
（c）自动纹理贴图
图3 输电线路走廊实景建模过程
Fig. 3 Transmission line corridor real-time modeling process
至此，三维实景模型中的地物只有空间信息，没有属性信息。因此，需要赋予道路、树木、房屋、交跨线等地物属性信息，从而可以在线路选线过程中实现空间距离量算。
图4 交跨地物信息标绘
Fig. 4 Cross-land feature information plotting
4.2 三维模型精度分析
本工程在航飞前，采集了输电线路5基塔塔位作为航飞精度检测点。像控点校正方面，中误差在±0.01m。经检测点检测结果对比，三维模型中平面中误差在±0.05~0.1m之间，高程中误差在±0.1~0.2m之间。根据《220kV及以下架空送电线路勘测技术规程》要求，本次测量精度满足设计深度规定。
表3 像控点残差分析
Table 3Image control residual analysis
| 点号 | 精度 XY/Z[m] | 误差 X[m] | 误差 Y[m] | 误差 Z[m] | 投影误差[pixel] |
| 1 | 0.02/0.02 | 0.011 | -0.014 | -0.002 | 0.383 |
| 2 | 0.02/0.02 | -0.001 | 0.012 | -0.002 | 0.302 |
| 3 | 0.02/0.02 | -0.026 | -0.003 | 0.014 | 0.445 |
| 4 | 0.02/0.02 | 0.008 | -0.016 | -0.030 | 0.250 |
| 5 | 0.02/0.02 | 0.002 | 0.013 | -0.007 | 0.393 |
| 6 | 0.02/0.02 | 0.002 | 0.006 | 0.004 | 0.687 |
| 7 | 0.02/0.02 | 0.009 | -0.004 | -0.013 | 0.458 |
| 平均值 | 0.000798 | -0.000647 | -0.005207 | ||
| 均方根差 | 0.011645 | 0.010776 | 0.013873 |
表4 检测点对比结果精度分析
Table 4 Accuracy analysis of comparison results of detection points
| 检测点号 | 偏移ΔX[m] | 偏移ΔY[m] | 偏移ΔZ[m] |
| 1 | 0.07 | -0.11 | -0.12 |
| 2 | -0.12 | 0.04 | -0.08 |
| 3 | -0.06 | -0.03 | 0.13 |
| 4 | 0.08 | -0.06 | -0.13 |
| 5 | 0.02 | 0.03 | -0.07 |
| 中误差 | ±0.077 | ±0.062 | ±0.109 |
5 工程应用与精度分析
5.1地物标绘精度比对分析
由于本工程在开展三维设计之前，已完成全线祥测工作。因此，将人工测量成果中的树木、道路、房屋等交跨地物与三维模型进行比对分析，即可得出三维模型中地物标绘的精度。
（a）已有塔基位置对比
（b）房屋标绘位置对比
（c）道路标绘位置对比
图5 地物标绘对比（红色为实测数据）
Fig. 5 Landmark plotting comparison (red is measured data)
表5 地物对比结果
Table 5 Feature comparison result
| 序号 | 地物类型 | 偏移（单位：米） |
| 1 | 公路 | 0.2 |
| 2 | 房屋 | 0.3 |
| 3 | 小路 | 0.1 |
| 4 | 坟 | 无法识别 |
| 5 | 树木 | 0.2 |
| 6 | 塔基 | 0.3 |
| 7 | 大棚 | 0.3 |
| 8 | 房屋 | 0.2 |
| 9 | 10kV线 | 0.5 |
| 10 | 通信线 | 无法识别 |
将三维模型中标绘的地物与实测数据对比，如图5所示，比对结果如表5所示。由此可以看出，除无法识别的地物外，考虑两种测量方式存在对地物边界定义不完全一致的因素，可以认为三维模型中的地物精度能够满足初设要求。
5.2空间距离量算
在三维场景中，基于BIM技术对输电线路的塔、线、串进行三维建模，可以真实模拟输电线路走廊场景，如图6所示。依据《110kV~750kV架空输电线路设计规范》中对于220kV架空输电线路的安全距离规定（表4），便可以对输电线路走廊内的交跨地物进行空间距离量测，对输电线路走廊内的居民地、建筑、树木等交叉跨越物进行精确的空间距离量测，并对不满足安全距离的区段进行报警提示，如图7所示。
图6 三维场景中的塔、线、串模型
Fig. 6 Tower, line, and string models in 3D scenes
表6 220kV架空输电线路导线对地距离及交叉跨越表
Table 6 Wire-to-ground distance and cross-over table of 220kV overhead transmission line
| 被跨越物名称 | 距离（m） |
| 居民区 | 7.5 |
| 非居民区 | 6.5 |
| 交通困难地区 | 5.5 |
| 铁路 | 至标准轨顶8.5 |
| 电力线 | 4 |
| 通信线 | 4 |
| 机井 | 4 |
| 等级公路 | 8 |
| 不通航河流 | 4（至百年一遇洪水位）
6.5（至冬季冰面） |
| 树木（按自然生长高度计算） | 4.5 |
| 果树 | 3.5 |
图7 三维空间距离精确校验
Fig. 7 Accurate calibration of three-dimensional space
6效果评价
随着国家电网公司基建部2018【585】号文的颁布，所有新建35kV及以上电压等级输变电工程均要求采用三维设计手段开展设计工作。通过无人机航测获取线路走廊DOM与DEM，是输电工程开展三维设计的前提。本文利用飞马无人机D1000航测系统对输电线路走廊进行数字化三维建模，真实还原架空输电线路工程实景模型，为输电线路路径优化与交跨地物的空间距离量算提供了数据支撑。将本次研究成果与实测结果对比，可总结出利用飞马航测系统开展输电线路三维设计的优势如下。
（1）飞马无人机操控及数据处理流程简单快捷，易上手，新手经过半天培训即可开展独立作业（2）航测数据覆盖面积广，数据获取速度快，即使线路路径发生变动也无需重测，方便开展路径优化工作。（3）基于DOM及DEM调绘沿线地物，可大量减轻传统人工测量工作量。以本工程为例，传统测量需2个工作日，而采用航测仅需1小时。（4）对于沿线需砍伐或高跨的树木，由于人工测量只标注行距与株距，而航摄影像可以清楚辨别单棵树木，因此航测手段对树木数量的统计更精准。
致 谢
本文中航测外业工作及数据处理均离不开深圳飞马机器人科技有限公司技术人员的全力支持，在此向他们表示衷心的感谢。
参考文献
[1]彭向阳,陈驰,饶章权,杨必胜,麦晓明,王柯.基于无人机多传感器数据采集的电力线路安全巡检及智能诊断[J].高电压术,2015,41(01):159-166.
[2]王永生，卢小平，朱慧，等.无人机实景三维建模技术在水利BIM中的应用[J].测绘通报，2018（3）：126-129.DOI：10.13474/j.cnki.11-2246.
[3]裴慧坤,姜三,林国安,黄浩,江万寿,杨成城.依托无人机倾斜摄影的电力走廊三维重建[J].测绘科学,2016,41(12):292-296.
[4]罗海军，王彬，郭豫东，等.输电线路工程勘测中无人机测绘航线设计与优化[J].测绘通报.2017（S1）：214-215.DOI：10.13474/j.cnki.11-2246.2017. 0658.
[5] 曲林,冯洋,支玲美,高文慧.基于无人机倾斜摄影数据的实景三维建模研究[J].测绘与空间地理信息,2015,38(03):38-39+43.
[6] 孙玉平,范亚兵,郝睿,强博文.基于倾斜摄影技术构建实景三维产品的应用开发研究[J].测绘与空间地理信息,2015,38(11):152-154.
[7]DL/T 5076-2008 220kV及以下架空送电线路勘测技术规程[S].北京：中国电力出版社，2008
[8]GB 50545-2010 110kV~750kV架空输电线路设计规范[S].北京：中国计划出版社，2010
作者简介：
任雨（1989），男，硕士研究生，工程师，主要研究方向为输电线路三维设计勘测技术，E-mail：597563899@qq.com；
申向梁（1989），男，通信作者，硕士研究生，工程师，主要研究方向为输电线路三维设计勘测技术，E-mail：498489435@qq.com
