输电线路工程实景三维建模研究与应用

输电线路工程实景三维建模研究与应用

龚永胜 吴海洋

中国电建集团青海省电力设计院有限公司 青海 西宁 810008

摘要：实景三维建模技术的纹理获取以及自动贴图足够高效，完全可以实现自动化处理，无需人工干预。其最大的瓶颈是几何结构的建立，即从离散的激光点云或者图像生成的密集点云中构建出物体的几何结构。本文对输电线路工程实景三维建模研究与应用进行分析，以供参考。

关键词：输电线路；实景三维建模；应用

引言

国网基建部《关于全面应用输变电工程三维设计及建设工程数据中心的意见》提出，从2018年下半年开始，公司新建35kV及以上输变电工程全面应用三维设计。到2020年底前，公司所有新建、改建、扩建35kV及以上输变电工程具备数字移交条件，总体上实现三维设计、三维评审、三维移交，充分利用三维设计手段，实现精准设计。

1基于无人机倾斜摄影测量的城市实景三维模型建立技术

基于倾斜摄影测量的三维建模技术通常包括影像匹配、多视影像联合平差、多视影像密集匹配、TIN网构建、纹理映射。影像匹配是自动生成三维模型等空间模型以及数字表面模型的基础，是外业任务人员对航测任务所要求的地物和地形等进行三维建模的基础，其中是通过对所有获得的影像数据中的同一物体类型在不相同的影像数据里面的精确匹配，最终获得其精确的坐标数据。多视影像联合平差主要目的是为了解决在倾斜摄影过程中通过多个角度来获取影像数据所提出的一种平差方法。多视影像密集匹配是在重建了航带之后，依据空中三角测量进行解算以后的外方位元素建立立体相对，并且根据多视影像密集匹配进行点云的生成，也是倾斜摄影测量技术必不可少的一项技术。通过多视影像匹配后所生成的高密度点云，然后通过点云建立不规则的TIN网或者规则的TIN网两种结构形式，其中在倾斜测量技术中三维模型的构建的性质是网格面的模型。纹理映射是三维建模中体现模型真实度制作的一个至关重要的部分，在倾斜摄影的影像数据中自身就已经具备了纹理信息，因此只需要将二维中的空间点数据和三维模型的表面建立对应的关系，这就是纹理映射。

2实景三维建模生成方式

无人机倾斜摄影测量建模技术，照片生成三维模型是依靠摄影测量原理和计算机视觉算法对图像像素点信息进行提取并导出点云。在密集点云的基础上再进行去噪、纹理映射等手段得到较为逼真的三维模型。在实际应用中，将无人机航拍的倾斜摄影影像导入到建模软件中，通过计算机图形计算，结合定位定向系统(positionandorientationsystem，POS)信息进行空三处理，生成密集点云，点云构成格网，格网结合照片生成赋有纹理的三维模型。

3关键指标分析

3.1自动化程度

倾斜三维建模，在密集点云提取、Mesh模型构建、纹理映射、模型生产等过程中可以实现软件全自动化生产，自动化程度高。倾斜三维建模软件市场化程度较高，国外的有Bentley公司的ContextCapture（原法国Acute3D公司的Smart3DCapture）、AgiSoft公司的PhotoScan、Pix4D公司的Pix4Dmapper、Astrium公司的StreetFactory、Skyline公司的PhotoMesh，国内的有珠科创新的Altizure。以成熟度最高的ContextCapture为例，单机可实现8000～10000张照片自动化处理和建模，若采用集群化处理方式，还可以大幅度提高其数据生产效率。

3.2成果精度

倾斜三维建模虽然能够进行严格的空三加密处理，但受到噪声干扰或影像特征点不明显等影响，匹配的结果具有很大的不确定性、随机性，解算得到的三角网不能满足相应比例尺定位精度的要求，基于此类数据进行的三维分析，结果可信度差。若要提高模型的精度，则需要降低飞行高度、提高倾斜影像地面分辨率；若要达到1∶1000的精度要求，则影像分辨率需要控制在3cm左右。虽然不少单位也在尝试1.5cm、2cm甚至更高分辨率的影像，以满足1∶500的精度要求，但此方法会显著增加外业采集和内业建模工作量，因此不适合城市级实景三维建模项目。

3.3生产成本

LiDAR倾斜三维建模由于同时采用了机载雷达（LiDAR）和倾斜摄影两种技术手段，在硬件上，需要同时投入两套设备，机载激光扫描设备昂贵，动辄需要几百万，因此设备成本较高。对于外业采集，该方法需要执行两次航飞，分别获得点云和倾斜影像，故外业生产周期相对偏长。对于内业生产，虽然倾斜影像少了模型生产环节，但介于目前主流的建筑物建模仍以半自动化建模为主，故整体生产周期相对偏长。总之，LiDAR倾斜三维建模相对于倾斜三维建模的生产成本要高。以1∶1000的精度为例，据市场调研，前者的生产成本大致为2.5万元/km2，后者若采用地面影像分辨率3cm的实景三维模型生产成本大致为2万元/km2。因此，前者更适用于大范围的城市三维模型，一般建议生产任务在100km2以上时投入较为合适。

4空地融合创建实景三维模型

将经过两个block1测区与block2测区的成果进行合并,然后创建新的生产项目,提交生产生成空地融合后的实景三维模型。此时生成的实景三维模型具有倾斜三维模型的上空效果,也具有接近地面视角的效果,尤其在高楼建筑物的通道方面,镂空的部分无须进行人工处理。在三维输电线路计平台里线路走廊三维实景呈现可交互、可量测的方式进行展示,为变电站选址、输电线路优化选线、断面图快速生成、杆塔排杆、杆塔线路三维立体、三维输电线路设计成果输出、输电线路全过程机械化施工方案编制、施工管理、辅助运维检修等工作提供有效的数据支撑和技术手段。

5工程应用

5.1地形实景三维建模

目前地形三维实景建模采用的技术手段是将DEM值至赋予DOM影像的每一个像素，即DOM与DEM融合显示，这样具有明显的三维效果。基于无人机直接生成出来的正射产品更多的是真正射影像图(turedigitalorthophotomap，TDOM)和数字地表模型(digitalsurfacemodel，DSM)。DSM所带来的问题就是有些地表无比突兀，因为地表植被、树、铁塔、高架路、房屋屋顶表面的高程全都显示出来，这些地面上的地物在三维设计过程中有些(如地表植被)需要过滤去除，有些需要(房屋、铁塔、高架等)用三维模型的形式表现出来，并不需要统一用DSM表示，只是需要准确的地面高程。因此需要利用滤波算法过滤地表之上的高程数据。

5.2应用效果

三维场景下可以根据地形地貌走向、地物分布和现有线路的走向、交跨物的位置、高度等，不断调整路径走向，并根据交跨安全距离的要求实时调整平断面杆塔排位，从而获得路径与杆塔排布均为最优的方案。实际应用效果见图12～13。

结束语

由于无人机无法获得完整的点云数据，导致模型的底部区域并不完善，如果加以地面获取点云和倾斜摄影测量点云融合，所得到的结果会更加完善。

参考文献

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