无人机倾斜摄影技术在输电杆塔斜度精确测量中的应用

郑玉浩，于学超，朱庆钢，任宗基，张 佳

（国网山东省电力公司潍坊供电公司,山东 潍坊261000）

架空输电杆塔主要分布在山区、农田、河道附近等环境复杂条件中，且随着河流冲刷、取土开挖或机械碰撞等因素，会发生杆塔基础沉降、倾斜，严重将导致杆塔倒杆断线危险。快速准确地测量架空输电线路杆塔倾斜度成为线路安全运行和检修改造的重要参考指标[1]。如何提高杆塔倾斜度测量的精确度和测量效率成为当前亟待解决的问题。

传统的杆塔倾斜度测量方法有铅锤法、经纬仪、全站仪和平面镜测量等[2-3]。但是铅锤法需登塔测量，且工具简陋，存在安全风险大、效率低问题；经纬仪和全站仪操作步骤复杂，且需要多角度变换位置测量；平面镜测量利用光学原理需设置多次调整平面镜，计算结果需多次校核，精度较低。文献[4]提出采用地面激光雷达扫描输电线路铁塔获取杆塔倾斜度，实现了杆塔倾斜度的数字化分析，但是获取的点云数据由于噪点不可避免，需要准确剔除无关点云，且现场设备架站需求高，对河道内杆塔无法靠近测量。文献[5]提出采用无人机激光雷达进行杆塔倾斜度精确测量，虽然解决了空间位置受限，但仍存在点云噪点剔除、高程渲染等操作。基于上述问题，本文提出一种基于无人机倾斜摄影技术的输电杆塔倾斜度精确测量方法，该方法不受现场环境影响，且获取的数据真实还原现场三维环境，进行了现场可行性测量和比对试验，验证此方法测量效率高、精度高、实用性强。

1 无人机倾斜摄影技术

1.1 倾斜摄影基础数据获取

输电线路无人机倾斜摄影技术是无人机搭载五向相机或支持倾斜拍照功能的单镜头相机航摄技术[6-7]。航摄相机从各个角度获取目标区域输电线路杆塔本体和通道附着物垂直和倾斜影像及位置信息，云台镜头朝下为正射，云台镜头倾斜40°～60°拍摄为倾斜拍摄，如图1所示。同时无人机POS数据记录飞机拍照对应的俯仰角、滚转角、航向角、地速等丰富信息，便于后期进行差分数据处理[8-10]。

图1 相机正射和斜射位置分布

1.2 倾斜摄影数据模型重建特点

倾斜摄影数据模型重建是将正射和斜射照片进行影像拼接处理的全过程。处理过程主要概括为3步。第一步：影像重叠度、像片倾角和旋角、像点位移纠正。第二步：联合平差，对相片进行空中三角测量。第三步：重建多维融合模型包括DOM、DSM、DEM、数字点云等数据模型[11]。图2为无人机数据处理流程图。生成的三维实景模型具有三维可量测特性。

图2 倾斜摄影数据处理流程图

杆塔实景三维模型精确反应本体及通道轮廓基本特征，原比例还原现场实景，细节部分没有显著的拉伸变形或纹理漏洞。

模型坐标和位置准确，与无人机航拍影像一一对应。

除了生成三维实景模型，还派生出现场无法肉眼可见的地表起伏变化模型和三维点云模型，信息丰富。

2 无人机倾斜摄影测量系统

无人机倾斜摄影测量系统由无人机、任务载荷、航摄数据处理3部分组成。

2.1 机型选择

当前输电线路常用于倾斜摄影无人机应具备RTK精度定位，主要有多旋翼、固定翼、垂起固定翼。多旋翼采用四旋翼或8旋翼无人机，如大疆精灵4 RTK、经纬M300 RTK搭载P1或H20系列高清镜头，固定翼采用垂起固定翼，如成都纵横CW系列、武汉易瓦特、深圳飞马等。

多旋翼特点：飞行高度相对安全，操作简单；低空拍摄，采集精度高；起降便利，对场地要求不高；飞行速度慢，续航时间短，作业面积有限。

固定翼特点：飞行高度相对较高，需要空域申请；高空拍摄，影像分辨率有限；起降区要求空旷，受环境限制；飞行速度快，续航时间长，作业效率高。

2.2 任务荷载

任务荷载是倾斜摄影的影像采集装置，包括多镜头和单镜头相机。多镜头相机用于前、后、左、右、下5个方位影像同时获取，作业效率高。单镜头相机根据框选区域自动规划五向航线、井字航线或者蛇形航线，按照飞行航线获取正射和四面照片。

任务荷载参数决定建模的质量和精度，主要包括：影像分辨率、影像重叠度、相机曝光值、飞行速度。

2.3 数据处理

数据处理系统是生成三维实景模型的关键步骤，输电线路常用的三维场景数模型数据处理系统有Pix4D mapper 4、DJI Terra和Smart 3D等三维建模软件。主要采用空中三角测量解算方法。导入航摄影像和POS数据，经过点云匹配、点云构网、无缝纹理映射等步骤，实现地面景物的逼真实景真三维重构。后期可以人工修补、矫正。

表1 任务荷载主要参数

影像预处理。影像编号和对应的POS数据进行匹配，检查拍照质量，确认影像没有变形、扭曲等现象，对不符合要求的影像进行修复，按照一定的规则对影像与POS数据进行统一编号。

空三加密。在影像上刺像控点，采用光束法得到加密图像点云。

影像密集匹配。自动匹配影像重叠部分的同名点，根据特征点进行叠加，得到大量三维实景点云细节。

纹理自动映射。点云构建不规则三角网，再生成未上色的高程模型，通过纹理自动映射到高程模型上最终形成实景三维模型。

3 杆塔倾斜测量

工程测量中，杆塔倾斜度为塔顶中心与塔基中心偏离值与杆塔全高的比值，显然，找到塔基中心最大偏离值，即可确定杆塔倾斜度。杆塔三维倾斜摄影技术应用于杆塔测量需要解决的是杆塔三维实景模型的建立和杆塔顶、塔基中心的测量。

塔基绝对水平面通过连接杆塔4个塔角对角线连线，交点即为塔基中心O点。

杆塔顶部中心点通过连接杆塔顶部横线路方向顶点到对侧塔顶顶点“十”字相交确定塔顶中心点O1。

连接塔基中心O点和塔顶中心点O1，测出杆塔全高Q、杆塔垂直方向高度H和杆塔水平偏移距离S；

计算杆塔倾斜度为

式中：S为倾斜值，mm；H为杆塔全高，mm；Q为杆塔倾斜度，%。

依据GB 50233—2014《110 kV～750 kV架空输电线路施工及验收规范》，杆塔组立及架线施工后，其允许偏差应符合表2的规定。

表2 杆塔组立的允许偏差

4 现场测试

4.1 测试方案

4.1.1 机型及飞行指标

经纬M300 RTK+P1镜头。

表3 经纬M300 RTK倾斜摄影主要性能指标

4.2.2 重建结果

潍坊市220 kV某线路#36塔现场巡视过程发现杆塔倾斜严重，现场进行无人机三维倾斜测量，杆塔性质直线钢管杆，塔全高77 m，杆塔走向东西方向，飞行间隔设置20 m，自动生成5条航线，分别是下、前、后、左和右，默认拍照数量512张。生成三维模型投影面积417083.8 m2，三维倾斜模型内存43.9 G。三维倾斜模型投影面积和拟合面积效果如图3所示。

图3 三维倾斜模型效果及测量

建模效果：地表道路效果很好，杆塔细节建模效果一般，导线有部分缺失，不影响杆塔倾斜度测量精度。

现场采用地面激光雷达测量倾斜结果如图4所示。

图4 激光雷达重建结果

倾斜度测量结果为S值7.2 m，倾斜度为4.67%。将上述数据分别代入利用公式分别计算出杆塔倾斜度，并与设计值对比，如表4所示。

表4 杆塔倾斜度测量误差

三维倾斜测量顺线路方向测量倾斜值S1为51 m，横线路方向测量值为52 m，倾斜度测量结果为4.51%，误差0.02 m。精确度达99.8%。

可见本文提出的三维倾斜摄影测量杆塔倾斜度方法可用于现场实测，精度满足工程需求。

3 结论

本文提出了一种三维倾斜实景模型下杆塔倾斜度测量方法，重点研究了输电杆塔倾斜摄影步骤、三维实景模型建立和倾斜度测量。为了验证该方法的有效性，以潍坊市220 kV线路典型倾斜杆塔进行试验，结果表明了无人机倾斜摄影技术在输电杆塔倾斜度测量方法有效性，与传统倾斜度测量相比较，三维实景效果好，数字化测量更具体，能够满足杆塔运维要求。