基于无人机倾斜摄影的变电站三维实景环境建模方法.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
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