倾斜摄影和激光雷达融合在输电工程三维建模中的应用（基于CC+DP-Modeler）
摘 要：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。准确、精细的三维实景模型是三维设计平台工作的基础数据，倾斜摄影测量和激光雷达测量在三维建模有很大技术优势。目前，国内外单独对激光雷达和倾斜摄影的应用研究都比较多，但是针对两者的结合应用却研究较少。通过探讨倾斜摄影和激光雷达测量技术融合的方法，来实现对输电线路走廊进行快速三维实景建模。
关键词：输电工程；倾斜摄影；激光雷达；三维建模
输电线路三维数字化设计平台是电力三维勘测技术和计算机软硬件相结合，将传统输变电线路设计方法和新技术手段相结合，服务于输变电工程可研、初设、施工、竣工等设计过程而打造的三维协同设计平台，已逐步成为当前各个设计院由传统作业模式向新型的信息化作业模式转变、提高设计精度和效的有效手段。
三维设计是输电线路设计发展的大趋势。三输电线路三维数字化设计平台工作的基础是精确的有纹理颜色直观的三维实景模型。三维实景模型综合集成了几何、纹理、属性信息。一条完整的线路往往要延续几十甚至几百 km，这使得相应的输电线路走廊的三维实景外业数据采集量巨大，加上众多的河流、道路、居民区等地表特征物模型和数以千计的输电设备模型，导致用现有的勘测技术进行三维实景模型建模难度增加，且效果不理想。
倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术。倾斜摄影测量的技术是自动化的方法构建三维模型，很大程度上提高了三维建模的效率。
倾斜摄影测量原理
倾斜摄影测量它是同一台无人机上搭载着五镜头相机从垂直、倾斜等多角度采集影像数据、获取完整准确的纹理数据和定位信息。丰富多彩的影像信息给三维模型带来更加真实的视觉效果。倾斜摄影技术在三维建模的成本上大大节省了成本。倾斜摄影测量能够弥补传统三维建模技术的缺陷，提供了高效率，低成本等优点。
倾斜摄影的五相机方案中（见下图），一台获取垂直影像，另外四台从前后左右 4个方向同时获取地物的侧视影像。相机倾斜角度在 40 °~60 °之间，因此可以较为完整地获取地物侧面的轮廓和纹理信息。倾斜摄影系统可以搭载在有人飞机或者无人机上，可以快速获取地物三维模型且成像效果好，是大场景三维建模的重要选择之一。
倾斜摄影影像获取示意图与4倾斜1垂直影像数据
激光雷达测量原理
激光雷达是一种集激光扫描与定位定姿系统于一身的测量装备，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。激光雷达系统包括激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度，激光扫描角度，就可以准确地计算出每一个地面光斑的三维坐标 X，Y，Z，如图8所示。
图8 激光雷达测量原理示意图
从近年来在电网行业应用的情况看，中大型机载激光雷达系统通常会集成一个垂直视角的光学相机，用于同步获取地面影像或者给激光点云着色以达到更好的视觉效果。激光雷达技术已经在国内外输电线路应用中崭露头角，获得了大家的认可。
4.1两种测量方法比较
倾斜摄影测量和激光雷达技术这两种的数据获取方法都比较快速，三维模型构成的自动化程度都高，都适合大范围快速建模。倾斜摄影几何精度稍低，但三维模型的可视化效果较好；激光雷达获取地物三维点云数据几何精度高，但不能获得地物的纹理信息。
表1 倾斜摄影测量和激光雷达特点
从表 1 可以看出倾斜摄影测量和激光雷达测量各有优缺点，靠单一的测量方法都不能获取完美的三维模实景型。
4.2 倾斜摄影和激光雷达融合测量技术国内外发展现状
有没有测量平台同时集成倾斜摄影测量相机和激光雷达设备？在获取物体的影像纹理的同时能够获得激光点云数据。在内业数据处理时能够将两者融合处理，建立起颜色纹理清晰，几何数据准确的三维模型。
国外徕卡 CityMapper 航空摄影系统就是这两种测量方法的集成设备，如图 12。它是全球首款将倾斜相机和机载激光雷达集成到单个系统的机载传感器，在徕卡通用机载传感器平台的框架下将两个领域跨界组合 CityMapper 为三维实景建模身打造。
图12 徕卡CityMapper机载传感器
该系统包含一个中画幅下视多波段（RGBN）相机和四个倾斜相机同时巧妙的将机载激光雷达也集成进来一次飞行可以获取正射、倾斜影像及高密度激光点云数据突破传统数据产品的获取瓶颈使得数据获取成本更低廉成果更丰富。但其重量达 54 kg，只适合重载型航空飞行器使用，不适合小型无人机。更多干货敬请关注：GIS前沿 国内还没有相关产品出现，但有比较成熟的机载激光雷达测量设备、倾斜摄影测量设备。
5.1 工程概况
某工程海拔标高在 50～200 m之间，沿线地形比例为：泥沼 10%，河网 30%，丘陵 60%。沿线道路有省道、国道、国道、县道以及乡村之间的水泥路交错纵横，人力运距较小，在勘测设计时要充分考虑全过程机械化施工的需求。
影响线路路径的主要因素有：该县整体规划，某江东岸的公益林，某江西岸的光伏电站，某风景旅游区、某森林公园，110 kV线路、220 kV线路、500 kV线路、国道等。
经现场踏勘过程中对沿线污源、房屋、林区、交通现状、重要交叉跨越点、地质条件、水文气象等进行了详细的调查，并到有关部门进行情况了解和收资，取得了大量相关资料。
针对该段线路的特点，采用三维设计平台进行选线，路径优化，杆塔排杆，设计成果输出、三维展示等。本工程采用激光雷达技术获取的数字高程模型（DEM）和数字表面模型（DSM）数据建立无贴图纹理的三维模型，结合倾斜摄影测量技术在地形地貌纹理数据贴图、数据自动化处理、三维模型高精度自动化构建等方面有非常大的优势，非常适用于输电线路走廊的三维实景建模。
5.2 倾斜摄影和激光雷达在线路中三维建模的综合应用
主要技术流程如下：
1）机载激光雷达航测与机载倾斜影像采集，同时获取激光雷达点云数据与倾斜影像；
2）对激光雷达点云进行分层，分离出其中的建筑物、树木、道路等地物类型，初步构建地物的三维模型；
3）激光雷达点云与倾斜摄影中的垂直影像，制作正摄影像图（DOM）；
4）地面采集影像、地物三维模型，分别构建建筑物贴图模型、沿街要素模型和树木模型，详见图13。
图13 技术流程图
5.2.1 无人机航测设备
根据测区的地形、地貌条件，制定合理的航摄计划，选择最有利的飞行时机，利用先进的倾斜摄影测量技术及激光雷达技术对测区进行航空摄影，获取测区的最佳影像资料和激光点云数据。
1）倾斜摄影测量及激光雷达系统选择
本工程无人机倾斜摄影测量系统主要参数见表2-4。
表2 倾斜摄影测量相机参数
表3 八旋翼无人机主要技术参数
表4 RIEGL激光雷达主要参数
该倾斜相机集成了一个垂直和四个倾斜相机，适用于电动多轴无人机执行小范围、高分辨率的倾斜航空摄影任务，可采集 5 km2以内的大比例尺航空摄影和倾斜摄影工作，尤其适合对局部重点目标的航摄与建模任务，数据分辨率最高可达 2 cm，完全满足输电线路的测绘精度需求。微型倾斜相机采集的影像通过建模软件可自动快速生成高分辨率、高精度的真三维模型。
基于RIEGL 先进的波形处理技术通过波形数字化和实时波形处理技术，进行高速的数据采集。卓越的多目标探测能力使其即使在不利的大气条件下也能得到高精度的测量成果。
倾斜相机和激光雷达设备的重量之和小于4.5 kg满足八旋翼无人机的荷载要求。将倾斜摄影技术与激光雷达技术相结合，集成了一套轻量型无人机倾斜摄影测量与激光雷达系统，包括电动八旋翼无人机、五镜头倾斜相机、降落伞模块、激光雷达模块和控制模块等等。该系统具有成本低、飞行可靠性高、操作使用简单、起飞和着陆场地要求低。定位精度与影像分辨率高等特点，可以满足倾斜摄影测量与快速三维建模对数据获取的要求。
2）航测范围确定
航线规划软件（地面站）的地图数据来源于Google Earth，规划航线之前，在 Google Earth中确定本工程线路路径走向，倾斜摄影测量范围为线路路径左右 500 m确定航测范围，了解航测地貌，进行合理的飞行架次划分，优化航拍方案，提升作业效率。根据线路路径及地形，确定本工程分 9个分区进行航测，从某水电厂升压站至某地段，村庄、交叉跨越线路少，分区宽带按600 m，接下来直到变电站，沿线各种线路错综复杂。测区按1 000 m宽航测，见图14。
图14 线路路径及分区划分示意图
3）航线规划及参数设定
倾斜航测的飞行参数包括高度、速度、拍摄间隔、航向间距、旁向间距等，不同的参数设置对航测的精度、效率等产生影响。航测作业前，综合考虑飞控距离、电池消耗、地形地貌、建筑物分布、测量精度等因素，使用地面站软件进行航线规划和参数设定，飞行高度、地面分辨率及物理像元尺寸满足三角比例关系。航线规划软件（地面站）的地图数据来源于Google Earth，规划航线之前，在 Google Earth中确定本工程线路路径走向，确定航测范围，了解航测地貌，进行合理的飞行架次划分，优化航拍方案，提升作业效率。
4）无人机航测实施
地面站设置及无人机组装完成后，即可开始航测作业。无人机将依据指定的航线及参数设置，自动完成航拍任务，操作人员观察无人机位置及地面站实时飞行参数即可，每天可完成 3~5 km的输电线路航测任务。
倾斜航测采集的数据包括各拍摄点的多角度影像信息、对应的激光雷达点云数据及 POS 数据。影像信息由五镜头相机获取，无人机搭载相机以恒定速度对地面进行等距拍照，采集到具有 70%重叠率的相片；POS数据由飞控系统在相机拍照时生成，与相片对应，赋予相片丰富的信息，包括经纬度、高度、海拔、飞行方向、飞行姿态等。
5.2.2 激光雷达点云数据处理
根据输电线路实景模型的要求，需要获取 DEM，并需要构建建筑物、市政设施、电力线路、树木等地物的三维模型，因此，首先需要对激光雷达点云数据进行分类，其流程如图 15所示。采用逐级分类方法阵，先通过预处理进行粗差剔除，接着进行一级分类（滤波），将点云数据分类为地面点与非地面点。利用地面点构建数字高程模型DEM。而对于非地面点，则进行进一步细分，分离出植被、建筑物、电力设施等，见图16。
图15 激光雷达点云数据处理流程
图16 输电线路激光雷达图
5.2.3 无人机倾斜摄影测量数据后处理
采用 Context Capture 完成本次航测的后期三维数据处理。Context Capture 是基于影像自动化进行三维模型构建的并行软件系统，软件建模对象为静态物体，辅以相机传感器属性、照片位置姿态参数、控制点等信息，在进行空中三角测量计算、模型重建计算后，输出相应 GIS成果，以供浏览或后期加工。常见的输出格式包括 OSGB、OBJ、S3C、3MX等，见图17。
基于详尽的航测数据，进行影像预处理、区域联合平差、多视影响匹配等一系列操作，批量建立高质量、高精度的实景三维模型。
图17 倾斜摄影测量数据处理流程图
1）POS数据整合
无人机倾斜摄影测量飞行控制系统生成的 POS数据包含后处理所不需要的信息，且格式也不符合后处理软件的使用要求，不能直接用于后期数据处理工作。原始 POS数据进行筛选、分类处理后，才能用于后处理软件，见图18。
2）空中三角测量计算
航测过程中，照片组对应姿态的精确性可能会受到影响，致使影像信息缺失。而Context Capture进行三维重建时，要求各个照片组具备非常精确的属性以及对应的姿态参数，此时可以通过空中三角测量计算对影像定位信息严格配准，选定参数自动准确估算每幅影像的位置、角元素和相机属性，获得缺失的影像信息。
图18 空中三角测量
3）三维重建
三维重建计算在指定坐标系下完成，本项目采用CGCSS2000坐标系。由于拍摄范围大，影像数据多，完成重建所需的计算机内存往往达到上百 G，普通计算机无法一次性完成重建计算，应根据计算机性能重建框架，调整重建范围及瓦片大小，将原框架分为若干个大小相同的数据切块，分块进行重建计算。数据集群处理可按如下操作进行：搭建局域网，将一台计算机作为服务器，局域网内其他计算机作为节点连接至服务器组成群组，任务提交后，服务器统一分配子任务至各节点。更多干货敬请关注：GIS前沿 节点完成子任务后，将处理结果返回至服务器，并接受新的子任务直至任务完成[2]，见图19。
图19 线路走廊拥挤段倾斜摄影测量
4）模型精修及单体化处理
基于 Context Capture建立三维模型，存在由于错误的影像匹配或者较差的几何姿态造成建筑变形（纹理拉花、结构扭曲、破面缺面等）、悬浮物、丢失部件等情况。通过 DP-Modeler 软件对模型进行精修重建，使地物要素完整。输电线走廊的三维实景建模，采用倾斜摄影测量，面积较大地物精度能满足要求（如道路、房屋、水塘，大树），较细小的物体（如电力线包括杆塔和导地线、通讯线、）和植被较茂密的地表等不能够准确的测出，须借助其他的测量方法加以补充。
5.2.4 模型整合
地形模型和建筑物模型制作完成后，最后进行模型整合。在专业软件中分别加载地形模型和建筑物模型，然后导入道路模型和景观模型，最后对所有模型进行精编辑，与地形模型无缝衔接。整合后的模型兼具倾斜摄影测量和激光雷达的优点，可视化效果好，几何精度高。
5.3 三维实景模型数据导入输电线路设计平台
将整合后的三维实景模型数据的输入到三维设计平台，目前比较成熟的电力三维设计平台，如道亨输电线路杆塔三维设计及绘图系统，数据已支持处理卫片、航片、激光点云、倾斜摄影等各种数据源，满足用户对不同精度地理数据的要求，见图20。
图20 输电线路三维设计
依托三维选线系统，可以快速构建基于数字地球的输电线路走廊的大范围三维场景，结合道亨杆塔设计系统、金具组装系统、基础设计系统、杆塔放样系统等设计软件，可快速建立杆塔、绝缘串、基础模型，从而形成完整的输电线路三维场景，为后期的输电线线 路路径优化、路数字化三维设计、杆塔现场定位、全过程机械化施工方案编制、招投标、项目演示汇报、施工工艺等提供有力的支持。
5.4 使用倾斜与激光雷达融合技术主要外业勘测
工作由于激光点云的精度可达 0.05 m，满足施工阶段断面测量精度。在三维实景模型里可以直观的看到线路路径的外表情况。外业主要工作是塔位核实隐蔽点情况，复测危险点。
5.4.1 外业勘测流程
根据内业排好的断面图，以及临时道路修筑方案。外业测量，根据定好的线路杆塔位，现场逐基实地勘察定桩，进行塔基断面测量；核实杆塔位隐蔽地物（如坟墓、界桩，暗沟、控制点标志、光缆等）对塔位的影响、危险点复核测量。外业人员能当场更改的当场改好，现场不容易更改，可把这些数据实时传送回三维设计系统，设计出更好的更改方案，现场改正。同时核实在三维设计系统标示出临时道路修筑方案的可行性。
准备工作，把最终选定好的路线杆塔坐标文件转换成一般导航软件支持的格式（如 KMl、gpt等格式），使用导航仪每个测量小组都能实时导航，方便快捷到达要测量的位置，避免迷路。
1）以往的外业勘测中发现勘测工作总不尽人意，问题关键在于不能根据已有资料对各阶段工作量进行优化安排，且平断面测量的工作量巨大，基本要沿即定的线路走一遍。而使用有倾斜摄影测量和激光雷达三维融合技术的电网三维设计系统外业工作量很小，只要测量定桩、和塔基面测量，以及危险点复测。既能保证工程精度，又能使工期大大提前，大大节约线路勘测外业成本。
2）司机根据导航能找到距离测量地点最近的公路，减少测量人员徒步走路的时间；同时核实在三维设计系统标示出临时道路。另外可通过共享地理位置，其他勘测小组成员也能实时看到你所在的位置，最大限度保障勘测人员安全。
5.4.2 设计成果输出
1）以高精度的三维模型成果为基础，选好路径后可直接在三维系统选定塔位，确定塔型，根据导线型号、温度等参数，自动放线，在室内完成整条线路的排杆优化，初步生成平段面图。
2）基于真三维环境下进行塔位优化，提取塔位坐标数据、塔基断面数据、树木高度及分布位置、房屋拆迁分布图，对线路的各项综合指标进行统计分析评估。
3）在外业勘测完成后，杆塔定位的最终数据提交给三维设计系统，进一步排杆优化。完成输电线各专业设计后，可生成整套的施工设计资料（包括平断面图、路径图、杆塔明细表，基础图等）
本阶段的外业主要工作是在实地把逐基实地桩位，包括中心桩和方向桩，塔基断面测量，可进一步检验三维模型的整体精度，现场检查临时道路修筑方案可行性。
倾斜摄影测量与激光雷达融合技术是三维建模技术发展的方向。采用倾斜摄影与激光雷达融合技术测量，无人机飞行一次即可获取到足够的三维实景模型数据，比以往的线路测量方法减少 50%一上的外业工作量。
倾斜摄影与激光雷达融合技术为输电线路三维设计做好基础数据保障，要全面推广应用还需进一步深入研究下面几个问题。
1）倾斜摄影测量与激光雷达测量设备的单体的体积重量过大，如何在保证精度的情况把两种设备集成一套轻量型航测系统，让更多的无人机飞行平台能够使用，降低硬件成本。
2）研发能同时处理倾斜摄影测量和激光雷达数据的后处理软件，能有效降低对电脑硬件的要求、使数据处理更快速、准确，降低和对输电线路平台的支持，降低各单位人员软件学习和使用成本。
3）探索倾斜摄影测量与激光雷达测量生产出的三维实景模型精度评估方法，检测三维模型几何精度；确保三维模型的精度。
作者：杜永亮，吕杰部分内容有所删减，版权归原作者所有。本文仅供学习参考如有侵权请联系删除
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基于倾斜摄影和近景摄影技术的实景三维模型制作(基于CC与 DP－Modeler)倾斜摄影模型提取1∶500 地形图要素（基于CC+EPS）无人机在电力行业中的应用汇总