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傾斜攝影和激光雷達融合在輸電工程三維建模中的應用

時間:2020-2-28 17:00:57欄目:傾斜攝影點擊數(0)已有0人評論 加入收藏

  摘 要:在三維輸電線路計平臺里線路走廊三維實景呈現,可交互、可量測的方式進行展示,為變電站選址、輸電線路優化選線、斷面圖快速生成、桿塔排桿、桿塔線路三維立體、三維輸電線路設計成果輸出、輸電線路全過程機械化施工方案編制、施工管理、輔助運維檢修等工作提供有效的數據支撐和技術手段。準確、精細的三維實景模型是三維設計平臺工作的基礎數據,傾斜攝影測量和激光雷達測量在三維建模有很大技術優勢。目前,國內外單獨對激光雷達和傾斜攝影的應用研究都比較多,但是針對兩者的結合應用卻研究較少。通過探討傾斜攝影和激光雷達測量技術融合的方法,來實現對輸電線路走廊進行快速三維實景建模。

  關鍵詞:輸電工程;傾斜攝影;激光雷達;三維建模

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  引言

  輸電線路三維數字化設計平臺是電力三維勘測技術和計算機軟硬件相結合,將傳統輸變電線路設計方法和新技術手段相結合,服務于輸變電工程可研、初設、施工、竣工等設計過程而打造的三維協同設計平臺,已逐步成為當前各個設計院由傳統作業模式向新型的信息化作業模式轉變、提高設計精度和效的有效手段。

  三維設計是輸電線路設計發展的大趨勢。三輸電線路三維數字化設計平臺工作的基礎是精確的有紋理顏色直觀的三維實景模型。三維實景模型綜合集成了幾何、紋理、屬性信息。一條完整的線路往往要延續幾十甚至幾百 km,這使得相應的輸電線路走廊的三維實景外業數據采集量巨大,加上眾多的河流、道路、居民區等地表特征物模型和數以千計的輸電設備模型,導致用現有的勘測技術進行三維實景模型建模難度增加,且效果不理想。

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  傾斜攝影測量

  傾斜攝影技術是國際測繪遙感領域近年發展起來的一項高新技術。傾斜攝影測量的技術是自動化的方法構建三維模型,很大程度上提高了三維建模的效率。

  傾斜攝影測量原理

  傾斜攝影測量它是同一臺無人機上搭載著五鏡頭相機從垂直、傾斜等多角度采集影像數據、獲取完整準確的紋理數據和定位信息。豐富多彩的影像信息給三維模型帶來更加真實的視覺效果。傾斜攝影技術在三維建模的成本上大大節省了成本。傾斜攝影測量能夠彌補傳統三維建模技術的缺陷,提供了高效率,低成本等優點。

  傾斜攝影的五相機方案中(見下圖),一臺獲取垂直影像,另外四臺從前后左右 4個方向同時獲取地物的側視影像。相機傾斜角度在 40 °~60 °之間,因此可以較為完整地獲取地物側面的輪廓和紋理信息。傾斜攝影系統可以搭載在有人飛機或者無人機上,可以快速獲取地物三維模型且成像效果好,是大場景三維建模的重要選擇之一。

  傾斜攝影影像獲取示意圖與4傾斜1垂直影像數據

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  激光雷達測量技術

  激光雷達測量原理

  激光雷達是一種集激光掃描與定位定姿系統于一身的測量裝備,可以高度準確地定位激光束打在物體上的光斑。激光雷達系統包括激光器和一個接收系統。激光器產生并發射一束光脈沖,打在物體上并反射回來,最終被接收器所接收。接收器準確地測量光脈沖從發射到被反射回的傳播時間。鑒于光速是已知的,傳播時間即可被轉換為對距離的測量。結合激光器的高度,激光掃描角度,就可以準確地計算出每一個地面光斑的三維坐標 X,Y,Z,如圖8所示。

  圖8 激光雷達測量原理示意圖

  從近年來在電網行業應用的情況看,中大型機載激光雷達系統通常會集成一個垂直視角的光學相機,用于同步獲取地面影像或者給激光點云著色以達到更好的視覺效果。激光雷達技術已經在國內外輸電線路應用中嶄露頭角,獲得了大家的認可。

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  傾斜攝影和激光雷達融合測量技術

  4.1兩種測量方法比較

  傾斜攝影測量和激光雷達技術這兩種的數據獲取方法都比較快速,三維模型構成的自動化程度都高,都適合大范圍快速建模。傾斜攝影幾何精度稍低,但三維模型的可視化效果較好;激光雷達獲取地物三維點云數據幾何精度高,但不能獲得地物的紋理信息。

  表1 傾斜攝影測量和激光雷達特點

  從表 1 可以看出傾斜攝影測量和激光雷達測量各有優缺點,靠單一的測量方法都不能獲取完美的三維模實景型。

  4.2 傾斜攝影和激光雷達融合測量技術國內外發展現狀

  有沒有測量平臺同時集成傾斜攝影測量相機和激光雷達設備?在獲取物體的影像紋理的同時能夠獲得激光點云數據。在內業數據處理時能夠將兩者融合處理,建立起顏色紋理清晰,幾何數據準確的三維模型。

  國外徠卡 CityMapper 航空攝影系統就是這兩種測量方法的集成設備,如圖 12。它是全球首款將傾斜相機和機載激光雷達集成到單個系統的機載傳感器,在徠卡通用機載傳感器平臺的框架下將兩個領域跨界組合 CityMapper 為三維實景建模身打造。

  圖12 徠卡CityMapper機載傳感器

  該系統包含一個中畫幅下視多波段(RGBN)相機和四個傾斜相機同時巧妙的將機載激光雷達也集成進來一次飛行可以獲取正射、傾斜影像及高密度激光點云數據突破傳統數據產品的獲取瓶頸使得數據獲取成本更低廉成果更豐富。但其重量達 54 kg,只適合重載型航空飛行器使用,不適合小型無人機。更多干貨敬請關注:GIS前沿 國內還沒有相關產品出現,但有比較成熟的機載激光雷達測量設備、傾斜攝影測量設備。

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  輸電線路三維測量與建模應用實例

  5.1 工程概況

  某工程海拔標高在 50~200 m之間,沿線地形比例為:泥沼 10%,河網 30%,丘陵 60%。沿線道路有省道、國道、國道、縣道以及鄉村之間的水泥路交錯縱橫,人力運距較小,在勘測設計時要充分考慮全過程機械化施工的需求。

  影響線路路徑的主要因素有:該縣整體規劃,某江東岸的公益林,某江西岸的光伏電站,某風景旅游區、某森林公園,110 kV線路、220 kV線路、500 kV線路、國道等。

  經現場踏勘過程中對沿線污源、房屋、林區、交通現狀、重要交叉跨越點、地質條件、水文氣象等進行了詳細的調查,并到有關部門進行情況了解和收資,取得了大量相關資料。

  針對該段線路的特點,采用三維設計平臺進行選線,路徑優化,桿塔排桿,設計成果輸出、三維展示等。本工程采用激光雷達技術獲取的數字高程模型(DEM)和數字表面模型(DSM)數據建立無貼圖紋理的三維模型,結合傾斜攝影測量技術在地形地貌紋理數據貼圖、數據自動化處理、三維模型高精度自動化構建等方面有非常大的優勢,非常適用于輸電線路走廊的三維實景建模。

  5.2 傾斜攝影和激光雷達在線路中三維建模的綜合應用

  主要技術流程如下:

  1)機載激光雷達航測與機載傾斜影像采集,同時獲取激光雷達點云數據與傾斜影像;

  2)對激光雷達點云進行分層,分離出其中的建筑物、樹木、道路等地物類型,初步構建地物的三維模型;

  3)激光雷達點云與傾斜攝影中的垂直影像,制作正攝影像圖(DOM);

  4)地面采集影像、地物三維模型,分別構建建筑物貼圖模型、沿街要素模型和樹木模型,詳見圖13。

  圖13 技術流程圖

  5.2.1 無人機航測設備

  根據測區的地形、地貌條件,制定合理的航攝計劃,選擇最有利的飛行時機,利用先進的傾斜攝影測量技術及激光雷達技術對測區進行航空攝影,獲取測區的最佳影像資料和激光點云數據。

  1)傾斜攝影測量及激光雷達系統選擇

  本工程無人機傾斜攝影測量系統主要參數見表2-4。

  表2 傾斜攝影測量相機參數

  表3 八旋翼無人機主要技術參數

  表4 RIEGL激光雷達主要參數

  該傾斜相機集成了一個垂直和四個傾斜相機,適用于電動多軸無人機執行小范圍、高分辨率的傾斜航空攝影任務,可采集 5 km2以內的大比例尺航空攝影和傾斜攝影工作,尤其適合對局部重點目標的航攝與建模任務,數據分辨率最高可達 2 cm,完全滿足輸電線路的測繪精度需求。微型傾斜相機采集的影像通過建模軟件可自動快速生成高分辨率、高精度的真三維模型。

  基于RIEGL 先進的波形處理技術通過波形數字化和實時波形處理技術,進行高速的數據采集。卓越的多目標探測能力使其即使在不利的大氣條件下也能得到高精度的測量成果。

  傾斜相機和激光雷達設備的重量之和小于4.5 kg滿足八旋翼無人機的荷載要求。將傾斜攝影技術與激光雷達技術相結合,集成了一套輕量型無人機傾斜攝影測量與激光雷達系統,包括電動八旋翼無人機、五鏡頭傾斜相機、降落傘模塊、激光雷達模塊和控制模塊等等。該系統具有成本低、飛行可靠性高、操作使用簡單、起飛和著陸場地要求低。定位精度與影像分辨率高等特點,可以滿足傾斜攝影測量與快速三維建模對數據獲取的要求。

  2)航測范圍確定

  航線規劃軟件(地面站)的地圖數據來源于Google Earth,規劃航線之前,在 Google Earth中確定本工程線路路徑走向,傾斜攝影測量范圍為線路路徑左右 500 m確定航測范圍,了解航測地貌,進行合理的飛行架次劃分,優化航拍方案,提升作業效率。根據線路路徑及地形,確定本工程分 9個分區進行航測,從某水電廠升壓站至某地段,村莊、交叉跨越線路少,分區寬帶按600 m,接下來直到變電站,沿線各種線路錯綜復雜。測區按1 000 m寬航測,見圖14。

  圖14 線路路徑及分區劃分示意圖

  3)航線規劃及參數設定

  傾斜航測的飛行參數包括高度、速度、拍攝間隔、航向間距、旁向間距等,不同的參數設置對航測的精度、效率等產生影響。航測作業前,綜合考慮飛控距離、電池消耗、地形地貌、建筑物分布、測量精度等因素,使用地面站軟件進行航線規劃和參數設定,飛行高度、地面分辨率及物理像元尺寸滿足三角比例關系。航線規劃軟件(地面站)的地圖數據來源于Google Earth,規劃航線之前,在 Google Earth中確定本工程線路路徑走向,確定航測范圍,了解航測地貌,進行合理的飛行架次劃分,優化航拍方案,提升作業效率。

  4)無人機航測實施

  地面站設置及無人機組裝完成后,即可開始航測作業。無人機將依據指定的航線及參數設置,自動完成航拍任務,操作人員觀察無人機位置及地面站實時飛行參數即可,每天可完成 3~5 km的輸電線路航測任務。

  傾斜航測采集的數據包括各拍攝點的多角度影像信息、對應的激光雷達點云數據及 POS 數據。影像信息由五鏡頭相機獲取,無人機搭載相機以恒定速度對地面進行等距拍照,采集到具有 70%重疊率的相片;POS數據由飛控系統在相機拍照時生成,與相片對應,賦予相片豐富的信息,包括經緯度、高度、海拔、飛行方向、飛行姿態等。

  5.2.2 激光雷達點云數據處理

  根據輸電線路實景模型的要求,需要獲取 DEM,并需要構建建筑物、市政設施、電力線路、樹木等地物的三維模型,因此,首先需要對激光雷達點云數據進行分類,其流程如圖 15所示。采用逐級分類方法陣,先通過預處理進行粗差剔除,接著進行一級分類(濾波),將點云數據分類為地面點與非地面點。利用地面點構建數字高程模型DEM。而對于非地面點,則進行進一步細分,分離出植被、建筑物、電力設施等,見圖16。

  圖15 激光雷達點云數據處理流程

  圖16 輸電線路激光雷達圖

  5.2.3 無人機傾斜攝影測量數據后處理

  采用 Context Capture 完成本次航測的后期三維數據處理。Context Capture 是基于影像自動化進行三維模型構建的并行軟件系統,軟件建模對象為靜態物體,輔以相機傳感器屬性、照片位置姿態參數、控制點等信息,在進行空中三角測量計算、模型重建計算后,輸出相應 GIS成果,以供瀏覽或后期加工。常見的輸出格式包括 OSGB、OBJ、S3C、3MX等,見圖17。

  基于詳盡的航測數據,進行影像預處理、區域聯合平差、多視影響匹配等一系列操作,批量建立高質量、高精度的實景三維模型。

  圖17 傾斜攝影測量數據處理流程圖

  1)POS數據整合

  無人機傾斜攝影測量飛行控制系統生成的 POS數據包含后處理所不需要的信息,且格式也不符合后處理軟件的使用要求,不能直接用于后期數據處理工作。原始 POS數據進行篩選、分類處理后,才能用于后處理軟件,見圖18。

  2)空中三角測量計算

  航測過程中,照片組對應姿態的精確性可能會受到影響,致使影像信息缺失。而Context Capture進行三維重建時,要求各個照片組具備非常精確的屬性以及對應的姿態參數,此時可以通過空中三角測量計算對影像定位信息嚴格配準,選定參數自動準確估算每幅影像的位置、角元素和相機屬性,獲得缺失的影像信息。

  圖18 空中三角測量

  3)三維重建

  三維重建計算在指定坐標系下完成,本項目采用CGCSS2000坐標系。由于拍攝范圍大,影像數據多,完成重建所需的計算機內存往往達到上百 G,普通計算機無法一次性完成重建計算,應根據計算機性能重建框架,調整重建范圍及瓦片大小,將原框架分為若干個大小相同的數據切塊,分塊進行重建計算。數據集群處理可按如下操作進行:搭建局域網,將一臺計算機作為服務器,局域網內其他計算機作為節點連接至服務器組成群組,任務提交后,服務器統一分配子任務至各節點。更多干貨敬請關注:GIS前沿 節點完成子任務后,將處理結果返回至服務器,并接受新的子任務直至任務完成[2],見圖19。

  圖19 線路走廊擁擠段傾斜攝影測量

  4)模型精修及單體化處理

  基于 Context Capture建立三維模型,存在由于錯誤的影像匹配或者較差的幾何姿態造成建筑變形(紋理拉花、結構扭曲、破面缺面等)、懸浮物、丟失部件等情況。通過 DP-Modeler 軟件對模型進行精修重建,使地物要素完整。輸電線走廊的三維實景建模,采用傾斜攝影測量,面積較大地物精度能滿足要求(如道路、房屋、水塘,大樹),較細小的物體(如電力線包括桿塔和導地線、通訊線、)和植被較茂密的地表等不能夠準確的測出,須借助其他的測量方法加以補充。

  5.2.4 模型整合

  地形模型和建筑物模型制作完成后,最后進行模型整合。在專業軟件中分別加載地形模型和建筑物模型,然后導入道路模型和景觀模型,最后對所有模型進行精編輯,與地形模型無縫銜接。整合后的模型兼具傾斜攝影測量和激光雷達的優點,可視化效果好,幾何精度高。

  5.3 三維實景模型數據導入輸電線路設計平臺

  將整合后的三維實景模型數據的輸入到三維設計平臺,目前比較成熟的電力三維設計平臺,如道亨輸電線路桿塔三維設計及繪圖系統,數據已支持處理衛片、航片、激光點云、傾斜攝影等各種數據源,滿足用戶對不同精度地理數據的要求,見圖20。

  圖20 輸電線路三維設計

  依托三維選線系統,可以快速構建基于數字地球的輸電線路走廊的大范圍三維場景,結合道亨桿塔設計系統、金具組裝系統、基礎設計系統、桿塔放樣系統等設計軟件,可快速建立桿塔、絕緣串、基礎模型,從而形成完整的輸電線路三維場景,為后期的輸電線線路路徑優化、路數字化三維設計、桿塔現場定位、全過程機械化施工方案編制、招投標、項目演示匯報、施工工藝等提供有力的支持。

  5.4 使用傾斜與激光雷達融合技術主要外業勘測

  工作由于激光點云的精度可達 0.05 m,滿足施工階段斷面測量精度。在三維實景模型里可以直觀的看到線路路徑的外表情況。外業主要工作是塔位核實隱蔽點情況,復測危險點。

  5.4.1 外業勘測流程

  根據內業排好的斷面圖,以及臨時道路修筑方案。外業測量,根據定好的線路桿塔位,現場逐基實地勘察定樁,進行塔基斷面測量;核實桿塔位隱蔽地物(如墳墓、界樁,暗溝、控制點標志、光纜等)對塔位的影響、危險點復核測量。外業人員能當場更改的當場改好,現場不容易更改,可把這些數據實時傳送回三維設計系統,設計出更好的更改方案,現場改正。同時核實在三維設計系統標示出臨時道路修筑方案的可行性。

  準備工作,把最終選定好的路線桿塔坐標文件轉換成一般導航軟件支持的格式(如 KMl、gpt等格式),使用導航儀每個測量小組都能實時導航,方便快捷到達要測量的位置,避免迷路。

  1)以往的外業勘測中發現勘測工作總不盡人意,問題關鍵在于不能根據已有資料對各階段工作量進行優化安排,且平斷面測量的工作量巨大,基本要沿即定的線路走一遍。而使用有傾斜攝影測量和激光雷達三維融合技術的電網三維設計系統外業工作量很小,只要測量定樁、和塔基面測量,以及危險點復測。既能保證工程精度,又能使工期大大提前,大大節約線路勘測外業成本。

  2)司機根據導航能找到距離測量地點最近的公路,減少測量人員徒步走路的時間;同時核實在三維設計系統標示出臨時道路。另外可通過共享地理位置,其他勘測小組成員也能實時看到你所在的位置,最大限度保障勘測人員安全。

  5.4.2 設計成果輸出

  1)以高精度的三維模型成果為基礎,選好路徑后可直接在三維系統選定塔位,確定塔型,根據導線型號、溫度等參數,自動放線,在室內完成整條線路的排桿優化,初步生成平段面圖。

  2)基于真三維環境下進行塔位優化,提取塔位坐標數據、塔基斷面數據、樹木高度及分布位置、房屋拆遷分布圖,對線路的各項綜合指標進行統計分析評估。

  3)在外業勘測完成后,桿塔定位的最終數據提交給三維設計系統,進一步排桿優化。完成輸電線各專業設計后,可生成整套的施工設計資料(包括平斷面圖、路徑圖、桿塔明細表,基礎圖等)

  本階段的外業主要工作是在實地把逐基實地樁位,包括中心樁和方向樁,塔基斷面測量,可進一步檢驗三維模型的整體精度,現場檢查臨時道路修筑方案可行性。

  0 6

  結語

  傾斜攝影測量與激光雷達融合技術是三維建模技術發展的方向。采用傾斜攝影與激光雷達融合技術測量,無人機飛行一次即可獲取到足夠的三維實景模型數據,比以往的線路測量方法減少 50%一上的外業工作量。

  傾斜攝影與激光雷達融合技術為輸電線路三維設計做好基礎數據保障,要全面推廣應用還需進一步深入研究下面幾個問題。

  1)傾斜攝影測量與激光雷達測量設備的單體的體積重量過大,如何在保證精度的情況把兩種設備集成一套輕量型航測系統,讓更多的無人機飛行平臺能夠使用,降低硬件成本。

  2)研發能同時處理傾斜攝影測量和激光雷達數據的后處理軟件,能有效降低對電腦硬件的要求、使數據處理更快速、準確,降低和對輸電線路平臺的支持,降低各單位人員軟件學習和使用成本。

  3)探索傾斜攝影測量與激光雷達測量生產出的三維實景模型精度評估方法,檢測三維模型幾何精度;確保三維模型的精度。

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關鍵字:傾斜攝影 激光雷達 輸電工程
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