傾斜攝影生成的實景模型在輸電線路三維設計中的應用

不同于傳統輸電線路設計手段的降維簡化的設計方法，利用傾斜攝影生成的實景模型在輸電線路三維設計中可以更加直觀的構建三維場景，利用三維設計軟件的功能進行距離校驗等設計校核工作。本文簡述了采用Bentley系列軟件 進行從無人機航飛影像處理到桿塔絕緣子串基礎建模及組裝等一系列應用方法。采用此方法生成的模型較為方便編輯，節約設計、校核時間，降低了勞動強度，可以為輸電線路工程提供應用參考。

引言

利用小型四旋翼無人機進行傾斜攝影測量三維實景建模 技術因為其成本較低，方便操作，能夠較為真實的反應地物實際情況等特點，極大的擴展了地形描述的手段，從而催生了許多利用實景模型進行設計的方法。目前實景模型在風電場選址、變電站發電廠設計等方面已經得到了一些應用，但是在輸電線路設計中的應用較少。

1 三維場景構建

實景建模技術一般包含以下處理流程：

實景模型的生成一般為軟件全自動化方式生成。獲得航拍影像后，經過勻光勻色等步驟，然后通過專業的自動建模軟件生產三維模型。一般建模過程需要經過多視角影像的幾何校正、聯合平差等處理流程。通過Bentley軟件ContextCapture Center進行空三運算后可生成基于影像的超高密度點云，并以此生成基于影像紋理的高分辨率實景模型。

軟件建模過程主要分為空三計算和模型構建兩個過程。在空三計算過程中，軟件對影像進行大量特征點的計算提取，對獲取的特征點再采用多視角匹配同名點，然后反向計算出每張圖片的空間位置和拍攝的姿態角度，從而確定圖片間的關系。在空三計算完成后，可以在軟件中查看到整個航帶的飛行情況、解算出空三點的位置密度、每張圖片的相對位置還有圖片所覆蓋的范圍方位角等信息，如圖1所示。

圖1 航飛區域的空三解算結果

在模型構建過程中軟件通過空三計算的結果進行三維場景的重建。在這個過程中軟件計算得到模型的稠密點云，通過簡化構建不規則三角網TIN，且其不同的簡化比例可以使模型自帶多級LOD，以滿足海量數據模型的高調度能力和渲染性能。然后，根據TIN生成白模的三維模型，再通過三維模型形狀位置從航片里面選取最合適的進行紋理的貼合，最后輸出紋理逼真的實景模型。

圖2 點云構建TIN網格模型示意圖

2 輸電線路模型構建

三維模型數據量大小直接影響系統運行效率，過多的面、材質數據將嚴重影響模型加載的速度。建?！氨ＷC主體特征，不拘細節”。

2.1 桿塔

建立桿塔主材、輔材和補助材的桿件模型，連接板和螺栓等不建立模型，掛點開孔需要建立相應的模型。

圖3 桿塔整體圖

 圖4 桿塔細部圖

2.2 基礎

基礎模型只需要建立外輪轂模型即可。內部配筋模型可以不進行建模。

圖5 基礎模型

2.3 絕緣子串

絕緣子串建模過程需要描述金具的尺寸，但是需要簡化絕緣子片的模型和螺栓等細部的模型。

圖6 V型絕緣子串模型

2.4 導地線弧垂計算

輸電線路中，電線是以桿塔為支持物而懸掛起來的，對于懸掛在兩固定點A、B 的一根柔軟的且荷載沿線長均勻繩索，其所形成的形狀為“懸鏈線”，當所使用的檔距足夠大時，電線材料的剛性影響可以忽略，同時電線的荷載系沿線長均勻分布，則電線懸掛形狀也可認為是“懸鏈線”；如果近似地認為電線荷載沿懸掛點連線上均勻分布，則可把“懸鏈線”公式簡化為所謂斜拋物線公式；如果近似認為電線荷載沿懸掛點間的水平線上均勻分布，則可簡化為所謂平拋物線公式。

2.4.1 懸鏈線公式

輸電線路的電線，由于兩懸掛點間的距離很大，電線材料的剛性對電線懸掛于空中的幾何形狀影響很小，所以可將電線假定為一跟處處鉸接的柔軟鏈條。根據這一假定得出的結論是：電線僅能承受軸向張力而不能承受彎曲力矩。其次是假定電線上作用的荷載（包括本身質量）均指向同一方向且沿電線長度均勻分布。上述幾點為電線架空懸掛后呈“懸鏈線”狀的最基本的假定，由此導出的所有計算式均稱為“懸鏈線公式”.如公式（2.4-1）所示，該公式為坐標原點位于曲線最低點的懸鏈曲線方程。

式中S0-電線單位截面上作用的水平應力N/mm2

γ-電線單位長度、單位截面上承受的荷載N/mm2·m

2.4.2 斜拋物線公式

架空電線的荷載沿電線長度均勻分布是比較真實的，特別對自身質量來說就是這樣，但工程上由于電線弧垂較小，弧垂與檔距之比一般僅在百分之幾以內，因此檔內電線長度僅比懸掛點間的距離增長約千分之幾，對于計算檔內的荷載來說，近似假定電線的比載沿懸掛點的連線均勻分布自然不會產生太大誤差，取坐標X-Y 位于電線平面內，且原點位于左側A 掛點，其Y 軸與比載γ作用方向平行，X 軸與比載作用方向垂直，如公式（2.4-2）所示。

式中β-高差角，懸掛點連線與X 軸間的夾角

l-檔距，垂直于比載作用方向的投影距離，單位為m

2.4.3 平拋物線公式

當懸掛點間的高差角較小時，工程上常將沿電線長度均勻分布的比載γ，更粗略地認為沿檔距l 方向上均勻分布，由此而得到電線弧垂的所謂“平拋物線”方程，以便與γ沿斜檔距均勻分布所得到的斜拋物線方程相區別，由于把檔內實際的電線荷載rL近似為較小的rl，由此而算得的弧垂、豎向應力及軸向應力等會比懸鏈線略小，將斜拋物線公式中的γ/cosβ換為γ，即可得到平拋物線的相應公式，見式（2.4-3）。

2.4.4 公式的選取

從上述電線的懸鏈線、斜拋物線和平拋物線方程可以看出，懸鏈線公式足夠精確，但方程中包含有雙曲函數，計算及其繁雜，本軟件若選用此算法，則會大大影響系統效率；斜拋物線和平拋物線算法是從懸鏈線公式的級數展開式中取其主要項近似而得到，這些近似式在工程應用中具有足夠的精度且計算簡便，工程應用中當高差系數較大時，一般使用斜拋物線算法計算和架設弧垂，斜拋物線公式是比較精確的，且隨著高差系數的增大反而誤差更小，高差系數較小時采用平拋物線公式。經過計算，在非大跨越段，使用斜拋物線算法是可以滿足工程精度的要求的。

3 應用案例分析

3.1 工程概況

工程位于湖北境內，線路路徑長度約為30km，電壓等級為220kV沿線地形為平地、河網泥沼和少量丘陵，線路沿線有大量房屋零星分布，此外還需要跨越工業區。

3.2 工程成效

3.2.1 三跨分析

通過傾斜攝影建立的實景模型，可以直觀、方便的對跨高速區域的地物地貌進行辨識，從而實現跨越位置的精確定位。同時可以通過限定條件對跨越位置進行呼高和檔距的核算。

圖7 跨高速塔位選擇

圖8 對地距離量算

3.2.2 輔助通道狹窄區域設計

由于此工程有5公里線路從市區內穿越，通道狹窄，需要對原有的單回塔改造為雙回塔來滿足設計要求。通過建立三維實景模型，對路徑區域的線路長度、地形地貌、交通、障礙設施、檔距、施工、運行等因素進行了綜合評估，在充分考慮經濟效益、社會效益和環境效益的前提下，進行多方案比較，使路徑走向安全可靠，經濟合理。

圖9 市區內桿塔路徑布置實時預覽

利用傾斜攝影模型，可以在規劃路徑區域進行精確量測，極大的方便了市區內線路走廊的路徑優化工作。由于可以精確定位區域內每個桿塔的位置，在線路走廊狹窄的地段使用這種方法進行精確設計，最大程度減小了工程對城市規劃區域的影響范圍。

圖10 市區內桿塔路徑方案對比

3.2.3 三維帶電間隙分析

在選定的塔位可以通過系統自動放置帶電間隙球對塔位進行直觀的可行性判斷，避開不良地質地段、林木密集區，并通過系統對間隙球和地物地貌的距離計算對危險地物地貌進行辨識。

圖11 帶電間隙驗證

圖12 三維間隙球與周邊地物的距離判斷

3.2.4 變電站出線規劃

此工程涉及到2個變電站的出線塔設計。在我們對變電站的出線進行規劃設計時，可以通過載入站址附近的實景模型作為設計參照，以便于因地制宜的考量各種設計因素。

圖13 規劃中的站址出線位置

圖14 茶庵嶺220Kv變電站出線情況

在選定的出線位置可以通過模擬放塔放線的功能對預估的塔位進行直觀的可行性判斷，避開不良地質地段、林木密集區，減少與已有線路的交叉跨越，并通過系統的計算對危險地物地貌進行辨識。在地物地貌的辨識過程中，可以動態計算線路對環境的距離，對不滿足安全距離的地物高亮顯示。

圖15 帶電距離校驗提醒

3.2.5 機械化施工方案優化

在此工程的機械化施工方案的制定過程中，通過建立三維實景模型，對施工區域的路線長度、地形地貌、交通、障礙設施、沿線施工條件和經濟性等因素進行了綜合評估，在此基礎上制定適合本工程機械化施工專項設計方案，在充分考慮經濟效益、社會效益和環境效益的前提下，滿足了施工方案安全可靠，經濟合理的需求。

圖16 運輸車輛的寬度和轉彎半徑驗證

圖17 施工機械的操作半徑驗證

4 總結

本文采用無人機傾斜攝影構建實景三維，通過建模工具建立輸電線路桿塔、金具絕緣子串、基礎等元素，依據懸鏈線算法構建架空線路導地線三維模型，實現三維模型與實景三維模型無縫融合。本文使用的技術流程可真實體現空間關系，并具備一定的空間分析能力，能夠滿足輸電線路規劃、選線、設計、施工輔助的要求。

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