倾斜摄影生成的实景模型在输电线路三维设计中的应用

不同于传统输电线路设计手段的降维简化的设计方法，利用倾斜摄影生成的实景模型在输电线路三维设计中可以更加直观的构建三维场景，利用三维设计软件的功能进行距离校验等设计校核工作。本文简述了采用Bentley系列软件 进行从无人机航飞影像处理到杆塔绝缘子串基础建模及组装等一系列应用方法。采用此方法生成的模型较为方便编辑，节约设计、校核时间，降低了劳动强度，可以为输电线路工程提供应用参考。

引言

利用小型四旋翼无人机进行倾斜摄影测量三维实景建模 技术因为其成本较低，方便操作，能够较为真实的反应地物实际情况等特点，极大的扩展了地形描述的手段，从而催生了许多利用实景模型进行设计的方法。目前实景模型在风电场选址、变电站发电厂设计等方面已经得到了一些应用，但是在输电线路设计中的应用较少。

1 三维场景构建

实景建模技术一般包含以下处理流程：

实景模型的生成一般为软件全自动化方式生成。获得航拍影像后，经过匀光匀色等步骤，然后通过专业的自动建模软件生产三维模型。一般建模过程需要经过多视角影像的几何校正、联合平差等处理流程。通过Bentley软件ContextCapture Center进行空三运算后可生成基于影像的超高密度点云，并以此生成基于影像纹理的高分辨率实景模型。

软件建模过程主要分为空三计算和模型构建两个过程。在空三计算过程中，软件对影像进行大量特征点的计算提取，对获取的特征点再采用多视角匹配同名点，然后反向计算出每张图片的空间位置和拍摄的姿态角度，从而确定图片间的关系。在空三计算完成后，可以在软件中查看到整个航带的飞行情况、解算出空三点的位置密度、每张图片的相对位置还有图片所覆盖的范围方位角等信息，如图1所示。

图1 航飞区域的空三解算结果

在模型构建过程中软件通过空三计算的结果进行三维场景的重建。在这个过程中软件计算得到模型的稠密点云，通过简化构建不规则三角网TIN，且其不同的简化比例可以使模型自带多级LOD，以满足海量数据模型的高调度能力和渲染性能。然后，根据TIN生成白模的三维模型，再通过三维模型形状位置从航片里面选取最合适的进行纹理的贴合，最后输出纹理逼真的实景模型。

图2 点云构建TIN网格模型示意图

2 输电线路模型构建

三维模型数据量大小直接影响系统运行效率，过多的面、材质数据将严重影响模型加载的速度。建模“保证主体特征，不拘细节”。

2.1 杆塔

建立杆塔主材、辅材和补助材的杆件模型，连接板和螺栓等不建立模型，挂点开孔需要建立相应的模型。

图3 杆塔整体图

 图4 杆塔细部图

2.2 基础

基础模型只需要建立外轮毂模型即可。内部配筋模型可以不进行建模。

图5 基础模型

2.3 绝缘子串

绝缘子串建模过程需要描述金具的尺寸，但是需要简化绝缘子片的模型和螺栓等细部的模型。

图6 V型绝缘子串模型

2.4 导地线弧垂计算

输电线路中，电线是以杆塔为支持物而悬挂起来的，对于悬挂在两固定点A、B 的一根柔软的且荷载沿线长均匀绳索，其所形成的形状为“悬链线”，当所使用的档距足够大时，电线材料的刚性影响可以忽略，同时电线的荷载系沿线长均匀分布，则电线悬挂形状也可认为是“悬链线”；如果近似地认为电线荷载沿悬挂点连线上均匀分布，则可把“悬链线”公式简化为所谓斜抛物线公式；如果近似认为电线荷载沿悬挂点间的水平线上均匀分布，则可简化为所谓平抛物线公式。

2.4.1 悬链线公式

输电线路的电线，由于两悬挂点间的距离很大，电线材料的刚性对电线悬挂于空中的几何形状影响很小，所以可将电线假定为一跟处处铰接的柔软链条。根据这一假定得出的结论是：电线仅能承受轴向张力而不能承受弯曲力矩。其次是假定电线上作用的荷载（包括本身质量）均指向同一方向且沿电线长度均匀分布。上述几点为电线架空悬挂后呈“悬链线”状的最基本的假定，由此导出的所有计算式均称为“悬链线公式”.如公式（2.4-1）所示，该公式为坐标原点位于曲线最低点的悬链曲线方程。

式中S0-电线单位截面上作用的水平应力N/mm2

γ-电线单位长度、单位截面上承受的荷载N/mm2·m

2.4.2 斜抛物线公式

架空电线的荷载沿电线长度均匀分布是比较真实的，特别对自身质量来说就是这样，但工程上由于电线弧垂较小，弧垂与档距之比一般仅在百分之几以内，因此档内电线长度仅比悬挂点间的距离增长约千分之几，对于计算档内的荷载来说，近似假定电线的比载沿悬挂点的连线均匀分布自然不会产生太大误差，取坐标X-Y 位于电线平面内，且原点位于左侧A 挂点，其Y 轴与比载γ作用方向平行，X 轴与比载作用方向垂直，如公式（2.4-2）所示。

式中β-高差角，悬挂点连线与X 轴间的夹角

l-档距，垂直于比载作用方向的投影距离，单位为m

2.4.3 平抛物线公式

当悬挂点间的高差角较小时，工程上常将沿电线长度均匀分布的比载γ，更粗略地认为沿档距l 方向上均匀分布，由此而得到电线弧垂的所谓“平抛物线”方程，以便与γ沿斜档距均匀分布所得到的斜抛物线方程相区别，由于把档内实际的电线荷载rL近似为较小的rl，由此而算得的弧垂、竖向应力及轴向应力等会比悬链线略小，将斜抛物线公式中的γ/cosβ换为γ，即可得到平抛物线的相应公式，见式（2.4-3）。

2.4.4 公式的选取

从上述电线的悬链线、斜抛物线和平抛物线方程可以看出，悬链线公式足够精确，但方程中包含有双曲函数，计算及其繁杂，本软件若选用此算法，则会大大影响系统效率；斜抛物线和平抛物线算法是从悬链线公式的级数展开式中取其主要项近似而得到，这些近似式在工程应用中具有足够的精度且计算简便，工程应用中当高差系数较大时，一般使用斜抛物线算法计算和架设弧垂，斜抛物线公式是比较精确的，且随着高差系数的增大反而误差更小，高差系数较小时采用平抛物线公式。经过计算，在非大跨越段，使用斜抛物线算法是可以满足工程精度的要求的。

3 应用案例分析

3.1 工程概况

工程位于湖北境内，线路路径长度约为30km，电压等级为220kV沿线地形为平地、河网泥沼和少量丘陵，线路沿线有大量房屋零星分布，此外还需要跨越工业区。

3.2 工程成效

3.2.1 三跨分析

通过倾斜摄影建立的实景模型，可以直观、方便的对跨高速区域的地物地貌进行辨识，从而实现跨越位置的精确定位。同时可以通过限定条件对跨越位置进行呼高和档距的核算。

图7 跨高速塔位选择

图8 对地距离量算

3.2.2 辅助通道狭窄区域设计

由于此工程有5公里线路从市区内穿越，通道狭窄，需要对原有的单回塔改造为双回塔来满足设计要求。通过建立三维实景模型，对路径区域的线路长度、地形地貌、交通、障碍设施、档距、施工、运行等因素进行了综合评估，在充分考虑经济效益、社会效益和环境效益的前提下，进行多方案比较，使路径走向安全可靠，经济合理。

图9 市区内杆塔路径布置实时预览

利用倾斜摄影模型，可以在规划路径区域进行精确量测，极大的方便了市区内线路走廊的路径优化工作。由于可以精确定位区域内每个杆塔的位置，在线路走廊狭窄的地段使用这种方法进行精确设计，最大程度减小了工程对城市规划区域的影响范围。

图10 市区内杆塔路径方案对比

3.2.3 三维带电间隙分析

在选定的塔位可以通过系统自动放置带电间隙球对塔位进行直观的可行性判断，避开不良地质地段、林木密集区，并通过系统对间隙球和地物地貌的距离计算对危险地物地貌进行辨识。

图11 带电间隙验证

图12 三维间隙球与周边地物的距离判断

3.2.4 变电站出线规划

此工程涉及到2个变电站的出线塔设计。在我们对变电站的出线进行规划设计时，可以通过载入站址附近的实景模型作为设计参照，以便于因地制宜的考量各种设计因素。

图13 规划中的站址出线位置

图14 茶庵岭220Kv变电站出线情况

在选定的出线位置可以通过模拟放塔放线的功能对预估的塔位进行直观的可行性判断，避开不良地质地段、林木密集区，减少与已有线路的交叉跨越，并通过系统的计算对危险地物地貌进行辨识。在地物地貌的辨识过程中，可以动态计算线路对环境的距离，对不满足安全距离的地物高亮显示。

图15 带电距离校验提醒

3.2.5 机械化施工方案优化

在此工程的机械化施工方案的制定过程中，通过建立三维实景模型，对施工区域的路线长度、地形地貌、交通、障碍设施、沿线施工条件和经济性等因素进行了综合评估，在此基础上制定适合本工程机械化施工专项设计方案，在充分考虑经济效益、社会效益和环境效益的前提下，满足了施工方案安全可靠，经济合理的需求。

图16 运输车辆的宽度和转弯半径验证

图17 施工机械的操作半径验证

4 总结

本文采用无人机倾斜摄影构建实景三维，通过建模工具建立输电线路杆塔、金具绝缘子串、基础等元素，依据悬链线算法构建架空线路导地线三维模型，实现三维模型与实景三维模型无缝融合。本文使用的技术流程可真实体现空间关系，并具备一定的空间分析能力，能够满足输电线路规划、选线、设计、施工辅助的要求。

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