無人機(jī)航測技術(shù)在輸電線路中的應(yīng)用實(shí)踐

楊永平，段學(xué)云，段德磊，徐春，陳鴻興

(云南省電力設(shè)計院，云南 昆明 650051)

1 引言

隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程加快，工業(yè)與民用電量不斷增加，電力工程建設(shè)力度也隨之加強(qiáng)。除超高壓、特高壓和跨區(qū)電網(wǎng)等大型工程快速建設(shè)外，一些局部改線、π接或T接線路工程也越來越多，此類工程規(guī)模雖小、路徑較短、但工期要求特緊。如采用常規(guī)工測技術(shù)，不僅勞動強(qiáng)度大、作業(yè)周期長、生態(tài)環(huán)境破壞大，而且無法滿足整體電網(wǎng)工程的信息化建設(shè)及智能電網(wǎng)建設(shè)的長遠(yuǎn)要求;如采用傳統(tǒng)航測技術(shù)，由于空域管制辦理手續(xù)繁瑣、機(jī)動性差，導(dǎo)致周期較長、成本較高，特別像云南這樣的高山省份地區(qū):海拔一般在2000 m以上，高差較大，天氣多變，交通不便，無疑難以滿足工程要求。然而，近年來隨著無人機(jī)、數(shù)碼相機(jī)技術(shù)及無人機(jī)航測數(shù)據(jù)處理軟件的快速發(fā)展，無人機(jī)航測技術(shù)已基本成熟，正好符合了這一要求，因此該攝影測量技術(shù)應(yīng)用已成必然趨勢。本文敘述無人機(jī)航測技術(shù)具體應(yīng)用于輸電線路工程，并取得了良好效果。

2 無人機(jī)航測技術(shù)

2.1 無人機(jī)航測系統(tǒng)

如圖1所示，無人機(jī)航測系統(tǒng)主要由無人機(jī)飛行平臺、飛行控制系統(tǒng)、影像獲取設(shè)備、通信設(shè)備、遙控設(shè)備和地面信息接收與處理設(shè)備組成。其中，飛行控制系統(tǒng)主要包括:穩(wěn)定飛行姿態(tài)的垂直陀螺，獲取飛行平臺位置信息的GPS接收天線以及控制飛機(jī)自主飛行的微處理器。地面配套設(shè)備主要包括:實(shí)時影像的接收與顯示的數(shù)據(jù)接收終端，數(shù)碼相機(jī)獲取的地面高清影像的數(shù)據(jù)處理終端以及控制飛機(jī)起降、飛行和拍攝的遙控設(shè)備。

圖1 無人機(jī)航測系統(tǒng)

2.2 無人機(jī)航測技術(shù)特點(diǎn)

無人機(jī)航測技術(shù)，以獲取高分辨率數(shù)字影像為應(yīng)用目標(biāo)，以自動駕駛飛機(jī)為飛行平臺，以高分辨率數(shù)碼相機(jī)為傳感器，通過3S技術(shù)在系統(tǒng)中集成應(yīng)用，最終獲取小面積、真彩色、大比例尺、現(xiàn)勢性強(qiáng)的航測遙感數(shù)據(jù)。其技術(shù)特點(diǎn)主要有如下:

(1)無人機(jī)數(shù)據(jù)處理流程與傳統(tǒng)航測相比，具有以下特點(diǎn):①采用非量測數(shù)碼相機(jī)，鏡頭畸變較傳統(tǒng)航攝儀大;②低空寬視角，因視點(diǎn)變化的原因，影像四周地物幾何變形大，特征匹配難度大，有效匹配率低;③低空、寬像幅且高重疊度，影像數(shù)據(jù)量大;④雖采取了一定防范措施，但仍免不了出現(xiàn)大的旋偏角，常有超出±15°規(guī)范要求的情況。

(2)升降靈活，環(huán)境要求低，野外作業(yè)方便。目前國內(nèi)使用的超輕型飛機(jī)中均不必使用專門的機(jī)場和跑道，在100 m～200 m長的周圍較空曠的公路或硬草地即可起降。

(3)一般作業(yè)區(qū)域航高低于1000 m，屬于低空、超低空，除機(jī)場附近、邊境附近等特殊區(qū)域外，可避免辦理空域申請，機(jī)動性強(qiáng)，受約束少，作業(yè)簡便，可在云層下實(shí)施航拍，快速獲取高分辨率數(shù)碼影像。

(4)安全可靠，無人駕駛自動飛行，多項(xiàng)控制措施保障系統(tǒng)安全，具備滑翔能力和彈射、傘降保護(hù)功能。

(5)地域適應(yīng)性強(qiáng)。對于丘陵及山地，無人機(jī)具有相當(dāng)大的優(yōu)勢，受云霧干擾影響較小，隨氣候變化可及時調(diào)整飛行方案，避免因氣候變化的影響帶來的不必要損失。

(6)成本較低。系統(tǒng)集成度高，運(yùn)輸方便，轉(zhuǎn)場作業(yè)只需地面小型貨車運(yùn)輸即可完成;無人機(jī)系統(tǒng)的置建費(fèi)用較低，運(yùn)營成本、維護(hù)成本和操作手的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于載人機(jī)系統(tǒng)，具有低投入、高回報的優(yōu)勢。

(7)考慮到無人機(jī)航測系統(tǒng)的續(xù)航時間短、地面監(jiān)控范圍小以及相片像幅小等特點(diǎn)，因此單架次的航攝面積不能過大，只能小區(qū)域作業(yè)。

總之，無人機(jī)航測相對于傳統(tǒng)航測，具有快速機(jī)動、低成本、能云下攝影、受天氣影響小、分辨率高等特點(diǎn);無人機(jī)航攝資料存在像幅小、像對多、基線短、相對傳統(tǒng)航攝影像旋偏較大、重疊度不規(guī)則等問題，需要采取特殊方式處理。

3 應(yīng)用實(shí)踐

近兩年人們主要將無人機(jī)航測技術(shù)集中在大比例尺地形圖數(shù)字測繪的可行性和適用性研究方面，而對輸電線路勘測設(shè)計應(yīng)用方面研究甚少，因此，無人機(jī)應(yīng)用于輸電線路工程進(jìn)行路徑優(yōu)化及平斷面測繪現(xiàn)在幾乎沒有成功先例參考。本次擬在220 kV緬甸伊江上游電站輸電線路工程(國內(nèi)部分)進(jìn)行試驗(yàn)，主要原因?yàn)榫哂性颇系貐^(qū)線路工程一定的典型性特征，該線路長約70 km，涉及跨江的大高差、保護(hù)區(qū)、風(fēng)景區(qū)以及影響傳統(tǒng)航拍的機(jī)場、軍事區(qū)、邊境等因素。因此，該線路工程作為試點(diǎn)可使試驗(yàn)的作用最大化，優(yōu)化效果結(jié)論更易獲取。

本次無人機(jī)航測在輸電線路的優(yōu)化試驗(yàn)實(shí)施過程按工作內(nèi)容劃分，主要分為無人機(jī)航空攝影、外業(yè)控制、空三加密、優(yōu)化選線、平斷面測繪、外業(yè)高程擬合及校測6大部分，詳細(xì)作業(yè)流程如圖2所示。在優(yōu)化選線過程中要完成施工圖設(shè)計前期工作，包括轉(zhuǎn)角及塔位坐標(biāo)成果、影像路徑圖、跨越及拆遷統(tǒng)計、桿塔規(guī)劃等工作。

圖2 無人機(jī)航測優(yōu)化作業(yè)流程

3.1 航空攝影

無人機(jī)航拍單航帶覆蓋帶寬與精度有著直接的關(guān)系，航高越低，帶寬越小，精度越高。而為保證線路選線的需求，又要求帶寬越寬越好。雖然可通過航拍多條航線形成區(qū)域網(wǎng)的形式來增加帶寬，但此方法將增加大量的內(nèi)外業(yè)工作量，延誤工期。因此，依據(jù)220 kV緬甸伊江上游電站輸電線路工程初步設(shè)計路徑圖，試驗(yàn)中將盡可能采用單航線航拍的方法進(jìn)行，個別線路經(jīng)過困難區(qū)域考慮雙航線。結(jié)合Google Earth衛(wèi)星影像在1∶25000地形圖上共設(shè)計了16條航帶，在地形圖上圖解出每一條航帶中心線起終點(diǎn)經(jīng)緯度值，分2個架次進(jìn)行航飛拍攝，攝影比例尺為1∶5000。

本次試驗(yàn)飛行平臺采用Quickeye(快眼)－Ⅲ型無人飛機(jī)，機(jī)長2.3 m，翼展3 m，機(jī)高0.49 m，具有起降容易、機(jī)艙容量大、續(xù)航時間長(3 h～4 h)等特點(diǎn)，為優(yōu)越的航拍攝影飛行平臺。

無人機(jī)所用的數(shù)碼相機(jī)一般屬于非量測相機(jī)，鏡頭畸變差較大，需要建立試驗(yàn)場或到專門的檢校機(jī)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)格的專業(yè)檢校，從而獲取相應(yīng)的畸變改正參數(shù)。因此，數(shù)碼相機(jī)檢校是數(shù)碼航測的基礎(chǔ)性工作之一。本次攝影相機(jī)采用性能優(yōu)越的Canon EOS 5D MarkⅡ(36 mm×24 mm)數(shù)碼相機(jī)，信息采集精度一般在0.1 m～0.4 m高分辨率。為了保證航測成果精度，在開展本試驗(yàn)項(xiàng)目前對5D MarkⅡ相機(jī)進(jìn)行了嚴(yán)格檢校，其相關(guān)參數(shù)如表1所示。

相機(jī)相關(guān)參數(shù) 表1

3.2 外控與調(diào)繪

根據(jù)無人機(jī)像幅小、重疊面積大、像對多、基線短等特點(diǎn)，在220 kV緬甸伊江上游電站輸電線路工程試驗(yàn)中，共完成16條航帶的像控點(diǎn)測量和終勘定位所需的基準(zhǔn)點(diǎn)測量，布設(shè)133個控制點(diǎn)(包括像控點(diǎn)120個，基準(zhǔn)點(diǎn)13個)，相鄰像對點(diǎn)間的基線間隔數(shù)限制為8條。

外業(yè)采用GPS快速靜態(tài)作業(yè)模式，網(wǎng)型采用圖型強(qiáng)度較高的邊連式，起算點(diǎn)采用6個穩(wěn)定可靠的GPS C 級點(diǎn)(YB05、M002、M003、M006、M015、M021)。坐標(biāo)系統(tǒng)采用1954年北京坐標(biāo)系，中央子午線為99°，高程系統(tǒng)采用1985國家高程基準(zhǔn)。并完成相應(yīng)線路路徑的調(diào)繪工作。

由于無人機(jī)影像數(shù)據(jù)分辨率較高，內(nèi)外業(yè)判讀準(zhǔn)確，因此很大程度上減小了像控刺點(diǎn)、內(nèi)業(yè)辨視的誤差，提高了后期成圖的數(shù)學(xué)精度。

3.3 內(nèi)業(yè)處理

適普軟件與武漢大學(xué)最新研發(fā)的VirtuoZo TM低空小數(shù)碼數(shù)據(jù)處理軟件作為低空影像數(shù)據(jù)處理軟件，已在國內(nèi)測繪行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。本試驗(yàn)工程采用全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)VirtuoZo軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理，空三加密軟件采用PixelGrid無人機(jī)空三加密系統(tǒng)，主要過程為:建立工程、空三加密、數(shù)字高程模型(DEM)生成、外業(yè)調(diào)繪資料錄入、正攝影像圖制作。

3.4 優(yōu)化選線

目前國內(nèi)在電力方面的應(yīng)用航測系統(tǒng)有海拉瓦優(yōu)化平臺、適普VirtuoZo EPIGS電力優(yōu)化平臺以及JX4平斷面聯(lián)機(jī)測圖系統(tǒng)。由于武漢適普軟件VirtuoZo EPIGS電力版優(yōu)化選線平臺已開發(fā)完善多年，具備較成熟的主體框架，選取該優(yōu)化選線平臺進(jìn)行內(nèi)業(yè)優(yōu)化選線。

無人機(jī)航測優(yōu)化，以縮短線路長度、避讓障礙、減少耐張塔數(shù)量為基礎(chǔ)，最終以減少工程投資、提高線路運(yùn)行安全穩(wěn)定性為目的。在將航測數(shù)據(jù)應(yīng)用于電力線路設(shè)計方面，各專業(yè)設(shè)計人員可采用立體瀏覽方式，實(shí)現(xiàn)立體像對快速漫游甚至無間隙漫游進(jìn)行優(yōu)化選線。通過優(yōu)化選線平臺仔細(xì)觀察路徑兩旁的地物和地貌，利用架空送電線路平斷面自動量測軟件EpMapper進(jìn)行量測對線路有影響的地物到路徑的距離以及陡峭地貌的坡度，及時了解局部地段立塔條件是否具備，能否跨越電力線等，從而確立路徑的成立與否達(dá)到局部最優(yōu)。通過計算機(jī)自動排位優(yōu)化軟件對全線進(jìn)行優(yōu)化排位和投資估算，以達(dá)到整體優(yōu)化。

由于立體影像可按設(shè)計人員要求放大或縮小進(jìn)行漫游，目標(biāo)清晰，視眼開闊，這樣便可以“瞻前顧后”、“左顧右盼”，做到“線中有位”，“以位正線”，達(dá)到“室內(nèi)終勘”的深度。

3.5 精度分析

線路平斷面的最終精度受內(nèi)業(yè)測圖、外業(yè)高程擬合、關(guān)鍵點(diǎn)校測三方面的因素影響，最終得到的平斷面圖才是滿足施工圖設(shè)計要求的平斷面。

本次試驗(yàn)外業(yè)共采用GPS RTK實(shí)測轉(zhuǎn)角和塔位樁32個，斷面點(diǎn)234個，合計266個點(diǎn)參與高程誤差數(shù)據(jù)分析。分3次獲取高程差值，第1次為不進(jìn)行任何擬合時的高程差值，第2次為僅轉(zhuǎn)角和塔位樁參與高程擬合以后的高程差值，第3次加入約140個實(shí)測斷面點(diǎn)進(jìn)行擬合后的高程差值。由于北京洛斯達(dá)公司研發(fā)的《架空送電線路設(shè)計軟件》(簡稱TL軟件)高程擬合功能較為成熟，此次平斷面高程擬合處理軟件采用TL軟件。經(jīng)分析匯總，得到精度統(tǒng)計如表2所示。

精度統(tǒng)計 表2

由表2可知，采用無人機(jī)航測技術(shù)，經(jīng)選取一定的高程實(shí)測點(diǎn)進(jìn)行擬合后的線路平斷面圖完全滿足線路勘測設(shè)計要求。對照路徑正攝影像圖和實(shí)地情況發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)航測技術(shù)類同傳統(tǒng)航測技術(shù)，在植被稀少或裸露地面，斷面點(diǎn)高程精度容易符合電力行業(yè)航測規(guī)程要求;植被覆蓋較密的地段樁位誤差較大，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重錯誤。因此在森林覆蓋厚密的地方，采用無人機(jī)航測技術(shù)必須在野外校測和補(bǔ)測，經(jīng)擬合處理后才能確保航測平斷面圖的質(zhì)量。

經(jīng)對測圖數(shù)據(jù)的分析與校對可知，0.2 m～0.25 m分辨率已經(jīng)足夠平斷面測圖的精度，甚至局部可達(dá)到1∶2000地形圖測圖精度。因此，在云南一些高山地區(qū)實(shí)施的線路工程設(shè)計，可將分辨率進(jìn)一步降低至0.3 m左右，從而使得所加載大像幅相機(jī)單航覆蓋進(jìn)一步增大，可達(dá)到1800 m～1900 m帶寬。因此，無人機(jī)航測技術(shù)在輸電線路應(yīng)用上已無障礙，但需在應(yīng)用過程中逐步完善。

4 結(jié)語

通過以上無人機(jī)航測技術(shù)在220 kV緬甸伊江上游電站輸電線路工程中的應(yīng)用實(shí)踐，可得如下主要結(jié)論:

(1)無人機(jī)航測系統(tǒng)，具有“三高一低”的重要特性(高機(jī)動性、高分辨率、高度集成、低成本)，無人機(jī)航測技術(shù)用于電力線路勘測工程，從技術(shù)上來說，具有可行性。

(2)由于非量測相機(jī)鏡頭畸變大、影像像幅小、內(nèi)外業(yè)工作量成倍增加等不足，其應(yīng)用上也有一定的局限性，只可作為傳統(tǒng)攝影測量手段在輸電線路工程應(yīng)用中的一個較好補(bǔ)充。但相對于電力線路勘測中的常規(guī)作業(yè)方法具有較大優(yōu)勢，有利于數(shù)字化電網(wǎng)三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的積累。

(3)由于無人機(jī)航測技術(shù)的發(fā)展既繼承了傳統(tǒng)航測的諸多優(yōu)點(diǎn)，同時彌補(bǔ)了傳統(tǒng)航測在輸電線路工程建設(shè)方面的不足。在電力工程建設(shè)快速發(fā)展，小型輸電線路工程工期緊迫的情況下優(yōu)勢更為明顯。

(4)現(xiàn)階段無人機(jī)航測技術(shù)正處于從研究開發(fā)階段向推廣應(yīng)用階段過渡，如能進(jìn)一步解決加載大像幅(如飛思P45或P60等相機(jī))/多鏡頭數(shù)碼相機(jī)、高精度定位與控制系統(tǒng)(DGPS/IMU)的問題。無疑隨著系統(tǒng)配套軟硬件的加強(qiáng)與完善，其安全性和實(shí)用性將得到進(jìn)一步提高，其美好而寬廣的應(yīng)用前景將不言而喻。

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