免像控航測技術(shù)在山區(qū)線路通道復(fù)查中的應(yīng)用

姚 林，陳 旭

（中國能源建設(shè)集團(tuán)云南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，昆明 650051）

特高壓輸電線路工程跨度大、范圍廣、工程建設(shè)周期長，從施工圖設(shè)計(jì)到施工建設(shè)跨越時間較長[1]。隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展，輸電線路通道情況變化速度快、數(shù)量多，這將嚴(yán)重影響輸電線路的設(shè)計(jì)可行性、工程建設(shè)周期及成本造價，需要在工程施工前對輸電線路通道現(xiàn)狀進(jìn)行復(fù)查。傳統(tǒng)的線路通道現(xiàn)狀復(fù)查方式是多個專業(yè)的設(shè)計(jì)人員在野外對通道情況進(jìn)行實(shí)地踏勘，調(diào)查線路通道的地物、地形的變化，實(shí)測對工程建設(shè)有影響的變化因素。輸電線路工程多位于山區(qū)，地形起伏大，交通情況差，實(shí)地復(fù)查技術(shù)費(fèi)時費(fèi)力，作業(yè)效率低，勞動強(qiáng)度高，安全隱患大，并且存在視覺盲區(qū)多、復(fù)查不詳盡等問題。

近年來，無人機(jī)航測技術(shù)發(fā)展迅速，軟硬件技術(shù)不斷突破，制造工藝、飛行性能、操控技術(shù)與安全指標(biāo)趨于成熟。相較于傳統(tǒng)大飛機(jī)航測與遙感技術(shù)，無人機(jī)航測技術(shù)具有機(jī)動靈活、高效快速、操作簡便、作業(yè)成本低、分辨率高、適用范圍廣和生產(chǎn)周期短[2]等眾多優(yōu)勢，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)諸多領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。

文章將CW-10C 免像控?zé)o人機(jī)航測系統(tǒng)應(yīng)用于山區(qū)輸電線路通道復(fù)查中，解決輸電線路通道現(xiàn)狀復(fù)查困難的問題，總結(jié)航測技術(shù)在通道復(fù)查應(yīng)用中的工作流程和作業(yè)方法，探討免像控航測技術(shù)在山區(qū)線路通道現(xiàn)狀復(fù)查中應(yīng)用的可行性。

1 CW-10C 無人機(jī)航測系統(tǒng)特點(diǎn)

CW-10C 無人機(jī)航測系統(tǒng)是成都縱橫公司和武漢訊圖公司聯(lián)合研發(fā)的1∶500 免像控數(shù)據(jù)獲取及處理的航測系統(tǒng)[3]，是國內(nèi)首個免像控航測系統(tǒng)，其特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下方面。

1.1 免像控技術(shù)

CW-10C 無人機(jī)航測系統(tǒng)集成了CW-10C 無人機(jī)飛行平臺、后差分GPS，以及天工免像控?zé)o人機(jī)航測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。高精度的差分GPS 提供了厘米級的定位精度，改變了傳統(tǒng)航空攝影測量需要大量布設(shè)地面像控點(diǎn)的作業(yè)方法[4]。天工免像控航測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在免像控數(shù)據(jù)處理算法、復(fù)雜地形地貌影像匹配，以及無人機(jī)GPS 與姿態(tài)信息輔助空三解算等方面獲得關(guān)鍵性技術(shù)突破。CW-10C 無人機(jī)航測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了免像控數(shù)據(jù)獲取、處理的目標(biāo)，大大提高了航測的工作效率。

1.2 復(fù)合翼機(jī)型，實(shí)現(xiàn)垂直起降

CW-10C 無人機(jī)采用常規(guī)固定翼結(jié)合四旋翼的復(fù)合翼布局形式，結(jié)構(gòu)簡單可靠，兼具固定翼無人機(jī)航時長、速度快、距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)和旋翼無人機(jī)垂直起降的便捷性[5]。CW-10C 無人機(jī)不需要起降跑道和復(fù)雜笨重的發(fā)射、回收輔助設(shè)備，大幅降低了起降場地條件的要求，解決了固定翼無人機(jī)快速、便捷起降的難題，保證山區(qū)、叢林等復(fù)雜地形和建筑物密集區(qū)域航攝工作順利實(shí)施，極大擴(kuò)展了無人機(jī)的應(yīng)用場景[6]。

1.3 智能實(shí)用的飛行控制

無人機(jī)航測系統(tǒng)通過先進(jìn)的數(shù)據(jù)融合、控制與導(dǎo)航算法，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)智能、專業(yè)、一體化的指揮與控制，保證無人機(jī)全過程自主飛行，實(shí)現(xiàn)垂直起降、巡航、飛行狀態(tài)轉(zhuǎn)換等過程的自主操作[5]。地面站軟件實(shí)現(xiàn)無人機(jī)系統(tǒng)與自動駕駛儀之間人機(jī)實(shí)時交互，通過合理地設(shè)置控制器參數(shù)與應(yīng)急參數(shù)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)剡M(jìn)行飛前檢查，飛行狀況的實(shí)時監(jiān)控和各項(xiàng)指令的實(shí)時發(fā)送，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)安全自主飛行。

1.4 簡單便捷的航線設(shè)計(jì)

無人機(jī)航測系統(tǒng)通過高度集成化的無人機(jī)地面指揮控制軟件，實(shí)現(xiàn)測區(qū)航線智能規(guī)劃。根據(jù)測區(qū)形狀和成圖比例尺，設(shè)置對應(yīng)的相機(jī)類型、地面分辨率、重疊度等航攝設(shè)計(jì)參數(shù)，自動生成適宜的航線路徑與設(shè)置合理的航路點(diǎn)飛行參數(shù)。軟件提供的高程預(yù)覽、航線高度檢驗(yàn)等功能，方便檢查規(guī)劃航線的安全合理性，保證航攝工作順利實(shí)施。

2 工程應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

文章以雅中-江西±800 kV 特高壓直流輸電線路工程為研究對象，開展免像控航測技術(shù)在山區(qū)輸電線路通道復(fù)查中的應(yīng)用試驗(yàn)。通道復(fù)查工作的主要目的是對線路設(shè)計(jì)路徑內(nèi)通道現(xiàn)狀情況進(jìn)行調(diào)查，與施工圖設(shè)計(jì)階段通道內(nèi)的地物、地形情況進(jìn)行對比，對新增地物進(jìn)行測量統(tǒng)計(jì)，為后續(xù)設(shè)計(jì)方案的調(diào)整和工程造價變化量的計(jì)算提供準(zhǔn)確的地理信息依據(jù)。

文章通過CW-10C 無人機(jī)航測系統(tǒng)獲取線路通道的航測資料，構(gòu)建線路通道的三維模型，分析免像控航空攝影的測量精度，總結(jié)免像控技術(shù)在線路通道現(xiàn)狀復(fù)查應(yīng)用中的技術(shù)方法和工作流程。研究內(nèi)容主要包括無人機(jī)航攝、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、航測成果制作、精度分析、通道現(xiàn)狀復(fù)查應(yīng)用等，工作流程如圖1 所示。

圖1 航測通道復(fù)查工作流程圖

2.1 工程概況

雅中線路工程是國家實(shí)施“西電東送”戰(zhàn)略的重要骨干通道，對于落實(shí)“碳達(dá)峰、碳中和”工作，促進(jìn)四川清潔能源基地開發(fā)，滿足中東部綠色發(fā)展需求均具有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益[7]。文章研究區(qū)域位于云南省昭通市境內(nèi)，線路路徑長度約106 km，線路路徑海拔在950～3 100 m 之間，線路通道內(nèi)植被茂密，地形起伏大，交通情況差，通道現(xiàn)狀復(fù)查工作困難。

2.2 航線規(guī)劃與航攝實(shí)施

航攝任務(wù)按照1∶1 000 地形圖攝影測量作業(yè)技術(shù)要求進(jìn)行規(guī)劃，地面分辨率為6～8 cm，設(shè)計(jì)航線的相對航高約為500 m，航向重疊度為75%，旁向重疊度為60%。航攝系統(tǒng)搭載索尼α7R II 數(shù)碼相機(jī)，圖像分辨率為7 952×5 304 像素。

根據(jù)輸電線路路徑走向和地形起伏的特點(diǎn)，航攝技術(shù)設(shè)計(jì)按照帶狀航線規(guī)劃，以提高航攝工作的效率。航線規(guī)劃設(shè)計(jì)采用CW-10C 無人機(jī)地面指揮控制軟件，沿著線路路徑走向布設(shè)3 條航線，在線路通道高程變化大和線路路徑轉(zhuǎn)彎大的地方布設(shè)不同的航攝分區(qū)，全部復(fù)查區(qū)域共規(guī)劃37 個航測分區(qū)。線路復(fù)查航攝幅寬大于400 m，相鄰航攝分區(qū)重疊范圍大于200 m，確保復(fù)查區(qū)域覆蓋整條線路通道，沒有航攝漏洞。航線規(guī)劃示例如圖2 所示，圖2 中灰色實(shí)線為線路路徑走向，白色實(shí)線為規(guī)劃航線，數(shù)字圓圈為航路點(diǎn)，74 號航路點(diǎn)為飛機(jī)起降位置。

圖2 航線規(guī)劃示例圖

山區(qū)無人機(jī)航攝工作受山區(qū)地形起伏、飛行氣象環(huán)境影響較大，容易出現(xiàn)各種安全、質(zhì)量事故。為保證無人機(jī)飛行安全和航攝數(shù)據(jù)質(zhì)量，航攝作業(yè)時充分了解了測區(qū)的地形特征，合理選取飛機(jī)的起降位置，特別注意無人機(jī)起降、轉(zhuǎn)彎及返航時的航高檢校。按照航攝技術(shù)設(shè)計(jì)要求合理設(shè)置重疊度、分辨率及相機(jī)等參數(shù)，在山頂影像的重疊度和山底影像的分辨率之間進(jìn)行綜合取舍，保證航攝數(shù)據(jù)的航飛質(zhì)量和影像質(zhì)量滿足要求。

本次無人機(jī)航攝工作分3 d 9 個架次完成，飛行總時間約620 min。航攝時段天氣晴朗，能見度高，飛行質(zhì)量良好。航攝作業(yè)共獲取3 692 張影像及對應(yīng)原始數(shù)據(jù)，影像清晰、色彩鮮明，滿足內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的要求。

2.3 航測數(shù)據(jù)處理及成果制作

航測數(shù)據(jù)處理內(nèi)容包括POS 數(shù)據(jù)差分解算、空中三角測量、DEM 和DOM 數(shù)據(jù)生產(chǎn)等。依托于CW-10C無人機(jī)航測系統(tǒng)的智能化處理功能，工程用時2 d 時間即完成航測數(shù)據(jù)處理及地理信息成果制作，數(shù)據(jù)處理自動化程度和生產(chǎn)效率較高。

POS 數(shù)據(jù)差分解算采用航測系統(tǒng)配套的JoPPS 后差分GPS 解算軟件，讀入基站、POS、GPS 等原始數(shù)據(jù)后，自動解算像片曝光瞬間準(zhǔn)確的位置參數(shù)，解算速度快、精度高。

空中三角測量使用訊圖GodWork-AT 軟件，在讀入原始數(shù)據(jù)，設(shè)置合適的空三平差參數(shù)后，通過軟件的“一鍵空三”功能實(shí)現(xiàn)空三數(shù)據(jù)自動化處理?？紤]山區(qū)地形起伏、航攝影像重疊度大小不同的特點(diǎn)，空三數(shù)據(jù)處理前應(yīng)根據(jù)無人機(jī)飛行質(zhì)檢軟件生成的檢查報告，對影像重疊度大的區(qū)域進(jìn)行抽片處理，保證航攝數(shù)據(jù)的基高比滿足技術(shù)要求，從而更好保障空三平差處理的質(zhì)量?？杖讲罱Y(jié)束后，需輸出平差計(jì)算結(jié)果和旋轉(zhuǎn)糾正影像，制作核線影像模型，以便在第三方軟件中進(jìn)行線路通道內(nèi)地形、地物信息的判讀及影響因素三維坐標(biāo)的立體量測。

DEM 和DOM 數(shù)據(jù)制作使用訊圖GodWork-EOS軟件，讀入GodWork-AT 空三平差數(shù)據(jù)，自動生產(chǎn)DEM、DOM 數(shù)據(jù)。山區(qū)影像拍攝環(huán)境差異性大，影像之間的色彩、亮度有所不同。DOM 數(shù)據(jù)生產(chǎn)鑲嵌前，應(yīng)選取合適的影像模板，在EOS 軟件中對原始影像進(jìn)行勻光勻色處理，以便制作DOM 成果的色彩、亮度對比度適中。結(jié)合線路路徑信息，通過DEM、DOM 數(shù)據(jù)可以制作線路通道影像地形圖（圖3），方便對通道信息進(jìn)行全局判讀。

圖3 線路通道影像地形圖

2.4 精度分析

為驗(yàn)證CW-10C 無人機(jī)航測系統(tǒng)免像控作業(yè)的測量精度，本文在施工圖測量控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過GPS RTK 技術(shù)實(shí)地采集檢查點(diǎn)的三維坐標(biāo)，測量方法按照像控點(diǎn)測量技術(shù)要求執(zhí)行。檢查點(diǎn)主要布設(shè)在明顯地物的特征點(diǎn)上，如道路交叉口、道路標(biāo)志線角點(diǎn)、房角點(diǎn)及點(diǎn)狀地物中心點(diǎn)等，每個航測分區(qū)布設(shè)2～3 個檢查點(diǎn)，復(fù)查區(qū)域一共測量82 個檢查點(diǎn)。在測圖軟件中立體量測檢查點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并與野外實(shí)測坐標(biāo)進(jìn)行對比，統(tǒng)計(jì)外業(yè)實(shí)測點(diǎn)與內(nèi)業(yè)量測點(diǎn)的平面和高程較差，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)表

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CW-10C 免像控?zé)o人機(jī)航測技術(shù)測量成果精度較高，平面和高程較差均可滿足1∶2 000地形圖測量精度要求，可以用于輸電線路勘測設(shè)計(jì)工作。

2.5 線路通道復(fù)查應(yīng)用

在Ecan-PLStation 架空輸電線路選線設(shè)計(jì)與平斷面成圖系統(tǒng)中，利用線路路徑的DEM、DOM 數(shù)據(jù)制作線路通道三維模型場景。電氣、結(jié)構(gòu)、地質(zhì)和測量等相關(guān)專業(yè)設(shè)計(jì)人員在三維模型中對線路通道地形地貌、地物信息進(jìn)行綜合判讀，并與施工圖階段設(shè)計(jì)圖紙、正射影像圖等資料進(jìn)行對比，判別塔位及通道范圍內(nèi)的現(xiàn)狀變化信息。通過多專業(yè)綜合論證，判斷通道變化對線路路徑及塔位安全的影響程度，制定設(shè)計(jì)技術(shù)調(diào)整以及投資量增加的解決方案。在Ecan-PLStation 軟件中采集新增或變化地形地物的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，將測量成果輸出為DWG 文件，用于完善技術(shù)方案設(shè)計(jì)和變化內(nèi)容統(tǒng)計(jì)。

工程花費(fèi)2 d 時間完成線路通道復(fù)查論證工作，本次復(fù)查工作共發(fā)現(xiàn)新增房屋8 戶14 間，新增水泥道路2 處，在建35 kV 高壓輸電線路1 回、10 kV 輸電線路2 回、光纜1 回，地形開挖和降雨沖刷塔位2 處。經(jīng)多專業(yè)論證，通道變化對設(shè)計(jì)路徑?jīng)]有顛覆性的影響，無需進(jìn)行線路路徑和桿塔位置的調(diào)整，但需要通過房屋拆遷、塔腿加固等技術(shù)措施進(jìn)行處理，并增加對應(yīng)處理工作的工程預(yù)算。

3 結(jié)束語

免像控?zé)o人機(jī)航測技術(shù)的發(fā)展給輸電線路勘測設(shè)計(jì)工作提供了新的技術(shù)手段，其在保證測量精度的同時，減少了像控點(diǎn)的布設(shè)工作量，對于山區(qū)工程具有更好的實(shí)用性。相較于全野外輸電線路通道現(xiàn)狀復(fù)查技術(shù)，航測復(fù)查技術(shù)在作業(yè)效率、勞動強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)性上具有較大的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在如下方面。

作業(yè)效率大幅度提高。對于雅中線路工程的山區(qū)通道現(xiàn)狀復(fù)查工作，傳統(tǒng)的野外復(fù)查技術(shù)需要花費(fèi)20 d 以上時間；而航測復(fù)查技術(shù)可以內(nèi)外業(yè)同步開展工作，從航攝作業(yè)、數(shù)據(jù)處理到通道現(xiàn)狀變化分析，共用了7 d，大幅度縮短了工程工期。

經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)。傳統(tǒng)的野外復(fù)查技術(shù)，需要電氣、結(jié)構(gòu)、地質(zhì)和測量等專業(yè)人員參與整個外業(yè)工作過程，人力資源投入數(shù)量較大；航測復(fù)查技術(shù)投入2 名航測技術(shù)人員即可完成大部分外業(yè)工作，其他專業(yè)人員只需在內(nèi)業(yè)參與后期的通道現(xiàn)狀對比分析工作，大大降低了人力資源及配套成本。

人員勞動強(qiáng)度降低。傳統(tǒng)的野外復(fù)查技術(shù)需作業(yè)人員在野外完成所有工作，山區(qū)受地形、植被等情況影響，交通情況較差，作業(yè)人員勞動強(qiáng)度極高；航測復(fù)查技術(shù)采用免像控?zé)o人機(jī)航測技術(shù)，外業(yè)工作人員只需定點(diǎn)進(jìn)行無人機(jī)航攝工作，數(shù)據(jù)處理及分析工作都在內(nèi)業(yè)完成，作業(yè)人員勞動強(qiáng)度大大降低。

產(chǎn)品成果豐富。傳統(tǒng)的野外復(fù)查技術(shù)通過GPS 等測量設(shè)備測量坐標(biāo)數(shù)據(jù)，產(chǎn)品形式單一；航測成果可提供豐富的影像數(shù)據(jù)和三維模型成果，為數(shù)字化設(shè)計(jì)、三維展示及成果移交提供了豐富的地理信息數(shù)據(jù)，并可方便后期的施工管理和運(yùn)行維護(hù)工作。