有人輕小型航空遙感系統(tǒng)在電力工程中的應用研究

張濟勇，曹玉明，孫小虎

(華北電力設計院工程有限公司，北京100120)

一、引 言

2010年10月15日，隨著我國關于低空空域管理改革指導意見獲得批準，國內(nèi)1000m以下低空空域?qū)⒅鸩綄γ裼妙I域開放，這對近幾年發(fā)展起來的輕小型航空遙感系統(tǒng)將具有巨大的推動作用。

輕小型航空遙感系統(tǒng)是指采用輕型機飛行平臺進行航空攝影與遙感的一項測量技術，主要應用于100 km2以下區(qū)域的大比例尺測圖。主要的飛行平臺有有人輕型機，無人飛行器和飛艇。目前在國內(nèi)商業(yè)運用的輕小型航空遙感系統(tǒng)采用的飛行平臺主要為無人飛行器，大部分載重量為6 kg～15 kg，攜帶的相機基本上為普通佳能或尼康相機，無POS系統(tǒng)和LiDAR設備，因此造成像控點測量工作量大，且測量精度也不高。本文結合國外工程中采用有人輕型機作為飛行平臺進行航空攝影與遙感系統(tǒng)工程實例，詳細介紹了輕小型航空遙感系統(tǒng)特點和在電力工程中的運用情況。

二、系統(tǒng)介紹

輕小型機航測遙感系統(tǒng)主要組成為：輕型機飛行平臺、高精度POS系統(tǒng)、慣性穩(wěn)定平臺、輕型數(shù)字測繪相機和輕型機載激光雷達。可根據(jù)不同應用需求以多種組合模式運行，組合模式主要包括穩(wěn)定平臺+POS+數(shù)字測繪相機、穩(wěn)定平臺 +POS+LiDAR+數(shù)字相機、穩(wěn)定平臺+數(shù)字測繪相機+GPS等不同模式的結構集成。通過系統(tǒng)框架的設計，在體積上和重量上滿足輕小型飛行平臺的要求。

1．有人輕型機飛行平臺

有人輕型機飛行平臺主要是為適應小面積航攝和低空高分辨率航攝的需求，而研制生產(chǎn)的輕型有人駕駛航攝機，巡航高度為200 m～11 000 m，信號傳輸作用距離視距 ＞200 km，最大遙感設備載重為120 kg，抗風能力能抗最大風力7級(約15m/s)，抗雨能力能抗大雨，可以夜間作業(yè)，起降方式的主模式為輪式，輔助方式彈射起飛，或傘式回收等4種備份手段。根據(jù)上述要求，國內(nèi)目前能夠滿足要求的航測飛機有蜜蜂、海鷗、海燕等。目前也有測繪單位采用動力三角翼等基本滿足要求的飛行器(如圖1所示)。

2．高精度POS系統(tǒng)

POS系統(tǒng)是采用動態(tài)差分GPS(DGPS)技術和慣性測量裝置(Inertial Measurement Unit，IMU)直接在航測飛行中測定傳感器的位置和姿態(tài)，并經(jīng)嚴格的聯(lián)合數(shù)據(jù)處理(卡爾曼濾波)，獲得高精度的傳感器的外方位元素，從而實現(xiàn)無或極少地面控制的傳感器定位和定向。由于輕小型航空遙感系統(tǒng)采用的數(shù)碼相機幅面小，且飛行穩(wěn)定性相對較差，因此必須要采用高精度POS技術。否則在數(shù)據(jù)處理和像控點測量方面，工作量比較大，而且測量精度比較低。根據(jù)國內(nèi)工程實例以及行業(yè)調(diào)研，目前國內(nèi)商業(yè)運用的無人機航空遙感系統(tǒng)進行大比例尺地形圖測量，外控點測量工作量相當于常規(guī)地形圖測量的1/4的工作量，而且測量精度也不高。

由于高精度POS系統(tǒng)長期以來受歐美等發(fā)達國家的限制，國內(nèi)在此方面的研究也多用于軍事，在國內(nèi)民用航空攝影測量中采用高精度POS系統(tǒng)還沒有真正意義上用于商業(yè)應用。目前國內(nèi)的相關單位正在進行國內(nèi)的航攝系統(tǒng)集成試驗，估計在不久的將來，該系統(tǒng)的研制成功將對推動輕小型機航空遙感系統(tǒng)發(fā)展具有十分重大的意義。

3．數(shù)字測繪相機和輕型機載LiDAR

國內(nèi)無人機航空遙感系統(tǒng)攜帶的相機大部分為普通的佳能或尼康相機，這對高精度輕小型航空遙感系統(tǒng)來說顯然是不夠的。根據(jù)國家863計劃重點項目(2008AA121301)要求，輕型單鏡頭數(shù)字相機技術指標要求為：旁向視場角范圍在 55°以上(50mm焦距);幅面為7K×5 K或6 K×5K(12 Bit，RGB三色);相機重量為5 kg～8 kg(不含電源)。輕型組合寬角數(shù)字測繪相機技術指標要求為：旁向視場角范圍在90°以上;幅面為1．5億像元以上(RGB三色);相機重量為20 kg～35 kg(不含電源);平面精度為±5 cm(有地標點);高程精度為±5 cm(有地標點)。輕小型機載激光雷達(Li-DAR)系統(tǒng)技術主要技術指標要求為：平面精度為±25 cm(航高500m，POS 方位精度0．008°，姿態(tài)精度0．005°); 高程精度為 ±12 cm(航高 500m，POS方位精度 0．008°，姿態(tài)精度 0．005°)(具體指標見國家863計劃重點項目(2008AA121301))。根據(jù)國家863計劃項目的介紹，目前數(shù)字測繪相機和輕型機載LiDAR均已研制成功，這將大大提高輕小型機航空遙感系統(tǒng)的測量精度。

三、國外工程實例

該工程位于南美洲國家，地理緯度為南緯40°，該工程分為兩個子工程，分別為：輸變電網(wǎng)工程和風電場工程，總面積將近700 km2。

1．輸變電網(wǎng)工程

輸變電網(wǎng)工程為帶狀區(qū)域測量，帶狀長度為400 km，帶寬2 km，測量比例尺為平面1∶5000，垂直1∶500，航測工期1個月。測量單位為工程所在國測量公司，該公司提供的測量方案采用輕小型機航空遙感系統(tǒng)進行測量，系統(tǒng)設備組合模式為穩(wěn)定平臺+POS+LiDAR+數(shù)字測量相機，設備如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設備

飛機參數(shù)為：自重3750Lbs，任務載荷3150Lbs，飛行速度為120～140 Kts，巡航時間為4．5 h，最大飛行高度為731m;相機參數(shù)為：分辨率為6十萬像素，有效像素數(shù)為8984×6732 pixels，幅面為53 904mm×40 392mm;LiDAR參數(shù)為：掃描高度范圍為210～3500m，激光掃描視場范圍為0°～ ±50°，掃描視場寬度為0．7×飛行高度(max)，激光發(fā)射頻率為0～70 KHz，激光回波采樣為4回波，水平精度為1/5500×飛行高度，高程精度＜5-20 cm。

該公司飛行設置參數(shù)和LiDAR設置參數(shù)如圖3所示。

圖3 飛行多數(shù)和LIDAR參數(shù)

該公司在帶狀區(qū)域兩端分別架設一臺GPS基準站，通過高精度的POS系統(tǒng)直接獲取外方位元素，僅需要兩端GPS基準站的坐標，無需進行像控點測量。該公司航拍時間為3～5天，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時間為3個星期提交工程成品資料。通過對整個帶狀區(qū)域隨機檢查，其平面點位精度為0．35 cm，高程精度為0．18 cm，交叉跨越物高程精度為0．24 cm，完全滿足《330 kV～750 kV架空輸電線路勘測規(guī)范》(GB 50548—2010)中相關規(guī)定。

2．風電場工程

風電場工程為面狀區(qū)域，面積為105 km2，丘陵地貌，測量比例尺為1∶2000，等高距為2 m，測量工期為1個月。由于風電場場址緊鄰線路工程，測量單位為同一家單位，因此采用的航測設備和航測模式均與線路工程相同，僅在測量風電場場址時，將飛機高度降為600m。

該公司提交的成品資料經(jīng)現(xiàn)場工作人員檢查，其平面點位精度為0．29 cm，高程精度為0．21 cm，滿足《工程測量規(guī)范》(GB 50026—2007)中相關要求。

四、結束語

輕小型航空遙感系統(tǒng)作為近幾年來發(fā)展起來一項新的測量技術，彌補了衛(wèi)星遙感系統(tǒng)和航空遙感系統(tǒng)對小區(qū)域大比例尺地形圖測量成本高、航空手續(xù)復雜以及飛行氣候和起飛條件要求較高等不利因素，在遙感領域具有很重要的地位，特別是在工程測量領域具有十分重大的發(fā)展前景。

同樣，有人輕小型航空遙感系統(tǒng)相對于其他兩種無人飛行平臺的輕小型航空遙感系統(tǒng)也具有比較大的優(yōu)勢。首先，相對于無人機飛行平臺，有人輕小型機平臺具有飛行穩(wěn)定性強，安全性能高，能夠攜帶超過120 kg的高精度POS系統(tǒng)、測量數(shù)字相機和LiDAR等設備。目前商業(yè)運用的無人機大部分由于任務載荷僅為6～15 kg，僅僅只能攜帶普通相機，因此對于1∶1000和1∶500大比例尺地形圖測量精度不高，而且地面工作量也比較繁重。如果采用任務載荷超過120 kg的無人機，其成本將會很高，而且飛行安全性低于有人輕小型機。同樣，對于無人飛艇，由于無人飛艇充氣成本高，穩(wěn)定性差，因此應用比較少。

隨著以中國測繪科學院等單位承擔的國家863重點項目對數(shù)字測繪相機、高精度POS系統(tǒng)和輕小型機載LiDAR等關鍵技術的研制成功，歐美國家對我國高技術限制的解除，以及國內(nèi)低空領域的逐漸放開，有人輕小型航空遙感系統(tǒng)將會迎來蓬勃的發(fā)展。

[1]李學友，李英成，肖金城．IMU/DGPS在我國航空遙感數(shù)據(jù)獲取領域的應用展望[J]．地理空間信息技術與應用——中國科協(xié) 2002年學術年會測繪論文集，2002．

[2]關艷玲，劉先林，段福州，等．高精度輕小型航空遙感系統(tǒng)集成技術與方法[J]．測繪科學，2010，36(1)：84-86．

[3]林宗堅．UAV低空航測技術研究[J]．測繪科學，2010，36(1)：5-9．

[4]劉經(jīng)南，張曉紅 ．激光掃描測高技術的發(fā)展與現(xiàn)狀[J]．武漢大學學報：信息科學版，2003，23(2)：132-137．