無人機航測技術在輸電線路中的應用實踐

楊永平，段學云，段德磊，徐春，陳鴻興

(云南省電力設計院，云南 昆明 650051)

1 引言

隨著我國現代化建設進程加快，工業與民用電量不斷增加，電力工程建設力度也隨之加強。除超高壓、特高壓和跨區電網等大型工程快速建設外，一些局部改線、π接或T接線路工程也越來越多，此類工程規模雖小、路徑較短、但工期要求特緊。如采用常規工測技術，不僅勞動強度大、作業周期長、生態環境破壞大，而且無法滿足整體電網工程的信息化建設及智能電網建設的長遠要求;如采用傳統航測技術，由于空域管制辦理手續繁瑣、機動性差，導致周期較長、成本較高，特別像云南這樣的高山省份地區: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、數碼相機技術及無人機航測數據處理軟件的快速發展，無人機航測技術已基本成熟，正好符合了這一要求，因此該攝影測量技術應用已成必然趨勢。本文敘述無人機航測技術具體應用于輸電線路工程，并取得了良好效果。

2 無人機航測技術

2.1 無人機航測系統

如圖1所示，無人機航測系統主要由無人機飛行平臺、飛行控制系統、影像獲取設備、通信設備、遙控設備和地面信息接收與處理設備組成。其中，飛行控制系統主要包括:穩定飛行姿態的垂直陀螺，獲取飛行平臺位置信息的GPS接收天線以及控制飛機自主飛行的微處理器。地面配套設備主要包括:實時影像的接收與顯示的數據接收終端，數碼相機獲取的地面高清影像的數據處理終端以及控制飛機起降、飛行和拍攝的遙控設備。

圖1 無人機航測系統

2.2 無人機航測技術特點

無人機航測技術，以獲取高分辨率數字影像為應用目標，以自動駕駛飛機為飛行平臺，以高分辨率數碼相機為傳感器，通過3S技術在系統中集成應用，最終獲取小面積、真彩色、大比例尺、現勢性強的航測遙感數據。其技術特點主要有如下:

(1)無人機數據處理流程與傳統航測相比，具有以下特點:①采用非量測數碼相機，鏡頭畸變較傳統航攝儀大;②低空寬視角，因視點變化的原因，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，影像數據量大;④雖采取了一定防范措施，但仍免不了出現大的旋偏角，常有超出±15°規范要求的情況。

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

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

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

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

(6)成本較低。系統集成度高，運輸方便，轉場作業只需地面小型貨車運輸即可完成;無人機系統的置建費用較低，運營成本、維護成本和操作手的成本遠遠低于載人機系統，具有低投入、高回報的優勢。

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

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

3 應用實踐

近兩年人們主要將無人機航測技術集中在大比例尺地形圖數字測繪的可行性和適用性研究方面，而對輸電線路勘測設計應用方面研究甚少，因此，無人機應用于輸電線路工程進行路徑優化及平斷面測繪現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(國內部分)進行試驗，主要原因為具有云南地區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、保護區、風景區以及影響傳統航拍的機場、軍事區、邊境等因素。因此，該線路工程作為試點可使試驗的作用最大化，優化效果結論更易獲取。

本次無人機航測在輸電線路的優化試驗實施過程按工作內容劃分，主要分為無人機航空攝影、外業控制、空三加密、優化選線、平斷面測繪、外業高程擬合及校測6大部分，詳細作業流程如圖2所示。在優化選線過程中要完成施工圖設計前期工作，包括轉角及塔位坐標成果、影像路徑圖、跨越及拆遷統計、桿塔規劃等工作。

圖2 無人機航測優化作業流程

3.1 航空攝影

無人機航拍單航帶覆蓋帶寬與精度有著直接的關系，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域網的形式來增加帶寬，但此方法將增加大量的內外業工作量，延誤工期。因此，依據220 kV緬甸伊江上游電站輸電線路工程初步設計路徑圖，試驗中將盡可能采用單航線航拍的方法進行，個別線路經過困難區域考慮雙航線。結合Google Earth衛星影像在1∶25000地形圖上共設計了16條航帶，在地形圖上圖解出每一條航帶中心線起終點經緯度值，分2個架次進行航飛拍攝，攝影比例尺為1∶5000。

本次試驗飛行平臺采用Quickeye(快眼)－Ⅲ型無人飛機，機長2.3 m，翼展3 m，機高0.49 m，具有起降容易、機艙容量大、續航時間長(3 h～4 h)等特點，為優越的航拍攝影飛行平臺。

無人機所用的數碼相機一般屬于非量測相機，鏡頭畸變差較大，需要建立試驗場或到專門的檢校機構進行嚴格的專業檢校，從而獲取相應的畸變改正參數。因此，數碼相機檢校是數碼航測的基礎性工作之一。本次攝影相機采用性能優越的Canon EOS 5D MarkⅡ(36 mm×24 mm)數碼相機，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，在開展本試驗項目前對5D MarkⅡ相機進行了嚴格檢校，其相關參數如表1所示。

相機相關參數 表1

3.2 外控與調繪

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

外業采用GPS快速靜態作業模式，網型采用圖型強度較高的邊連式，起算點采用6個穩定可靠的GPS C 級點(YB05、M002、M003、M006、M015、M021)。坐標系統采用1954年北京坐標系，中央子午線為99°，高程系統采用1985國家高程基準。并完成相應線路路徑的調繪工作。

由于無人機影像數據分辨率較高，內外業判讀準確，因此很大程度上減小了像控刺點、內業辨視的誤差，提高了后期成圖的數學精度。

3.3 內業處理

適普軟件與武漢大學最新研發的VirtuoZo TM低空小數碼數據處理軟件作為低空影像數據處理軟件，已在國內測繪行業得到廣泛應用。本試驗工程采用全數字攝影測量系統VirtuoZo軟件進行內業處理，空三加密軟件采用PixelGrid無人機空三加密系統，主要過程為:建立工程、空三加密、數字高程模型(DEM)生成、外業調繪資料錄入、正攝影像圖制作。

3.4 優化選線

目前國內在電力方面的應用航測系統有海拉瓦優化平臺、適普VirtuoZo EPIGS電力優化平臺以及JX4平斷面聯機測圖系統。由于武漢適普軟件VirtuoZo EPIGS電力版優化選線平臺已開發完善多年，具備較成熟的主體框架，選取該優化選線平臺進行內業優化選線。

無人機航測優化，以縮短線路長度、避讓障礙、減少耐張塔數量為基礎，最終以減少工程投資、提高線路運行安全穩定性為目的。在將航測數據應用于電力線路設計方面，各專業設計人員可采用立體瀏覽方式，實現立體像對快速漫游甚至無間隙漫游進行優化選線。通過優化選線平臺仔細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到局部最優。通過計算機自動排位優化軟件對全線進行優化排位和投資估算，以達到整體優化。

由于立體影像可按設計人員要求放大或縮小進行漫游，目標清晰，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”，達到“室內終勘”的深度。

3.5 精度分析

線路平斷面的最終精度受內業測圖、外業高程擬合、關鍵點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計要求的平斷面。

本次試驗外業共采用GPS RTK實測轉角和塔位樁32個，斷面點234個，合計266個點參與高程誤差數據分析。分3次獲取高程差值，第1次為不進行任何擬合時的高程差值，第2次為僅轉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個實測斷面點進行擬合后的高程差值。由于北京洛斯達公司研發的《架空送電線路設計軟件》(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。經分析匯總，得到精度統計如表2所示。

精度統計 表2

由表2可知，采用無人機航測技術，經選取一定的高程實測點進行擬合后的線路平斷面圖完全滿足線路勘測設計要求。對照路徑正攝影像圖和實地情況發現，無人機航測技術類同傳統航測技術，在植被稀少或裸露地面，斷面點高程精度容易符合電力行業航測規程要求;植被覆蓋較密的地段樁位誤差較大，甚至出現嚴重錯誤。因此在森林覆蓋厚密的地方，采用無人機航測技術必須在野外校測和補測，經擬合處理后才能確保航測平斷面圖的質量。

經對測圖數據的分析與校對可知，0.2 m～0.25 m分辨率已經足夠平斷面測圖的精度，甚至局部可達到1∶2000地形圖測圖精度。因此，在云南一些高山地區實施的線路工程設計，可將分辨率進一步降低至0.3 m左右，從而使得所加載大像幅相機單航覆蓋進一步增大，可達到1800 m～1900 m帶寬。因此，無人機航測技術在輸電線路應用上已無障礙，但需在應用過程中逐步完善。

4 結語

通過以上無人機航測技術在220 kV緬甸伊江上游電站輸電線路工程中的應用實踐，可得如下主要結論:

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

(2)由于非量測相機鏡頭畸變大、影像像幅小、內外業工作量成倍增加等不足，其應用上也有一定的局限性，只可作為傳統攝影測量手段在輸電線路工程應用中的一個較好補充。但相對于電力線路勘測中的常規作業方法具有較大優勢，有利于數字化電網三維基礎數據的積累。

(3)由于無人機航測技術的發展既繼承了傳統航測的諸多優點，同時彌補了傳統航測在輸電線路工程建設方面的不足。在電力工程建設快速發展，小型輸電線路工程工期緊迫的情況下優勢更為明顯。

(4)現階段無人機航測技術正處于從研究開發階段向推廣應用階段過渡，如能進一步解決加載大像幅(如飛思P45或P60等相機)/多鏡頭數碼相機、高精度定位與控制系統(DGPS/IMU)的問題。無疑隨著系統配套軟硬件的加強與完善，其安全性和實用性將得到進一步提高，其美好而寬廣的應用前景將不言而喻。

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