基于三維GIS的無人機巡檢管控系統

樊志強

摘? 要：本文設計了基于三維GIS的無人機巡檢管控系統。系統根據地形數據和三維線路實現航線規劃、巡檢任務、三維導航、狀態監控等功能;系統實現與不同無人機型飛控系統、中繼設備、避障系統的數據通訊;系統實現智能化預警功能，其中包括遙測參數預警、測控半徑預警、逼近線路預警等;系統建立歷史數據庫，實現對三維基礎數據、航跡數據、巡檢成果數據、飛機設備狀態參數、飛行日志等進行管理;系統結合實際需求并創新應用，實現定點拍攝、圖像識別分析、高端儀器設備搭載等;系統實現拓展應用，根據具體應用需求實現三維高級空間分析功能。

關鍵詞：三維GIS無人機? 巡檢管理系統? 圖像識別? 系統

中圖分類號：P208? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）10（a）-0126-03

Abstract： This paper designs a UAV patrol control system based on 3D GIS. According to terrain data and three-dimensional lines， the system realizes route planning， patrol task， three-dimensional navigation， status monitoring and other functions; realizes data communication with flight control system， relay equipment and obstacle avoidance system of different unmanned aircraft; realizes intelligent early warning function. It includes telemetry parameter early warning， measurement and control radius early warning， approach line early warning， etc.; the system establishes a historical database to manage the three-dimensional basic data， track data， inspection results data， aircraft equipment status parameters， flight logs， etc.; the system combines the actual needs and innovative applications to achieve fixed-point shooting， image recognition and analysis， high-end instrument and equipment carrying， etc.; the system unified implementation of the expansion of applications， according to the specific application needs to achieve three-dimensional advanced spatial analysis function.

Key Words： 3D GIS UAV; Patrol management system; Image recognition; System

隨著國家電網的發展，輸電線路電壓等級的不斷提高，線路的巡線作業對維護區域的安全、穩定、高效運行越來越重要。無論傳統地面巡線方式還是有人直升機巡線方式在效率、安全、成本等方面已經滿足不了現代電網發展的廣泛需求。而無人機作為有人直升機巡線的有效補充，提高了巡檢效率，更大程度上避免了當前載人直升機巡線員的人身安全隱患。

無人機巡檢作為智能化機器巡檢的重要技術手段，已在國家電網系統開展了較多應用。而開發基于電網GIS無人機精細化航線管理與測控導航系統，為無人機在電力線路巡視和大范圍防災減災巡視提供了有力的輔助工具。這也是智能化電網建設的亮點，也是電網監控手段的重大革新。因此本文設計了基于三維GIS的無人機巡檢管控系統，提高了巡檢工作效率。

1? 系統需求分析

本系統可以完成無人機的航跡規劃、數據鏈管理、機載任務設備控制，同時以數字和圖形形式提供飛機飛行狀態、圖像偵查信息，實現對全系統的監控。基于三維空間地理信息的無人機精細化航線管理與測控導航技術將為無人機系統的飛行操縱、指揮控制等提供空間可視化的操縱平臺，本項目將以三維地圖為背景設計無人機地面導航監控軟件，實現三維航路的規劃、生成和執行;自主起降點的規劃與確認;地理信息、電網信息、飛機狀態信息、通信鏈路信息的集成展示;與飛控系統的數據交互接口。

2? 系統功能設計

2.1 系統功能架構

系統包含功能有：工具箱、參數設置、飛行控制、參數展示、中繼管理、避障管理、預設預警、三維空間分析、數據庫管理、外部接口管理。

巡檢管理系統功能架構圖工具箱中包含功能有：測量工具、三維操作欄、坐標查詢、定位器;參數設置中包含功能有飛行參數設置、預警參數設置;飛行控制中包含功能有航線規劃、航線發送、航跡回放;參數展示包含功能有飛行參數、中繼參數、避障參數;中繼管理包含功能有設備自檢管理、休眠喚醒管理、鏈路模式管理、中壓電量管理;避障管理包含功能有雷達開關管理、場強儀管理、設備狀態管理;預設預警管理包含功能有飛行參數預警、逼近線路預警、測控半徑預警;三維空間分析包含功能有至高點分析、二點透視分析、信號盲區分析、剖面圖分析;數據庫管理包含功能有航線管理、航跡管理、日志管理;外部接口管理包含功能有與飛控接口、與中繼接口、與避障接口。

系統配置三維模型庫、三維地圖庫以及巡檢業務庫，用于數據存儲。系統開發使用C++編程語言實現。系統數據庫為ORACLE10g，三維平臺為3d earth express，開發模式為C/S模式。

本系統基于二三維GIS技術和無人機通訊控制技術，在功能設計上以空間關系數據庫為基礎構建服務端和客戶端應用功能。服務端具備遙感影像等數據的采集、分析處理、輔助決策等功能，客戶端充分考慮用戶實際需求定制了巡檢任務、航跡規劃、狀態監控、三維導航等應用模塊。具體功能設計構建見圖1。

2.2 數據庫管理設計

（1）航線管理，數據庫管理模塊實現對用戶規劃的無人機飛行航線可以進行導出、刪除、查詢、備份管理功能。

（2）航跡管理，數據庫管理模塊實現對無人機歷史飛行的航跡數據可以進行導出、刪除、查詢、備份管理功能。

（3）歷史任務，提供歷史任務數據的查詢和統計功能。

（4）巡檢數據，對機載設備（紅外、紫外、可見光、高清相機等）采集的歷史圖片和歷史數據提供查詢和統計入口。

（5）日志管理。數據庫管理模塊的日志管理，日志包括航線日志、中繼日志、航跡日志三種，可以對三種日志進行查詢、刪除、備份、導出功能操作。

2.3 系統關鍵功能設計與實現

2.3.1 定點拍攝

系統結合不同類型無人機硬件和操控系統，考慮實地氣流、機身和攝像設備姿態等因素設置無人機飛行軌跡自動識別桿塔方位，從而實現高準確度定點拍攝采集。以多旋翼無人機對單基桿塔巡檢為例：單回路直線塔巡檢。

控制無人機安全穩定上升到桿塔的左斜上方，先對左半部分的地線支架0進行拍照檢測，再依次對如圖2所示的1、2、3絕緣子串進行拍照，最后對右半部分地線支架檢測。在此過程中同時對跳線、各類線夾以及固定裝置的狀態進行檢測，可見光相機和紅外熱像儀同時工作。在無人機上升和下降的過程中對桿塔塔材和零部件進行拍照檢測。

2.3.2 雙回路直線塔巡檢

雙回路直線桿塔模型和巡檢順序圖如圖3所示。

為了確保無人機墜下時不會對輸電線路安全造成威脅，在所有的巡檢過程中，無人機都不得位于導線正上方或從導線上方飛過。雙回路直線塔中絕緣子串拍攝角度與單回路直線塔中1絕緣子串和3絕緣子串角度相同。相機和紅外熱成像儀所拍攝檢測的對象也相同。在無人機上升和下降的過程中對桿塔進行拍照檢測。

2.3.3 圖像識別分析

系統對采集的圖像可根據參數設定自動進行識別篩選，過濾掉模糊不清的圖像。其次對清晰的圖像進行分析處理，計算該點故障特征值發現疑似故障受損圖，并對故障圖按不同的類型設定進行分類存儲。

系統可結合不同類型無人機型搭載可見光成像設備、紅外熱成像儀、紫外成像儀、激光成像儀等，采集的不同類型數據系統可實現識別分類自動傳送分析處理。

3? 結語

“基于電網GIS平臺的無人機綜合巡檢控制系統”在實現與無人機飛控系統、中繼設備、避障系統通訊的前提下，實現無人機電力線路巡視業務功能和定點巡視業務功能的定制與開發;實現航線自動規劃、模擬飛行巡檢、三維展示、狀態監測、測控導航和數據管理等功能，提高無人機巡檢系統易用性，降低系統使用難度和門檻，提高無人機巡檢的智能化水平。為無人機在電力行業應用提供輔助決策的工具，真正意義上提高電網及設備的巡視工作效率、降低運營成本，提高維護工作效率。

參考文獻

[1] 馬鈞隆，孟祥印，張鈞哲.基于GIS的燃氣管網4S系統的設計與實現[J].計算機應用與軟件，2020，37（3）：28-31，50.

[2] 賈雷亮，申衛華，葉寬，等.基于三維GIS的電網仿真技術研究[J].科技資訊，2015，13（18）：51-52.

[3] 李瑞君.GIS技術在電網管理中的應用研究[J].科技資訊，2016，14（5）：8-9.

[4] 任苗，黃凱.基于三維GIS的系統架構設計研究[J].科技資訊，2018（22）：11-13.

[5] 嚴文璞，張露.探討三維GIS在智慧城市中的應用[J].網絡安全技術與應用，2020（6）：136-137.

[6] 崔力鵬，高飛，葉周潤，等.文物管理的三維GIS系統設計與實現[J].工程勘察，2020，48（5）：75-78.