基于礦山電力工程的微型旋翼無人機設備應用研究

周 翔，岳 強，溫玉維

（中國能源建設集團湖南省電力設計院有限公司，湖南 長沙 410007）

1 概述

改革開放以來，我國的工業化建設發展快速加快，到2018年我國工業化水平達59.5%。礦山電力工程中老線路改造和新建線路也越來越多，此類工程規模小、路徑受限制、地物多且復雜、空域多為限制區、要求航攝地面分辨率高。采用較大無人機實施航攝較復雜、風險較大、成本高。采用微型旋翼無人機超低空攝影測量技術剛好能彌補這一缺點，可高效地獲取路徑影像。

2 微型旋翼無人機特點及基本參數

微型旋翼無人機具有體積和重量小，便于攜帶，操作簡單，起飛和降落不受場地限制。由于電池續航能力有限，微型旋翼無人機一般飛行高度在80～500之間，單架次飛行面積在 0.6km2～1km2。

圖1 大疆Phantom 4 Pro無人機組成及外觀

當前無人機攝影測量技術在礦山電力線路工程中得到廣泛的應用，但是由于微型旋翼無人機自身的特點，在線路工程中應用不多[1]。隨著我國工業企業迅速發展，電力工程中老線路改造和新建線路工程越來越多。這類工程路徑受礦山工程規劃限制，路徑選擇較單一，因此在航飛帶寬不需要常規新建線路那樣寬；另外礦山工程區域內的地物密集，對于選線精度要求高，需要提供高分辨率正射影像圖；區域工作區內地物密集，起降場地受限。基于如此多條件限制，采用微型旋翼無人機超低空航攝技術能發揮其最大優勢[2]。

選擇市面上最常見的大疆Phantom 4 Pro無人機作為本文的試驗載體。該無人機外觀及組成如圖1所示。

該無人機基本參數如表1所示。

表1 大疆Phantom 4 Pro基本參數

3 微型旋翼無人機外業作業流程

微型無人機外業作業流程大致分為四部分：任務設計及航線規劃、航攝實施、數據檢查、外業像控測量。

3.1 任務設計及航線規劃

根據線路工程路徑規劃好航線；對測區內最高地形或地物點進行現場踏勘；根據現場地形和地物特點選取起降點和確定飛行高度，確保不同架次間飛行高度差在30m以內；根據規劃好的航線均勻預布設好野外像控點，在無明顯特征點區域需人工布設好像控標志[3]。如圖2所示，為無人機一個架次的航線規劃，左下角還有預計飛行時間，由于電池容量的限制，一般一個架次飛行時間控制在20min以內。

3.2 航攝實施

根據選取的起降點，現場實施航飛。由于礦山地區線路路徑基本確定，因此航飛帶寬一般在路徑左右兩側各300m，每架次能航飛線路路徑長度大約1.5km。

圖2 大疆Phantom 4 Pro無人機航線規劃示意圖

3.3 數據檢查

利用ICE、AGISOFT等軟件快速生成全景圖檢查航飛的照片，包括利用影像pos檢查航飛影像是否覆蓋布設好的航線；影像的色彩是否飽滿，銳度清晰，反差適中；影像的分辨率是否滿足設計要求；航向重疊度不低于60%，旁向重疊度不低于30%，旋偏角小于15°。

3.4 野外像控測量

本文選取礦山工程區域內邊一條約8km線路做為實例，根據線路路徑在奧維地圖上布設好像控點的大致位置，像控點采用延線路兩側成對均勻布設，每隔400m～500m布設一對，在路徑拐歪處需多布設一到兩個點[4]。根據地圖顯示情況，需要在無明顯像控點位置預先布置好像控點，布設像控點時需采用與地面顏色反差較大的材料。并在沿線均勻采集一定的數量的檢查點。如圖3所示。

圖3 像控點布設示意圖

4 航拍數據處理及精度分析

航拍數據處理流程如圖4。

圖4 數據處理流程圖

4.1 相機參數獲取及影像去畸變處理

大疆無人機的相機為非量測相機，相機鏡頭存在較大畸變差，如果對相機鏡頭進行檢校需要建立試驗場或者到專業機構，而且還要每隔一定的時間要檢校一次。檢校后的參數隨著使用次數增多誤差會越來越大，并且該無人機的IMU和POS系統精度不高。通常采用的空三加密處理的inpho軟件，在進行加密處理前，需要精確的相機參數、去畸變的影像和精確的IMU/POS數據。

考慮到非量測相機的這個特性，這里采用Pix4d軟件對原始影像進行密集匹配處理，不僅能獲得精確相機參數，還能得到去畸變的影像和影像精確的IMU/POS數據。

在Pix4d空三處理完成后，得到相應的DSM和DOM成果。

4.2 空三處理及嚴密平差

Inpho空三處理生產流程主要分為四個步驟。

4.2.1 新建工程

新建工程后，輸入相應的工程名和文件保存路徑。導入經過Pix4dmapper處理得到的去畸變影像、IMU/POS數據、相機參數和初步空三成果。然后定義航帶、編輯控制點文件、輸入測區平均高程、建立航帶等。

4.2.2 創建金字塔影像

為了提高效率，測區內的每張影像都要創建金字塔影像，金字塔影像主要在像片放大和空三加密的迭代過程中使用，生成的金字塔影像要單獨保存。

4.2.3 控制點量測

控制點量測有兩種方式：第一種是先手工量測所有的地面控制點，然后啟動空中三角測量進行自動連接點提取；第二種是先進行自動連接點的提取，再添加地面控制點。但如果在項目開始前就有大量的地面控制點，可以手工測量測區最外圍的4個控制點，這4個點的連線要盡量包住整個測區，平差計算后，預測剩余的控制點，通過微調便可將控制點快速添加完畢。

4.2.4 嚴密平差

第一次自動提取連接點時要勾選“創建連接點區域后停止”按鈕，這樣如果空三計算失敗或者沒有找到連接點時，可以利用連接點區域檢查連接點匹配是否成功。

連接點成功提取后，便可以進行平差計算，通過像控點位置說明不斷地調整控制點的平面位置和高程，直到計算的控制點平面中誤差和高程中誤差均小于限差要求，方可導出空三結果。

4.3 外業調繪

首先根據制作的高分辨率的DOM判讀可能會影響線路路徑的重要地物和交叉跨越等，如果DOM上不能準確判讀，或者需要調查地物其他屬性的，則需要到現場進行外業調繪。

4.4 三維立體優化選線

將最終空三成果和外業調繪數據引入我公司自主研發的維邁多數據源輸電線路航測系統，則可進行三維立體優化選線。

該系統可以根據制作的DSM和DOM生成三維大場景視圖，在大場景視圖下，確定線路整體路徑走向并且優化；然后再根據單模型立體，進行局部優化，確保線路路徑方案達到最優。并且大場景和局部三維可以隨意切換。

通過設計人員初步排塔定位，能夠使路徑得到及時優化。采用多窗口模式，把線路路徑、采集的地物和排塔坐標信息都放置到共享內存，實現每個窗口及時調用，實現聯動協同。每個窗口都可以三維選線、平斷面量測，所有窗口都聯動塔位預排位窗口，實現全方位、多角度和多維度選線設計。預排塔定位窗口排外完成后，實時反饋到各個數據源窗口，在單立體像對模型和大場景立體模型中，呈現出四邊形基礎在定位中心，其中心在定位中心，四個角點緊貼地面高程。

根據最終路徑方案，再進行人工采集路徑平斷面圖，供電氣專業進行排塔設計。

圖5 大場景及局部立體與平斷面聯動

4.5 精度分析

精度分析分為平面精度和高程精度分析，分析數據主要包括野外檢查點和地物特征點的數據。檢查點統計分析方法是：根據檢查點描述的具體位置、航片號、實地照片，在立體模型中找到相應點的位置，并測得這個點的平面坐標和高程，通過與外業實測的坐標差值，可以計算得到平面中誤差和高程中誤差。

地物特征點檢查方法與野外檢查點方法類似，具體步驟是：根據可研的線路路徑方案，在線路路徑中線附近均勻測量相應的地物特征點。然后再根據外業描述情況和位置，在立體模型中采集相應地物特征的坐標和高程，并計算平面中誤差和高程中誤差。這里依托實際項目長沙東山變220kV送電線路工程，對相應控制點和地物特征點進行統計和分析。控制點和地物特征點的精度統計情況分別見表2和表3。

表2 控制點精度統計表

表3 地物特征點精度統計表

根據以上兩個表格統計的平面、高程的中誤差，均小于《電力工程數字攝影測量規程》[1]中的精度要求。

5 結論

本文主要介紹了微型旋翼無人機在礦山電力工程中應用的優勢以及數據處理的流程和方法。微型旋翼無人機在礦山電力線路工程中能充分發揮其優勢，減少人力、物力成本，降低風險。

在線路設計障礙物較多、地形地物變化頻繁的礦山工程區域，為電力線路路徑優化設計提供最新、高分辨的DEM和DOM，結合維邁多數據源輸電線路航測系統可以提供大場景三維立體視圖和局部三維立體，為線路選線提供便利。在微型無人機數據處理過程中的關鍵步驟是獲取相機的參數以及未畸變的影像，這樣才能保證在后續的空三加密處理過程中獲得高精度成果。并且結合實際工程項目，對空三成果進行相應的精度統計分析，成果精度滿足電力工程的設計要求。