韓文軍，雷遠華，周學文

(國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京 100052)

我國地域遼闊，各電壓等級電網(wǎng)遍布全國，為滿足智能電網(wǎng)建設要求，需要對現(xiàn)狀電網(wǎng)、在建電網(wǎng)和擬建電網(wǎng)在設計、施工和運行階段實現(xiàn)三維數(shù)字化管理，因此，需要大量的高分辨率遙感影像用于現(xiàn)有遙感影像的更新和新建電網(wǎng)工程的遙感影像獲取。

傳統(tǒng)航測系統(tǒng)主要面向國家基礎測繪，大范圍國土資源普查、長距離輸電線路以及資源、生態(tài)環(huán)境調(diào)查、監(jiān)測與評估等領域的基礎性應用，需要利用高空長航程的中、大型飛機平臺，專用機場和昂貴的航攝儀，對天氣條件要求極高，相應的成本也高，周期長，機動性差。受此制約，往往在一些城鎮(zhèn)、村莊、廠礦、重大工程等小面積區(qū)域，尤其是面積在50平方公里以下的面狀區(qū)域和長度較短的線狀區(qū)域(輸電線路帶狀圖)難以實現(xiàn)快速、低成本、高分辨率遙感數(shù)據(jù)的獲取。

無人機攝影測量系統(tǒng)即利用無人機、無人飛艇等飛行高度在距離地面2000m以下的飛行器，搭載各類小型傳感器，低空航攝飛行獲取地面數(shù)據(jù)資料。低空攝影相對于傳統(tǒng)航空攝影來說，具有快速機動、成本低、能云下攝影，受天氣影響小，成像比例尺大，分辨率高等特點，目前已經(jīng)成為重要的遙感數(shù)據(jù)源。發(fā)展低空遙感產(chǎn)業(yè)，不僅能滿足一定范圍的數(shù)據(jù)獲取的需要，更重要的是能促進完善我國航空遙感體系，改善我國地理空間數(shù)據(jù)的獲取、處理和分析能力，促進高分辨率遙感數(shù)據(jù)在國家不同領域的應用，減少對國外高分辨率遙感數(shù)據(jù)的過分依賴。

1 無人機攝影測量系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)硬件組成

無人機測繪遙感系統(tǒng)由無人機飛行平臺、傳感器、飛行控制系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)以及地面運輸與保障系統(tǒng)五部分組成。

圖1 無人機測繪遙感系統(tǒng)組成圖

1.1.1 飛行平臺

國內(nèi)比較成熟的飛行平臺有以下幾種：“垂直尾”型無人機、“雙發(fā)”型無人機“倒桅尾”型無人機等。飛行平臺主要技術(shù)指標見表1。

表1 飛行平臺主要技術(shù)指標

1.1.2 傳感器系統(tǒng)

由于無人機有效載荷較輕，無法搭載專業(yè)航測相機，普遍搭載高端單反數(shù)碼相機，如Canon 5D Mark Ⅱ、Nikon D700等。

1.1.3 飛行控制系統(tǒng)

無人機飛行控制系統(tǒng)主要包括自動駕駛儀、GPS導航儀、姿態(tài)控制儀、高度計、氣壓計等。關鍵技術(shù)為GPS導航控制的定點曝光技術(shù)和相機旋偏改正技術(shù)。

1.1.4 地面監(jiān)控系統(tǒng)

地面監(jiān)控系統(tǒng)主要包括通訊系統(tǒng)、監(jiān)控軟件系統(tǒng)和維護系統(tǒng)。

1.2 配套軟件

無人機航空攝影及影像處理比傳統(tǒng)航測復雜很多，為保證航攝質(zhì)量需進行精確航攝規(guī)劃、航攝質(zhì)量快速檢查及影像快速預處理等，完成這些工作需配置相應的軟件。

1.2.1 精確航攝任務規(guī)劃軟件

主要用于航攝任務規(guī)劃，功能包括：設計成果統(tǒng)計與制圖、自動/半自動航攝分區(qū)、自動航線敷設、自動調(diào)整曝光點間距、航線間距，保證立體觀測重疊度指標、修改編輯曝光點、航線功能、構(gòu)架航線、基站布設功能、片數(shù)、航線長度、距離等統(tǒng)計報告。

1.2.2 航攝質(zhì)量快速檢查軟件

航攝質(zhì)量檢查軟件包括以下技術(shù)內(nèi)容：快速瀏覽影像質(zhì)量、檢查重疊度指標、檢查旋偏角指標、自動形成像片預覽索引圖、影像自動批量打號、輸出航攝質(zhì)量檢查統(tǒng)計報表、快速檢查飛行數(shù)據(jù)覆蓋情況，以便決定補飛以及撤場事宜。同時直接關系到作業(yè)效率，飛行質(zhì)量檢查與評價。最核心的指標是重疊度和旋偏角，必須滿足航測規(guī)范的要求。

兩張相鄰航片，通過一對同名點即可根據(jù)影像寬度計算重疊度和旋偏角，數(shù)字航片原始片像素數(shù)固定，按照同樣方式重采樣后的預覽片也可計算重疊度。由于定點曝光只表示了曝光位置，并不反映姿態(tài)影響，只有通過航片同名點的檢查方法才能最終確定實際地面覆蓋的重疊度情況，應此通過逐片選擇一對同名點的方法可以快速瀏覽檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量。

1.2.3 影像快速預處理軟件

預處理的主要目的是為了改正無人機航攝影像的畸變差，基于影像糾正變換的畸變差改正軟件就是為了提高攝影測量的精度，以便于后期處理時模型間的相對定向。軟件包括以下技術(shù)功能：

⑴ 批處理讀入TIF格式原始影像數(shù)據(jù)。

⑵ 讀入相機參數(shù)文件。

⑶ 自動完成畸變差改正。

⑷ 對影像上像點坐標進行系統(tǒng)誤差改正。

2 無人機攝影測量的特點

無人機攝影測量系統(tǒng)有其自身的特點，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

⑴ 無需機場起降，一般有一段凈空條件稍好的平整公路或者草地即可；

⑵ 能低空作業(yè)、云下攝影，獲取的影像分辨率在0.05～0.5m范圍之間，分辨率高；

⑶ 整系統(tǒng)集成度高，裝載于運輸車中，也可進行鐵路和航空的托運，方便在全國范圍內(nèi)執(zhí)行任務；

⑷ 整系統(tǒng)的維護、維修成本低，總體運行成本低；

⑸ 無人機測繪遙感系統(tǒng)所攜帶的數(shù)碼相機幅面比傳統(tǒng)航攝相機的幅面小的多，因此單架次的航攝面積不能過大。

(6) 無人機測繪遙感系統(tǒng)地面監(jiān)控站的監(jiān)控范圍一般在20公里以內(nèi)，因此，飛行平臺盡量不要超過20公里的飛行范圍。

(7) 目前飛行平臺的最大滯空時間為2小時，為了保證能安全回到起飛點，應預留20分鐘的滯空時間，實際的作業(yè)時間在1.5小時以內(nèi)。

3 無人機攝影測量系統(tǒng)應用

3.1 應用范圍

無人機測繪遙感系統(tǒng)主要是解決小區(qū)域、高分辨率影像的快速獲取問題。主要的應用領域為：

⑴ 應急測繪中的高分辨率影像快速獲取;

⑵ 小城鎮(zhèn)、新農(nóng)村測繪保障中的高分辨率影像獲取;

⑶ 石油、公路、水利、鐵路、電力等帶狀地區(qū)選線勘測中的高分辨率影像獲取;

⑷ 困難地區(qū)(雪域高原等高海拔地區(qū))高分辨率影像獲取。

3.2 作業(yè)流程

與傳統(tǒng)航攝相同，無人機攝影測量同樣需要進行航線設計、航攝飛行、質(zhì)量檢查、補飛或重飛、像控測量等步驟。所不同的是，由于無人機自身的特點，無人機影像獲取流程及航飛作業(yè)模式與傳統(tǒng)航飛有較大區(qū)別，見圖2。

3.2.1 現(xiàn)場航線設計

無人機數(shù)碼攝影一般都是執(zhí)行小區(qū)域的數(shù)碼航攝，與傳統(tǒng)航攝不同的是在航線設計時無需考慮地球曲率變化，也無需非常準確地知道地面點高程。傳統(tǒng)航攝有明確的操作規(guī)范和流程，必須使用1∶10000或1∶50000地形圖或利用已有的DEM進行基準面的設計，必要時(高差大于1/6航高時)需設定攝影分區(qū)，必要時也可設定加密分區(qū)。對于低空數(shù)碼航攝而言，一般情況下，已知攝區(qū)四角坐標即可進行航線設計。極特殊條件下才設定攝影分區(qū)。

圖2 無人機攝影測量系統(tǒng)影像獲取的總體流程

3.2.2 特殊情況下的航線設計

當?shù)匦胃卟畲笥?/6航高時，原則上要設立攝影分區(qū)。對于無人機航攝來講，高程有所放寬，在攝區(qū)高程大時，盡量采取增大分辨率，加大重疊的方法來克服。此方法仍不奏效時，必須設立攝影分區(qū)。

3.2.3 飛行設備調(diào)試

無人機進行航攝工作前，為確保航攝工作順利完成，需要對地面監(jiān)控站設備進行調(diào)試，主要工作內(nèi)容包括：

地面監(jiān)控站調(diào)試、起飛前檢查、俯仰檢查、滾轉(zhuǎn)檢查、偏航檢查、水平設置、空速檢查、高度計檢查、轉(zhuǎn)速檢查、GPS定位檢查、震動測試、電池測試、數(shù)傳發(fā)射對傳感器的影響測試、動態(tài)傳感器數(shù)據(jù)觀察、空速計系數(shù)、GPS控制相機測試等。

3.2.4 現(xiàn)場數(shù)據(jù)整理

航攝結(jié)束后，在保證原始影像每張都能打開，每張存儲完整，影像清晰、曝光適中的情況下進行數(shù)據(jù)整理。

⑴ 檢查曝光點數(shù)與影像數(shù)是否一致，若不一致應及時查找原因。

⑵ 檢查每條航線的記錄值與實際飛行的影像數(shù)是否一致。比如第一航線地面站里記錄為20張影像，005號為第一張，則檢查是否005-024為第一航線。尤其要檢查024與025之間的關系。

⑶ 將影像按照航線數(shù)分別裝載于文件夾，每條航線的影像數(shù)量應一致。

3.2.5 現(xiàn)場質(zhì)量檢查

⑴ 影像初步檢查

檢查影像的基本情況：包括影像數(shù)、航帶數(shù)、抽查影像質(zhì)量是否有云、霧、雪，影像是否發(fā)虛，影像命名是否正確。

⑵ 檢查資料是否完整

檢查飛行記錄表、曝光點坐標數(shù)據(jù)等是否存在，填寫是否完整、規(guī)范。

⑶ 展繪曝光點坐標

查看曝光點坐標與實際飛行情況是否一致。當出現(xiàn)有曝光點坐標明顯偏離航線時，應做好記錄，檢查影像。

⑷ 影像重采樣

在PS里進行影像重采樣，目的是將影像數(shù)據(jù)量變小，便于檢查時操作。

⑸ 影像旋轉(zhuǎn)

按照飛行記錄表填寫的方式進行影像旋轉(zhuǎn)，特別注意奇數(shù)條和偶數(shù)條航帶的旋轉(zhuǎn)是否相同。

⑹ 質(zhì)量檢查

輸出檢查記錄，不合格影像做好相應記錄。

⑺ 通知補飛與重飛

3.2.6 現(xiàn)場預處理

將所有影像另存為TIF格式，將畸變參數(shù)改成軟件支持的格式，利用預處理軟件進行畸變差改正，改正后影像有黑邊說明已改正完成。

3.2.7 影像成果提交

⑴ 分航帶原始影像

⑵ 分航帶畸變差改正后影像

⑶ 飛行記錄表

⑷ 曝光點坐標文件

⑸ 影像檢查記錄

⑹ 數(shù)據(jù)整理記錄

⑺ 相機參數(shù)文件

⑻ 畸變差改正后主點偏移文件

3.2.8 快速拼圖

像控測量作業(yè)流程與傳統(tǒng)航測類似，區(qū)別在于無人機航攝獲取的影像相幅較小、相片數(shù)多，一般情況下不適合利用沖印相片執(zhí)行像控測量工作。尤其是在應急測繪條件下或雪域高原縣城區(qū)航攝時，條件艱苦，無法滿足照片沖印，甚至打印，必須利用現(xiàn)有筆記本計算機進行像控測量工作。航攝外業(yè)隊伍能在所有檢查合格后現(xiàn)場進行快速拼圖，利用簡單鑲嵌的攝區(qū)影像圖查看攝區(qū)大致情況，選取合乎要求的控制點，并在整體影像圖上規(guī)劃好測量控制點的行進路線，保證控制點量測工作順利進行。

目前，市面上的快速拼圖軟件也有很多，最常用的應該算是PhotoShop，該軟件必須人工拼接，費時費力，在局部地形起伏大的地方單靠人工拼接更是困難。PTGUI是德國數(shù)學教授Helmut Dersch研制的一款數(shù)碼影像全景拼圖軟件，它通過為全景制作工具(Panorama Tools)提供圖形用戶界面(GUI) 來實現(xiàn)對圖像的拼接，從而創(chuàng)造出高質(zhì)量的全景圖像。只要將需要拼接的影像導入軟件，設置參數(shù)，便可自動拼接成攝區(qū)影像的全貌圖。無需人工選取特征點，軟件全自動匹配同名點進行影像鑲嵌，拼接耗時短，效果滿足像控測量查看攝區(qū)整體狀況的要求。

3.3 無人機攝影測量在電網(wǎng)工程建設中的應用

以無人機為代表的輕小型航空遙感系統(tǒng)具有機動靈活、響應快、成本低、時效性強等特點，已形成與衛(wèi)星遙感和普通航空遙感并行發(fā)展的局面。尤其在電網(wǎng)重大自然災害應急響應、陰云天氣低空光學影像獲取、輸電線路走廊規(guī)劃、廠(站)址影像和地形圖獲取及分布式日常低空遙感監(jiān)測等情況下，無人機航測系統(tǒng)擁有衛(wèi)星遙感和普通航空遙感不可取代的作用。

3.3.1 電網(wǎng)應急救災

我國屬于自然災害多發(fā)國家，平均每年因災造成直接經(jīng)濟損失近2000億元，災害突發(fā)時，采取恰當?shù)膽贝胧┛梢源蠓档徒?jīng)濟損失。為應對突發(fā)的自然災害，減輕災害對國家電網(wǎng)造成的損失，及時恢復、重建電網(wǎng)，國家電網(wǎng)公司建立了應急救災指揮中心，但應急手段還須完善。

災害發(fā)生時及時獲取災區(qū)的高清晰影像，第一時間為應急救災指揮中心 提供現(xiàn)場影像資料至關重要。但是，災害發(fā)生時往往伴隨惡劣的天氣狀況，如2008年南方冰災，當時的受災地區(qū)受天氣影響，采用普通航飛、衛(wèi)星拍攝等方法無法及時獲取災區(qū)的高分辨率影像，利用無人機低空遙感系統(tǒng)機動性高、環(huán)境適應性強、無需機場起降、對天氣條件要求低等特點，可以及時、高效獲取高清晰影像，為國網(wǎng)公司應急救災指揮中心進行災害評估、制定救災決策、制定電網(wǎng)重建方案提供先進、可靠的技術(shù)手段。

3.3.2 輸電線路走廊規(guī)劃

在大工程或大型水電站出線走廊規(guī)劃中，利用無人機攝影測量系統(tǒng)進行區(qū)域網(wǎng)航空攝影，可以對區(qū)域走廊通道進行整體規(guī)劃，彌補現(xiàn)場視野受限的不足，充分考慮各種環(huán)境、規(guī)劃因素，協(xié)調(diào)各工程項目關系，充分利用有限的通道資源，使線路走向和區(qū)域規(guī)劃更加合理。

3.3.3 地形圖測量

無人機攝影測量適用于小比例尺的地形圖測量，成圖比例尺一般小于1∶2000，在電網(wǎng)工程的可研設計階段，可采取高程控制措施，如增加野外控制和利用野外測量數(shù)據(jù)改化航測高程等，測量1∶1000比例尺的地形圖。為站址布置及優(yōu)化提供影像、高程等詳細的基礎資料，減少勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率。

4 結(jié)語

無人機攝影測量與傳統(tǒng)航空攝影測量相比，具有無需機場起降、系統(tǒng)集成度高，機動性強，轉(zhuǎn)場方便、快捷，對氣象條件要求不高，影像分辨率高，系統(tǒng)總體運行成本低等優(yōu)點，可用于應急救災、廠址優(yōu)化、站址優(yōu)化、出線走廊規(guī)劃等電力工程建設應用以及南方多雨地區(qū)的小面積區(qū)域航攝。但無人機存在飛行姿態(tài)不穩(wěn)定，飛行時間短，單架次的航攝面積小，相同面積航攝像片數(shù)多，相應的像控點多，內(nèi)業(yè)處理工作量大的缺點。由于無人機搭載非量測數(shù)碼相機，相機無法進行精確校驗，影像存在畸變，無法滿足輸電線路斷面圖的精度要求。

現(xiàn)階段無人機攝影測量在電力行業(yè)應用基本處于試驗階段，沒有成熟的作業(yè)模式和技術(shù)規(guī)定，隨著無人機攝影測量技術(shù)的發(fā)展，以上問題會逐步得到解決，是常規(guī)航空攝影有效補充。

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