無人機(jī)技術(shù)在電力勘測設(shè)計(jì)中的工程應(yīng)用研究

于君（中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030001）

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無人機(jī)技術(shù)在電力勘測設(shè)計(jì)中的工程應(yīng)用研究

于君（中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030001）

1　引言

隨著信息化、工業(yè)化、城市化進(jìn)程的發(fā)展，電力能源的需求深度和廣度逐步延伸，電力傳輸網(wǎng)絡(luò)作為連接電力生產(chǎn)環(huán)節(jié)與用戶的紐帶在智能電網(wǎng)中具有重要作用，其中長距離輸送電線路的勘察測量和規(guī)劃設(shè)計(jì)成為了保障電力能源安全穩(wěn)定輸送的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，電力勘測設(shè)計(jì)成為了電網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分和運(yùn)維基礎(chǔ)。

電力勘測設(shè)計(jì)不僅包括電力生產(chǎn)、傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)的區(qū)域地質(zhì)測量和勘察，而且涵蓋電力設(shè)施（供電、配電等）的設(shè)計(jì)和規(guī)劃。電力勘測設(shè)計(jì)是電力建設(shè)的基礎(chǔ)，其奠定了電力行業(yè)的良性健康和持續(xù)發(fā)展。

2　電力勘測關(guān)鍵支撐技術(shù)

由于長距離輸送電線路一般位于人煙稀少、偏僻且交通不便的地區(qū)，其勘察測量存在較高的危險(xiǎn)性和技術(shù)難度，因此，電力勘測關(guān)鍵支撐技術(shù)成為了保障勘測任務(wù)的重要手段。

（1）全球定位系統(tǒng)（GPS，Global Position System）

GPS技術(shù)最初源于美國軍方于1958年研制的子午儀衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Transit），并由美國聯(lián)合計(jì)劃局于1988年修改形成了GPS衛(wèi)星工作模式，即：21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星圍繞地球形成互成60度的6條運(yùn)行軌道。以GPS導(dǎo)航系統(tǒng)為例，其包括三個(gè)部分：地面控制（主控站、地面天線、監(jiān)測站、通訊輔助系統(tǒng)）、空間部分（24顆衛(wèi)星分布于6個(gè)軌道平面）、用戶裝置部分（GPS接收機(jī)、衛(wèi)星天線）[1]。

2000年10月31日中國第一顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星成功發(fā)射[2]，我國開始逐步建立北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)（BDS，Bei Dou Navigation Satellite System）。2013年12月27日，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式提供區(qū)域服務(wù)一周年新聞發(fā)布會(huì)在國務(wù)院新聞辦公室新聞發(fā)布廳召開，正式發(fā)布了《北斗系統(tǒng)公開服務(wù)性能規(guī)范（1.0版）》和《北斗系統(tǒng)空間信號接口控制文件（2.0版）》兩個(gè)系統(tǒng)文件[2]。BDS具備了區(qū)域?qū)Ш?、定位和授時(shí)能力，定位精度優(yōu)于20m，授時(shí)精度優(yōu)于100ns，實(shí)現(xiàn)了繼美國全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS，GlobalPositioning System）和俄羅斯全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS，Global Navigation Satellite System）之后，自主知識產(chǎn)權(quán)的全球定位技術(shù)突破。

RTK（RTK，Real Time Kinematic）是一種基于載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分方法的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)GPS測量技術(shù)[3]，該技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)地提供測站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，可達(dá)到厘米級的精度，因此該技術(shù)有效提高了電力工程地形勘測效率和準(zhǔn)確度。

（2）遙感系統(tǒng)（RS，Remote Sensing system）

RS技術(shù)是通過人造衛(wèi)星上的遙測設(shè)備實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距、非接觸探測功能，其利用物體自身所特有的電磁波信息（電磁場、地震波等）進(jìn)行探測，可實(shí)施感應(yīng)遙測和資源管理等探測監(jiān)控分析。一個(gè)完整的遙感系統(tǒng)包括信息源（探測目標(biāo)自身所反射、吸收、透射及輻射電磁波）、信息感知（利用遙感探測裝置獲取目標(biāo)電磁波）、信息處理（通過光學(xué)理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)對遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處理和解譯呈現(xiàn)）、信息應(yīng)用（將遙感信息與應(yīng)用領(lǐng)域相結(jié)合形成個(gè)性化信息挖掘、信息可視化等）。RS技術(shù)具有觀測面積廣闊、數(shù)據(jù)時(shí)效性強(qiáng)、數(shù)據(jù)信息量全面、受限因素少等特點(diǎn)，因此經(jīng)常應(yīng)用于應(yīng)急災(zāi)害監(jiān)測、農(nóng)業(yè)態(tài)勢監(jiān)測、環(huán)境污染監(jiān)管、電力勘測設(shè)計(jì)等領(lǐng)域[4]。從地理信息數(shù)據(jù)獲取方法角度而言，GPS關(guān)注地理位置數(shù)據(jù)，而RS獲得的是地理本身特征數(shù)據(jù)。

圖1　衛(wèi)星遙測圖像

如圖1所示，采用民用高分辨率立體測繪衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)與Google Earth、百度等衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)相結(jié)合以提高圖像分辨率，同時(shí)融合GPS技術(shù)可實(shí)現(xiàn)在電力勘測工程階段的應(yīng)用設(shè)計(jì)[5、6]。

（3）地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）

GIS技術(shù)依托計(jì)算機(jī)技術(shù)（如多維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分布式系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)龋?、地理?shù)據(jù)處理方法（如空間分析技術(shù)、環(huán)境數(shù)字化與模擬技術(shù)、大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)等模型算法），實(shí)現(xiàn)了地理信息數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用，其功能包括數(shù)據(jù)格式解析處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)挖掘、數(shù)據(jù)展示呈現(xiàn)、數(shù)據(jù)分析應(yīng)用等[7]。

GIS技術(shù)數(shù)據(jù)來源包括GPS數(shù)據(jù)和RS數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括了空間位置屬性（經(jīng)緯度、相對位置與絕對位置等）、屬性表征信息（土壤材質(zhì)、長度寬度等）和時(shí)間變化特征（記錄時(shí)間、測量時(shí)刻等）。GPS數(shù)據(jù)和RS數(shù)據(jù)蘊(yùn)含著巨大的信息量和分析價(jià)值，結(jié)合電力勘測設(shè)計(jì)需求對上述數(shù)據(jù)信息的充分挖掘和科學(xué)融合是GIS技術(shù)應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)和價(jià)值點(diǎn)。

3　無人機(jī)勘測技術(shù)及數(shù)據(jù)處理方法

無人機(jī)（UAV，Unmanned Aerial Vehicle）是通過無線電遙控裝置或者預(yù)先設(shè)定巡航程序操縱控制的無人駕駛飛行器。UAV最初用于軍事靶機(jī)應(yīng)用（地面防空或者空戰(zhàn)訓(xùn)練等），隨著航空技術(shù)的發(fā)展，逐步在航空材料、續(xù)航能力、承載重量、航線控制、遠(yuǎn)距通信、抗干擾等方面有了提高，并提升了圖像數(shù)據(jù)的傳輸速率及傳輸質(zhì)量[8]。

如圖2所示，典型的航測無人機(jī)由設(shè)備機(jī)身、動(dòng)力引擎、自動(dòng)駕駛儀、信號天線等構(gòu)成。動(dòng)力引擎包括電動(dòng)模式和油動(dòng)模式；航行起落包括拋擲模式、彈射模式、直升模式等方式。無人機(jī)的發(fā)射和回收可根據(jù)所處環(huán)境，適用于多種承載平臺（地面、車輛、艦船、航空器、亞軌道飛行器和衛(wèi)星）。為了保證航測的準(zhǔn)確性，可以實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測航行高度和航行方向并且及時(shí)調(diào)整其所搭載的航攝裝置、GPS設(shè)備等測繪儀器[9]。

圖2　無人機(jī)（UAV，Unmanned Aerial Vehicle）

較衛(wèi)星遙測（RS）而言，無人機(jī)勘測技術(shù)具有人力物力資源集約化、勘測手段方式靈活、數(shù)據(jù)獲取及時(shí)、數(shù)據(jù)處理自主化、勘測目標(biāo)適應(yīng)性強(qiáng)、外部環(huán)境影響因素少等特點(diǎn)。在惡劣緊迫的電力勘測搶險(xiǎn)環(huán)境中，可以采用在云層下方低空飛行的方式，該方式合理規(guī)避了云層遮擋等環(huán)境因素導(dǎo)致的圖像模糊、航拍空洞、數(shù)據(jù)異常等問題[10]。無人機(jī)勘測技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)“一村一圖”、“百鎮(zhèn)千村測圖”的精準(zhǔn)電力勘測大數(shù)據(jù)資源。

隨著能源存儲(chǔ)技術(shù)和光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)可以在更大區(qū)域內(nèi)實(shí)時(shí)捕獲更高分辨率的圖像[11、12]。無人機(jī)勘測與GPS技術(shù)、GIS技術(shù)的相互融合可以更加便于進(jìn)行三維數(shù)據(jù)的控制采集和處理分析。由于其飛行高度低，因此圖像分辨率可以達(dá)到二厘米至五厘米級；無人機(jī)勘測周期可以按照小時(shí)計(jì)算，大大優(yōu)于傳統(tǒng)方式的幾天甚至幾個(gè)月[13、14]。

無人機(jī)勘測技術(shù)在電力勘測設(shè)計(jì)工程實(shí)踐中的應(yīng)用價(jià)值正在逐步突顯，然而在實(shí)際工程應(yīng)用中仍有相關(guān)技術(shù)環(huán)節(jié)需要特別注意：在電力工程航測前須對圖像采集裝置進(jìn)行校準(zhǔn)（焦距、像元大小、主點(diǎn)偏移等）；盡量采用較高的定位精度和定姿精度；圖像數(shù)據(jù)應(yīng)采用TIFF 格式（文件擴(kuò)展名為.tif或者.tiff等），該格式圖像文件可以顯示上百萬種顏色，較GIF或者JPEG格式圖像文件而言，其在壓縮過程中能夠保存的信息量更完備。

通過無人機(jī)航拍獲得的圖像數(shù)據(jù)，需要選擇相應(yīng)的工程圖像處理軟件進(jìn)行畸變校正、空三加密、正射糾正、鑲嵌勻色等一系列后處理環(huán)節(jié)進(jìn)行分析處理。無人機(jī)勘測數(shù)據(jù)處理方法如下：

（1）對無人機(jī)勘測圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何畸變校正[15]，幾何畸變主要來自傳感器自身性能指標(biāo)偏移和外部因素（無人機(jī)的姿態(tài)、高度、速度以及地球自轉(zhuǎn)等）導(dǎo)致的勘測圖像數(shù)據(jù)的扭曲、拉伸和偏移等。

（2）導(dǎo)入無人機(jī)勘測數(shù)據(jù)影像（航線方向、飛行高度、焦距像素、航帶間重疊度等），調(diào)整勘測區(qū)并形成POS數(shù)據(jù)信息（該數(shù)據(jù)包括數(shù)據(jù)編號、圖像采集時(shí)間、經(jīng)緯度、飛行高度、飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)、航向等）。

（3）導(dǎo)入無人機(jī)勘測設(shè)備參數(shù)、數(shù)據(jù)影響及POS數(shù)據(jù)信息，采用逐層放大的近似高斯濾波器對輸入影像的積分圖像進(jìn)行重采樣操作（雙線性插值、最臨近像元法、三次卷積法）形成影像金字塔。金字塔從底層開始將每四個(gè)相鄰的像素重采樣生成新的像素，重復(fù)迭代直至金字塔的頂層。三種重采樣的方法中最臨近像元法速度最快，三次卷積法由于需考慮參考點(diǎn)數(shù)較多、運(yùn)算較復(fù)雜等原因?qū)е滤俣茸盥?但是其處理后圖像的灰度效果較好。

（4）通過空三加密對具有重疊的無人機(jī)勘測影像進(jìn)行自動(dòng)匹配連接點(diǎn)，獲取每張影像的相對姿態(tài)位置并使得自動(dòng)匹配的連接點(diǎn)在整個(gè)測區(qū)具有密集的分布。

（5）基于空三成果形成匹配3D點(diǎn)云，其密度可達(dá)到一個(gè)像素一個(gè)高程點(diǎn)，進(jìn)一步將提取的數(shù)字表面模型（DSM，Digital Surface Model）/數(shù)字地面模型（DTM，Digital Terrain Model）進(jìn)行彩色化、鑲嵌勻色等操作流程后可形成勘測地理圖像[16]。

（6）利用立體匹配片原理將正射影像（DOM）和數(shù)字地面模型（DEM）有機(jī)地結(jié)合，就可以建立具有量測功能的三維可視化立體模型。建立大場景三維立體模型，在三維可視化環(huán)境中選線，使設(shè)計(jì)人員更容易進(jìn)行地形、地物、地貌的判讀。

4　結(jié)語

電力建設(shè)在國家戰(zhàn)略規(guī)劃、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、行業(yè)基礎(chǔ)支撐等方面具有關(guān)鍵性作用，其工程勘測設(shè)計(jì)的手段和方法起到了重要的輔助功能。無人機(jī)勘測技術(shù)體現(xiàn)出了科學(xué)技術(shù)發(fā)展所帶來的高效性和便捷性。隨著新技術(shù)、新模式、新需求的提升，群體智能控制理論、大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將逐步滲透并為電力勘測技術(shù)注入新鮮且持續(xù)的發(fā)展動(dòng)力，新測試測量方式和整體解決方案將賦予電力勘測全新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

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于君（1985-），女，河南周口人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司，主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)技術(shù)、電力勘測設(shè)計(jì)技術(shù)。

摘要：伴隨著光學(xué)技術(shù)、航空技術(shù)、地理信息技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，電力勘測技術(shù)也由傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙測逐步向無人機(jī)勘測階段探索實(shí)踐。本文首先介紹了電力勘測技術(shù)中“3S技術(shù)（GPS技術(shù)、RS技術(shù)、GIS技術(shù)）”，然后探討了無人機(jī)（UAV）技術(shù)的特點(diǎn)與優(yōu)勢，分析了UAV技術(shù)在電力勘測設(shè)計(jì)中的價(jià)值作用和工程應(yīng)用，并討論了無人機(jī)勘測數(shù)據(jù)處理流程方法。

關(guān)鍵詞：電力勘測技術(shù)；GPS技術(shù)；RS技術(shù)；GIS技術(shù)；無人機(jī)勘測技術(shù)

Research on Engineering Application of Unmanned Air Vehicle Technique in Electric Power Survey & Design

Abstract:The traditional satellite telemetry has been changed to the UAV(Unmanned Air Vehicle)technique in electric exploration and design,with the development and application of optical technology,aviation technology,and geo-information technology.The article first discusses “3S technology(global positioning system,remote sensing,and geographic information system)”,and the advantages and characteristics of UAV technique has then been discussed.The application value and function of unmanned air vehicle technique has been analyzed,UAV exploration data processing methods were also discussed.

Key words:Electric power survey & design; GPS technique; RS technique; GIS technique; Unmanned air vehicle electric power survey & design

作者簡介

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1003-0492(2016)02-0080-03

中圖分類號：TP242.6