多旋翼無人機的航空攝影測量技術(shù)在電力測繪中的應(yīng)用

張政 竇杰 陳冀渝

摘 要：隨著無人機技術(shù)的飛速發(fā)展，無人機在遠程遙控、續(xù)航時間、飛行品質(zhì)上有了明顯的突破，從而為其在電力作業(yè)中的應(yīng)用提供了良好的發(fā)展前景。無人機技術(shù)的發(fā)展為架空輸電線路巡檢工作提供了新的平臺，借助無人直升機，通過遙感技術(shù)應(yīng)用，采用多傳感器集成的方法，可實現(xiàn)電力線路安全巡檢工作的高效和全自動化開展。本文主要以多旋翼無人機為研究對象，通過分析以多旋翼無人機為飛行平臺的低空攝影測量技術(shù)的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)和處理系統(tǒng)，研究其在電力測繪，特別是在電力線路巡檢中的應(yīng)用，為在電力系統(tǒng)線路巡檢、維修等方面提供一定的技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：電力輸電線路巡檢；無人機；攝影測量；航空攝影數(shù)據(jù)處理

0 引言

隨著我國信息科學(xué)和相關(guān)應(yīng)用的快速發(fā)展，我國各行業(yè)對空間數(shù)據(jù)的需求也急劇增長。但目前，對于空間數(shù)據(jù)，特別是高分辨率空間數(shù)據(jù)的獲取渠道仍然局限于國外遙感衛(wèi)星影像、大飛機航拍等，造成數(shù)據(jù)重復(fù)采集，資金耗費大，數(shù)據(jù)處理工作復(fù)雜，時效性和靈活性也遠不能滿足實際需求。無人駕駛飛機簡稱無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV），是一種有動力、可控制、能攜帶多種任務(wù)設(shè)備、執(zhí)行多種任務(wù)，并能重復(fù)使用的無人駕駛航空器[1]。無人機遙感（UAV remote sensing，UAVRS）是利用先進的無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、通信技術(shù)、POS定位定姿技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)，具有自動化、智能化、專業(yè)化快速獲取國土、資源、環(huán)境、事件等空間遙感信息，并進行實時處理、建模和分析的先進新興航空遙感技術(shù)解決方案[2]。近年來，國內(nèi)外電力企業(yè)紛紛開展無人飛行器在電力系統(tǒng)線路巡視應(yīng)用的可行性研究，無人飛行器巡檢線路具有不受地形環(huán)境限制、費用與效率之比較高等優(yōu)勢，同時無需顧慮其意外墜毀可能導(dǎo)致的機上人員傷亡等問題，因此備受電力行業(yè)的歡迎[3-4]。無人機主要包括無人直升機、固定翼機、多旋翼飛行器、無人飛艇、無人傘翼機。廣義地看也包括臨近空間飛行器（20～100千米空域），如平流層飛艇、高空氣球、太陽能無人機等。從某種角度來看，無人機可以在無人駕駛的條件下完成復(fù)雜空中飛行任務(wù)和各種負(fù)載任務(wù)，可以被看做是“空中機器人”。在眾多類型的無人機中，多旋翼無人機能夠更有效、更自主、更廉價地進行高分辨率空間數(shù)據(jù)采集，大大降低數(shù)據(jù)采集的經(jīng)濟代價和時間代價，填補了分散小面積高分辨率空間數(shù)據(jù)采集航空攝影專業(yè)的空白。與此同時，基于攝影測量技術(shù)空間數(shù)據(jù)管理軟件的使用，實現(xiàn)了無人機攝影測量一體化的整合集成，更加適應(yīng)規(guī)?；娏y繪生產(chǎn)需要。

1 多旋翼航空攝影測量

1.1 技術(shù)簡介

多旋翼低空攝影測量以多旋翼無人機為飛行平臺，是為電力輸電線路測繪提供更為準(zhǔn)確、快速、直觀的測繪方法。多旋翼無人機攜帶的高清攝像頭所獲取的目標(biāo)區(qū)域航拍影像（圖像）作為輸入，同時實現(xiàn)航跡的規(guī)劃和監(jiān)控，通過計算機視覺、航空測量學(xué)以及計算機圖形學(xué)等相關(guān)算法，快速、精確地對目標(biāo)區(qū)域場景進行三維建模，基于構(gòu)建好的目標(biāo)區(qū)域三維模型，進一步完成線路交跨、通道情況等數(shù)據(jù)的測繪[5]。經(jīng)過實際項目檢驗，可滿足不同航測項目需求。多旋翼無人機低空攝影測量作為一項空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段，具有輕小、續(xù)航時間長、影像實時傳輸、高危地區(qū)探測、成本低、高分辨率、機動靈活等優(yōu)點，是衛(wèi)星遙感與有人機航空遙感的有力補充，在國外已得到廣泛應(yīng)用[6]。而隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷進步，無人機低空攝影平臺的研究 在無人機總體工業(yè)設(shè)計、計算機飛行控制系統(tǒng)、組合導(dǎo)航系統(tǒng)、中繼數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)、傳感器技術(shù)、圖像獲取及傳輸系統(tǒng)、計算機數(shù)據(jù)處理等諸多技術(shù)領(lǐng)域都有了長足的進步，達到了實際應(yīng)用水平。

1.2 技術(shù)關(guān)鍵點

攝影測量技術(shù)的主要目的是獲取地物多個方位的信息并可供用戶多角度瀏覽，實時量測，三維瀏覽等獲取多方面的信息，利用小型化、高可靠性、通用性強的無人機航測系統(tǒng)，無人機拍攝的圖像，直接構(gòu)建目標(biāo)區(qū)域的三維模型，并提供多種量測功能；并能夠滿足應(yīng)急、定時定點監(jiān)測等無人機優(yōu)勢體現(xiàn)需求。多旋翼無人機系統(tǒng)，具有載重量大、續(xù)航時間長、體積小、重量輕、目標(biāo)特性小，使用快捷、機動靈活、操作使用及維修簡便等特點，自成體系獨立執(zhí)行飛行任務(wù)。需要解決以下3個關(guān)鍵技術(shù)問題：（1）穩(wěn)定的多旋翼無人機飛行平臺及操控系統(tǒng)。（2）高精度航拍攝像系統(tǒng)。（3）專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件處理航拍數(shù)據(jù)。

1.3 多旋翼飛行平臺

如圖1所示，無人機低空攝影測量系統(tǒng)主要由無人機飛行平臺（如圖2所示）、高分辨率數(shù)碼傳感器、定位與自動駕駛系統(tǒng)及影像處理系統(tǒng)等4個部分組成，提供同時配合無人機的運輸及操控的便利性還包括相應(yīng)的地面運輸及測控設(shè)備。（1）多旋翼選用自主駕駛飛控系統(tǒng)，大大提高飛控穩(wěn)定性。（2）可攜帶多種任務(wù)載荷。（3）可用于執(zhí)行資料收集、測量、檢測、偵查等多種空中任務(wù)，在航空測繪領(lǐng)域能發(fā)揮其高效、機動性強的特點，能對目標(biāo)物進行遠距離監(jiān)視。

2 數(shù)據(jù)采集及處理

2.1 多旋翼無人機數(shù)據(jù)采集過程

多旋翼無人機在數(shù)據(jù)采集過程中主要通過飛行控制系統(tǒng)來進行操作，如圖3所示，無人機飛行控制系統(tǒng)主要是利用 GPS 等導(dǎo)航定位提供信號，并采集加速度計、陀螺等飛行器平臺的動態(tài)信息，通過INS/GPS 組合導(dǎo)航算法解算無人機在飛行中的俯仰、橫滾、偏航、位置、速度、高度、空速等信息，以及接收處理地面發(fā)射的測控信息，用體積小巧的嵌入式中央處理器形成以機載控制計算機為核心的電子導(dǎo)航設(shè)備，對無人機進行數(shù)字化控制，使其具有自主智能超視距自主飛行、自動進行數(shù)據(jù)采集的能力。系統(tǒng)硬件平臺帶有高清照相機的小型無人機，主要負(fù)責(zé)完成目標(biāo)區(qū)域航空影像的拍攝任務(wù)。

2.2 專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件處理航拍數(shù)據(jù)

在獲取航拍數(shù)據(jù)后，如圖4所示，利用專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進行處理，軟件平臺為PHOTOSACN和CASSANDRA的基于序列影像的場景快速三維建模以及測量軟件，該軟件利用無人機拍攝的圖像，直接構(gòu)建目標(biāo)區(qū)域的三維模型，并提供多種量測功能。軟件主要功能如下：

（1）無需人工干預(yù)，系統(tǒng)可以根據(jù)航拍圖像自動完成三維建模任務(wù)。

（2）與激光雷達測距方法相比具有成本低廉，運行速度快（可以達到準(zhǔn)實時）、自動化程度高等特點。

（3）能夠精確獲取場景尺寸、高程、距離以及面積等信息。

（4）系統(tǒng)可擴展性好，可以與現(xiàn)有任何具有圖像采集功能的無人飛行設(shè)備配合工作。

3 總結(jié)

無人機攝影測量技術(shù)不僅能夠真實地反映地物情況，而且可通過先進的定位技術(shù)，嵌入精確的地理信息、更豐富的影像信息、更高級的用戶體驗，極大地擴展遙感影像的應(yīng)用領(lǐng)域，使遙感影像的行業(yè)應(yīng)用更加深入。實現(xiàn)輸電線路地形數(shù)據(jù)的可視化，根據(jù)已知的電力資產(chǎn)信息建立資產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫，增加三維模型的拓?fù)潢P(guān)系和詳細(xì)的資產(chǎn)信息，實現(xiàn)電力資產(chǎn)的三維可規(guī)化管理[7]。根據(jù)電塔上的監(jiān)控設(shè)備傳回的數(shù)據(jù)，在三維數(shù)字化電網(wǎng)的基礎(chǔ)上進行各種專業(yè)電力分析，如預(yù)測模擬溫度、風(fēng)速、冰雪覆蓋條件下弧垂發(fā)生情況，模擬樹木生長情況，為線路管理決策提供有力支撐。

參考文獻

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