四旋翼無人機在輸變電工程環(huán)評中的應(yīng)用

王文兵，曹文勤，李立

(1.江蘇省輻射環(huán)境保護咨詢中心，江蘇南京 210019；2.江蘇省電力公司，江蘇南京 210024;3.無錫供電公司，江蘇無錫 214061)

四旋翼無人機在輸變電工程環(huán)評中的應(yīng)用

王文兵1，曹文勤2，李立3

(1.江蘇省輻射環(huán)境保護咨詢中心，江蘇南京 210019；2.江蘇省電力公司，江蘇南京 210024;3.無錫供電公司，江蘇無錫 214061)

社會經(jīng)濟的快速發(fā)展導(dǎo)致電力需求不斷增加，高壓輸電線路不斷增多。線路穿越地區(qū)往往地形復(fù)雜且變化較大，使用傳統(tǒng)人工方式進(jìn)行輸電線路及周邊敏感目標(biāo)等信息的現(xiàn)場勘察難度較大。對無人機(UVA)遙感技術(shù)在輸變電環(huán)評前期準(zhǔn)備及后期資料處理中的應(yīng)用進(jìn)行了簡要介紹，同時選擇特定地點進(jìn)行航拍實驗并與衛(wèi)星地圖相對比。結(jié)果顯示，無人機遙感技術(shù)獲得的準(zhǔn)確、可靠、具有時效性的現(xiàn)場資料能夠被環(huán)評使用，降低輸變電工程環(huán)評成本及工作時間。

輸電線路；環(huán)評；敏感目標(biāo)；無人機；遙感技術(shù)

輸變電工程可研階段的環(huán)境影響評價與實際運行階段的生態(tài)驗收調(diào)查，可統(tǒng)稱為輸變電工程環(huán)評。此類項目的特點是多分布在野外、點多面廣、所處地形復(fù)雜，且輸電線路一般長達(dá)幾公里、幾十公里甚至上百公里，并可能跨越農(nóng)村、城市生態(tài)保護區(qū)等不同地區(qū)及平原、山區(qū)、林地等多種地貌，人員難以進(jìn)入整條線路進(jìn)行現(xiàn)場勘察，耗時耗力。在工作中，要確保環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、影像等資料的精確性、可靠性和時效性，往往需要調(diào)查單位投入大量人力物力，急需利用高科技、新技術(shù)來提高工作效率，降低工作成本[1-2]。

無人機低空遙感系統(tǒng)(UAVRS)采用無人機為飛行平臺，搭載相機等數(shù)字遙感設(shè)備進(jìn)行拍攝和記錄，通過遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)行影像傳輸，以實現(xiàn)對地理信息的實時調(diào)查與監(jiān)測[3]。作為一項有潛力的新興技術(shù)，無人機遙感在過去幾十年里得到了快速發(fā)展，在諸如地理測繪、城市規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)察、土地和資源勘探、軍事偵察和考古等多個領(lǐng)域中發(fā)揮著無可替代的作用[4-5]。本文以無人機尤其是四旋翼無人機在江蘇某縣的應(yīng)用為例，研究、探討無人機航測技術(shù)在輸變電線路環(huán)境影響評價中的應(yīng)用。

1 前期準(zhǔn)備及后期數(shù)據(jù)處理

1.1 無人機種類

無人機具有重量輕、體積小、成本低、機動靈活、能夠通過地面運輸快速到達(dá)指定區(qū)域、定點起飛降落且對起降場地要求低等優(yōu)勢[6]。目前，在輸變電工程環(huán)境管理中，常用的無人機主要分為固定翼及多旋翼[2]，多旋翼又以四旋翼最為常見。多旋翼無人機飛行靈活、操控靈敏、飛行穩(wěn)定性高、抗風(fēng)性能好、無須起降場地、可懸停、可獲得高質(zhì)量影像，但其續(xù)航能力較差，適用于短距離拍攝，可以用來拍攝各個輸電線路鐵塔的詳細(xì)資料等。固定翼無人機具有速度快、滯空時間長、飛行半徑大等優(yōu)勢，能夠滿足長距離作業(yè)要求，可用作長距離巡線及視頻拍攝[7]?？紤]到輸變電工程環(huán)評一般不需要進(jìn)行大范圍、遠(yuǎn)距離的航拍作業(yè)，僅在環(huán)境情況較復(fù)雜、敏感目標(biāo)較多或穿越生態(tài)保護區(qū)等情況下才需要使用無人機作為輔助手段，因此使用四旋翼無人機的情況較為多見。

1.2 航拍前期準(zhǔn)備

做好充分的準(zhǔn)備工作是獲得優(yōu)質(zhì)航拍數(shù)據(jù)的前提，因此擬定一套可行的飛行方案尤為重要。

(1)航拍區(qū)域的確定：通過衛(wèi)星地圖軟件對航拍區(qū)域的地形地貌進(jìn)行初步了解，了解該區(qū)域是否為空管區(qū)，根據(jù)《民用無人駕駛航空器系統(tǒng)駕駛員管理暫行規(guī)定》，重量小于等于7 kg的微型無人機，飛行范圍在目視視距內(nèi)半徑500 m、相對高度低于120 m的范圍內(nèi)，無須證照管理，這也是優(yōu)先選用四旋翼無人機開展工作的理由之一。

(2)航拍目的的確定：獲得輸變電工程所在區(qū)域高清影像資料。

(3)無人機型號及拍攝設(shè)備的選定：可根據(jù)航拍所要獲得的輸變電線路現(xiàn)場資料，如兩座輸電線路鐵塔周邊及輸電線下方的建筑物數(shù)量、距離等，來確定此次航拍需何種性能的無人機(包括大小、續(xù)航能力以及載重能力等)及搭載的拍攝設(shè)備型號等。

(4)航線的設(shè)定：結(jié)合航拍目標(biāo)設(shè)定飛行航線。其中，旋翼無人機主要拍攝短距離目標(biāo)，航線可根據(jù)現(xiàn)場情況確定；固定翼無人機航拍距離遠(yuǎn)，以起始點及轉(zhuǎn)角點坐標(biāo)設(shè)置航線。與此同時，待航線確定完成后，準(zhǔn)備相應(yīng)距離最大(如逆風(fēng)、起始飛行盤旋耗電等)電源消耗數(shù)量。

(5)航拍時間的確定：天氣作為影響航拍的主要因素，航拍時間應(yīng)定在晴好天氣(風(fēng)速小、能見度高、地面有無積雪等)進(jìn)行外出作業(yè)。

在實際工作中，若航拍的主要對象為變電站項目或較短的線路工程，優(yōu)先選用四旋翼無人機；若航拍對象為較長的線路工程或穿越較大區(qū)域的生態(tài)區(qū)，為保證續(xù)航能力，提高工作效率，避免發(fā)生事故，優(yōu)先選用固定翼無人機。

1.3 遙感數(shù)據(jù)后處理

由于成像設(shè)備的限制，無法一次性獲取一整片區(qū)域的高清圖像，因此需要利用圖像拼接技術(shù)[8]，將多組單張照片拼接為該區(qū)域的全景照。目前常用的照片拼接方法主要有圖像灰度法、變換域法及圖像特征法[9]。具體處理步驟如下：

(1)整理所獲得的正確影像資料。選取清晰照片，每張照片都有與之對應(yīng)的GPS坐標(biāo)信息和拍攝高度。

(2)使用軟件進(jìn)行圖片特征運算及匹配。將圖片和坐標(biāo)點導(dǎo)入PIX4D軟件，進(jìn)行特征識別、匹配。選擇默認(rèn)的3D地圖選項，通過初步處理得到一些點云數(shù)據(jù)，再抽樣檢查各個點位置是否正確、是否存在錯位，并對錯位的地方進(jìn)行手動修正。

(3)人工修正連接點和加密點云數(shù)據(jù)。找到連接點的正確點位，在圖1中標(biāo)記，隨著點數(shù)的增加而更加精確。對于高壓線的圖像拼接，會存在錯位，進(jìn)而導(dǎo)致線路斷線，因此需要尋找足夠多的特征點進(jìn)行人工連接。圖2中線塔的各個頂點都需作為人工連接點。完成對塔位置的修正之后，再對斷線的地方進(jìn)行修正，但線路修正有個難點，即線路上的點位置不能準(zhǔn)確定位，需要多次嘗試修正點位直至線路完全吻合。

圖1 軟件修正截圖Fig.1 Screenshots fixed by software

圖2 人工連接點選擇Fig.2 Selection of manual connection points

(4)正攝影像圖的生成。點云加密運算完成之后，檢查點位準(zhǔn)確無誤則可進(jìn)行正攝圖鑲嵌，鑲嵌結(jié)束后經(jīng)過重復(fù)錯位糾正，即可得到正攝影像圖。

2 四旋翼無人機實踐應(yīng)用分析

2.1 航拍前期準(zhǔn)備

為了解無人機航拍在輸變電線路中的拍攝效果能否為環(huán)評所服務(wù)，以調(diào)查蘇南某縣級市兩條道路交叉口已建成的兩座高壓鐵塔間的環(huán)境現(xiàn)狀為例，進(jìn)行航拍實驗。

(1)航拍區(qū)域：蘇南某縣級市兩條道路交叉口。

(2)航拍目的：準(zhǔn)確收集輸變電線路兩側(cè)下方及鐵塔周邊敏感點的數(shù)量、相對位置、距離等信息。

(3)設(shè)備選擇：兩座鐵塔之間距離較短，因此選擇四旋翼無人機搭載高清相機。其中，云臺為3-軸(俯仰、橫滾、偏航)，可控轉(zhuǎn)動范圍為俯仰-90°至+30°，相機鏡頭為FOV 94° 20 mm (35 mm格式等效)f/2.8對焦點無窮遠(yuǎn)，傳感器1/2.3英寸CMOS。

(4)航線設(shè)定：以兩座鐵塔連線為中心線，在高于鐵塔50 m處的兩側(cè)進(jìn)行航拍。

(5)作業(yè)時間：2015年10月19日，天氣狀況為微風(fēng)(地面10 m高度風(fēng)速為3.5～5.4 m/s)、多云、能見度高。

2.2 航拍結(jié)果分析

2.2.1 航拍照片分析

通過調(diào)節(jié)高壓線不同的高度參數(shù)，將航拍所得部分照片進(jìn)行糅合，結(jié)果如圖3所示。

圖3(a)為該段線路航拍的部分源照片，從圖中可以看出，每張照片所涵蓋范圍較小，但是能夠高清呈現(xiàn)出地面信息；圖3(b)為第一次采用本實驗方法進(jìn)行拼接后的照片，從圖中白色橢圓中可以清楚看出，輸電線路出現(xiàn)斷線現(xiàn)象；圖3(c)與圖3(b)為同一鐵塔、相同的源照片，經(jīng)過調(diào)整合適的高壓線高度參數(shù)后，拼接形成的效果圖，能夠看出輸電線沒有出現(xiàn)斷線的情況；圖3(d)為該段線路全景圖，圖中紅圈為兩座鋼鐵塔，圖中能夠清晰看到6條輸電線未出現(xiàn)斷痕，兩座鐵塔周邊、輸電線路下方的地形地貌及建筑情況清楚地反映在全景圖中。

將實驗中采用四旋翼無人機航拍獲得的效果圖與常用衛(wèi)星地圖在相同地點的截圖進(jìn)行對比，結(jié)果如圖4所示。

圖3 拼接前后效果Fig.3 Effect picture before and after joining together

圖4 各圖拍攝效果對比Fig.4 Comparison between different images

江蘇省蘇南某縣級市兩條道路交叉口附近的兩座鐵塔百度衛(wèi)星地圖、天地圖衛(wèi)星地圖分別如圖4(a)、(b)所示，其圖中紅色圓圈分別為該段線路中的兩座鐵塔。將航拍所得全景圖與該段線路的百度地圖、天地圖進(jìn)行比對可見，天地圖與百度地圖中只能模糊看見輸變電設(shè)施中的鐵塔，并不能看清線路，天地圖較百度地圖分辨率高，但兩者的分辨率都不及航拍全景圖；圖4(a)、(b)中的白色矩形區(qū)域與圖3(d)相比，存在準(zhǔn)確性及時效性等問題，例如圖4(b)中，右下角白色矩形區(qū)域房子在建，而最新航拍結(jié)果顯示已建成。

圖4(c)、(d)、(e)分別同一個鐵塔航拍、百度地圖及天地圖中的放大效果圖。將圖4(c)、(d)、(e)進(jìn)行對比，可以看出無論是百度衛(wèi)星地圖還是天地圖，其分辨率都遠(yuǎn)低于航拍，并且百度衛(wèi)星地圖中只能看見鐵塔的影子，天地圖中只能看見鐵塔模糊的樣子，并不能看出有輸電線的存在，因此相比于衛(wèi)星地圖，采用無人機遙感技術(shù)航拍的照片具有更高的信息準(zhǔn)確性、時效性。

2.2.2 應(yīng)用前景分析

(1)在環(huán)評中的應(yīng)用。環(huán)評工作需要進(jìn)行前期現(xiàn)場勘查，考察線路走向、變電站站址以及線路周邊的敏感目標(biāo)。通過前期航拍全景圖，不僅能夠確定輸變電設(shè)施周邊敏感目標(biāo)，確定需要進(jìn)行本底值監(jiān)測的目標(biāo)點位，而且在敏感目標(biāo)較多的情況下，如圖3(d)線路下的敏感目標(biāo)，能夠輕易得到敏感目標(biāo)的數(shù)量，無須人員進(jìn)行挨個細(xì)數(shù)，大大節(jié)約工作時間和成本且不易出錯。當(dāng)項目與生態(tài)保護區(qū)，尤其是一級管控區(qū)位置可能有所重合時，可借用無人機航拍技術(shù)明確項目與保護區(qū)位置關(guān)系，為建設(shè)單位、環(huán)評單位及環(huán)保部門選所選線、科學(xué)評價提供幫助。

(2)在環(huán)評驗收中的應(yīng)用。在項目后期驗收中，無人機遙感技術(shù)能夠進(jìn)行整條輸變電線路的視頻航拍，從而觀察線路建設(shè)是否與環(huán)評相符，以及對重要敏感目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行定點拍攝，觀察線路下方是否有違建等情況。摸清項目周圍環(huán)境敏感目標(biāo)分布情況，可以為調(diào)查單位合理安排工作計劃提供幫助，也可以作為現(xiàn)場調(diào)查的第一手資料。

3 總結(jié)及展望

3.1 總結(jié)

輸變電工程大多分布在野外，點多面廣，所處地形復(fù)雜，使用傳統(tǒng)人工方式進(jìn)行現(xiàn)場勘察往往耗時耗力。無人機遙感技術(shù)在輸變電工程項目環(huán)評、環(huán)評驗收等工作中能夠發(fā)揮巨大作用：

(1)在距離地面約60 m的飛行高度，無人機航拍能夠清晰地獲取輸變電線路下方及周邊地形地貌、敏感目標(biāo)等詳細(xì)情況，通過軟件可以將航拍照片進(jìn)行無縫拼接，反映整個輸變電工程的最新情況。

(2)無人機遙感技術(shù)獲得現(xiàn)場全景圖與常用衛(wèi)星地圖截圖相比，具有更高的清晰度，可信度更強。因此無人機遙感技術(shù)獲得的資料具有準(zhǔn)確、可靠、時效性強等特點，能夠為輸變電項目環(huán)評及驗收工作服務(wù)，將會大大降低工作成本和縮短工作時間。

(3)將無人機遙感技術(shù)與現(xiàn)有衛(wèi)星地圖結(jié)合，利用衛(wèi)星地圖了解輸變電線路中人員較難到達(dá)或敏感目標(biāo)較多且不易確定的區(qū)域，繼而采用無人機對特定區(qū)域進(jìn)行航拍，可獲得準(zhǔn)確、實時的信息資料，為環(huán)評及驗收工作服務(wù)。

(4)雖然無人機航拍前需要進(jìn)行詳細(xì)周密的前期準(zhǔn)備，但整體上仍然可以大大提高工作人員的調(diào)查效率與調(diào)查準(zhǔn)確度，減少時間成本，是減輕環(huán)評工作負(fù)擔(dān)的有效手段。

3.2 展望

目前，推進(jìn)無人機遙感技術(shù)在輸變電環(huán)保管理中的應(yīng)用普及，還需從3個方面著手:首先，需要研發(fā)出體積小、質(zhì)量輕、拍攝分辨率更高的拍攝設(shè)備；其次，需要從無人機載重能力、續(xù)航能力以及抗風(fēng)抗震性能等幾個方面逐漸優(yōu)化和提升；最后，將無人機與監(jiān)測儀器結(jié)合，進(jìn)行遠(yuǎn)程操控現(xiàn)場監(jiān)測等。

隨著科技的進(jìn)步，無人機遙感技術(shù)的分辨率及計算機對照片的處理能力不斷提高，未來可以利用無人機搭載具有更高分辨率、更強防震能力的攝像設(shè)備，結(jié)合現(xiàn)有常用衛(wèi)星影像，將拍攝的整個輸變電線路視頻制作成一個三維動態(tài)視頻，可以從中測量輸變電線路周邊的各個敏感目標(biāo)數(shù)據(jù)，包括建筑高度、建筑物與輸變電線路的距離等環(huán)評中所需要的數(shù)據(jù)信息。

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The Application of Quadrotor UAV in Environmental Impact Assessment of Power Transmission and Transformation Projects

WANG Wen-bing1, CAO Wen-qin2, LI Li3

(1.Jiangsu Radiation Environmental Protection Consultation Center, Nanjing 210019, China; 2.Jiangsu Electric Power Company,Nanjing 210024, China; 3. Wuxi Power Supply Company, Wuxi 214061; China)

Social economy has been developing rapidly, which leads to great power demand, and high voltage transmission lines have increased a lot. The terrain that lines spread over is complicated, therefore the information collection of high voltage transmission lines and sensitive targets by traditional artificial way is quite difficult. In this paper, we gave the brief introduction on early-stage preparations of unmanned plane remote sensing technology, and later data processing during the environmental impact assessment work of power transmission and transformation. We carried out the aerial photo experiment and made comparison with satellite maps in specific locations, the result of which indicated that accuracy, reliability and timeliness information from unmanned plane remote sensing technology could be used in environmental impact assessment to reduce the EIA cost and work time of power transmission and transformation project.

transmission line; environmental impact assessment; sensitive targets; unmanned aerial vehicle; remote sensing technology

2016-02-26

王文兵(1982—)，男，安徽合肥人，工程師，學(xué)士，從事輻射環(huán)境影響評價及監(jiān)測，E-mail：wangwenbing@jsrepc.com

10.14068/j.ceia.2017.02.013

X820.3

A

2095-6444(2017)02-0048-04