基于無人機(jī)航測的技術(shù)流程分析

張成 楊美慶

摘要：基于低空無人機(jī)技術(shù)和全數(shù)字航測路徑優(yōu)化技術(shù)，對(duì)山區(qū)電力線路工程進(jìn)行航空攝影和路徑優(yōu)化，研究利用無人機(jī)航攝技術(shù)，解決零散分布、小區(qū)域、帶狀測區(qū)的航空影像獲取需求，研究全數(shù)字航測路徑優(yōu)化技術(shù)，應(yīng)用于電力線路工程，提高線路勘測設(shè)計(jì)工作效率，提升勘測設(shè)計(jì)水平，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，解決電力線路工程建設(shè)精細(xì)化、智能化的需求。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；航測；山區(qū)；電力工程；路徑優(yōu)化

中圖分類號(hào)： P231文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）05（b）-0000-00

1 引言

市內(nèi)的很多電力線路工程路徑一般都遠(yuǎn)離居民聚居區(qū)域，往往沿著人跡罕至的高山密林地區(qū)布設(shè)，盡可能減少對(duì)人居環(huán)境的影響，同時(shí)避免因?yàn)檎鬟w引起的工程造價(jià)、時(shí)間成本的巨幅上升。這就造成了工程地形條件復(fù)雜，勘測設(shè)計(jì)難度大等現(xiàn)實(shí)困境。如果采用以往輸電線路勘測作業(yè)方式，需要大面積砍伐路徑通道，既不環(huán)保高效也不符合政府關(guān)于“青山掛白”整治的要求。同時(shí)，由于非航測的作業(yè)方式，路徑方案需要在獲得現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)之后才能確定，造成現(xiàn)場勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，而定下的路徑方案缺乏全局觀和整體性，往往會(huì)隨著線路往前推進(jìn)，新出現(xiàn)的種種障礙因素對(duì)前面已選定的方案造成顛覆性的影響，最終造成重復(fù)工作量巨大、效率難以提升、工期滯后。所以采用航測手段輔助電力線路工程勘測設(shè)計(jì)已是大勢所趨。

隨著主干電網(wǎng)基本建成，目前市內(nèi)輸電線路基本以短線路為主，以某鐵路配套220kV輸電線路工程（下稱：本工程）為例，總線路長度為82公里，分散為3段，分布在1萬平方公里的區(qū)域內(nèi)，每段長度20-40公里，如果使用大飛機(jī)航飛，一方面時(shí)間窗口難以保證，另一方面航飛收費(fèi)也較為高昂，從時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)效益兩個(gè)方面來看都表現(xiàn)較差。

隨著近年來無人機(jī)航空攝影技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的測繪工作應(yīng)用無人機(jī)獲取影像數(shù)據(jù)。無人機(jī)體積小巧、機(jī)動(dòng)靈活、生產(chǎn)效率高、綜合成本低，在小區(qū)域和飛行困難地區(qū)的高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優(yōu)勢。本研究利用固定翼無人機(jī)航攝系統(tǒng)，對(duì)本工程項(xiàng)目區(qū)域進(jìn)行航空攝影，獲取影像數(shù)據(jù)后利用Inpho、HelavaDPS等攝影測量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成立體場景，并在該立體場景內(nèi)完成線路路徑優(yōu)化選線工作。

隨著近年來無人機(jī)航空攝影技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的測繪工作應(yīng)用無人機(jī)獲取影像數(shù)據(jù)。無人機(jī)體積小巧、機(jī)動(dòng)靈活、生產(chǎn)效率高、綜合成本低，在小區(qū)域和飛行困難地區(qū)的高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優(yōu)勢。本研究利用固定翼無人機(jī)航攝系統(tǒng)，對(duì)本工程項(xiàng)目區(qū)域進(jìn)行航空攝影，獲取影像數(shù)據(jù)后利用全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成立體場景，并在該立體場景內(nèi)完成線路路徑優(yōu)化選線工作。

2 無人機(jī)航空攝影及航測內(nèi)外業(yè)

圖1 無人機(jī)航空攝影作業(yè)流程

2.1 航帶設(shè)計(jì)

依據(jù)項(xiàng)目任務(wù)書，在無人機(jī)航飛技術(shù)設(shè)計(jì)軟件中，進(jìn)行航攝技術(shù)設(shè)計(jì)。考慮到測區(qū)為零散分布的帶狀高山密林區(qū)域，技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)特加寬部分區(qū)域，以確保加密分區(qū)中可以有足夠的區(qū)域可以選定接邊點(diǎn)。

2.2 航空攝影

采用燃油動(dòng)力無人機(jī)執(zhí)行航飛任務(wù)，搭載傳感器為佳能5DⅡ型數(shù)碼相機(jī)，焦距為35mm，像素尺寸6.41μm，像幅大小5616*3744像素。本項(xiàng)目一共航飛10個(gè)架次，獲取影像超2000片。經(jīng)檢驗(yàn)，96.2%的像片傾角小于5°，像片旋偏角、航線彎曲度均符合規(guī)范要求。

2.3 外業(yè)控制測量與調(diào)繪

本項(xiàng)目外業(yè)控制測量平面采用1980西安坐標(biāo)系，高斯3度帶正形投影，高程采用1985國家高程基準(zhǔn)。航測外控作業(yè)主要利用GPS接收機(jī)進(jìn)行坐標(biāo)點(diǎn)量測，采用GPS-RTK、CORS-RTK等技術(shù)手段進(jìn)行控制測量，沿線路路徑走向合理布設(shè)外業(yè)控制點(diǎn)。共布設(shè)主控網(wǎng)點(diǎn)15個(gè)，像控點(diǎn)186個(gè)，外業(yè)控制成果精度較好。

由于本項(xiàng)目是輸電線路工程，在進(jìn)行像片調(diào)繪時(shí)，從滿足線路工程設(shè)計(jì)、施工的角度出發(fā)，對(duì)關(guān)注點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)繪，對(duì)其他低敏感度地物有選擇的取舍。詳細(xì)調(diào)繪了線路附近的電力線、通訊線、道路、河流以及對(duì)線路路徑走向有影響的地物和地貌，如炸藥庫、采石場等，為后續(xù)的路徑優(yōu)化工作提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.4 空三數(shù)據(jù)處理

本項(xiàng)目按航攝分區(qū)共建立10個(gè)作業(yè)項(xiàng)目，每個(gè)作業(yè)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)一個(gè)目錄，作業(yè)項(xiàng)目的所有相關(guān)數(shù)據(jù)都存入對(duì)應(yīng)目錄。作業(yè)項(xiàng)目建立后進(jìn)行空三作業(yè)，依照影像輸入、內(nèi)定向、圖形區(qū)域建立、自動(dòng)點(diǎn)測量、交互式編輯、控制點(diǎn)量測和區(qū)域網(wǎng)評(píng)的步驟進(jìn)行處理。表1為某分區(qū)的空三加密精度檢查表。

表1 空三加密質(zhì)量檢查表

檢查項(xiàng)目 規(guī)范限差（像素） 實(shí)際誤差（像素）

單模型

（相對(duì)定向上下視差） 1 0.822

絕對(duì)定向

（丘陵） 平面（m） 高程（m） 平面（m） 高程（m）

基本定向點(diǎn) 1.5 0.8 0.309 0.358

多余控制點(diǎn) 1.75 1.0 0.511 0.629

基本定向點(diǎn)個(gè)數(shù) 14 多余控制點(diǎn)個(gè)數(shù) 3

2.5 空三成果導(dǎo)出

由于航測路徑優(yōu)化系統(tǒng)是基于HelavaDPS二次開發(fā)的軟件系統(tǒng)，其立體顯示模式是基于單張像片的sup文件，sup文件里記錄了該像片的位置參數(shù)和姿態(tài)參數(shù)。這一模式與前期空三處理的攝影測量軟件有所區(qū)別，所以需要進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。通過自主開發(fā)的軟件工具，讀取空三數(shù)據(jù)成果文件，快速生成HelavaDPS能識(shí)別的sup文件，這樣就實(shí)現(xiàn)了不同攝影測量平臺(tái)的無縫兼容。

3 線路路徑優(yōu)化

3.1 展繪及調(diào)整路徑

在HelavaDPS的立體場景中，選線人員將初步設(shè)計(jì)路徑展繪到全數(shù)字影像地形圖上，并作初步調(diào)整，使路徑基本成立。選線人員帶上立體眼鏡在全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)上一個(gè)一個(gè)模型仔細(xì)觀察路徑兩旁的地物與地貌，如同觀看立體電影。通過其測量模塊，量測建筑物、電力線、通訊線、采石場等對(duì)線路有影響的地物到路徑的距離，以及陡峭地貌的坡度，加上對(duì)地物地貌的識(shí)別及時(shí)向他們提供線路是否跨越房以及房屋的屬性，局部地段立塔條件是否具備，能否跨越電力線，以及轉(zhuǎn)角的度數(shù)和數(shù)量、轉(zhuǎn)角間的距離等信息，從而確立路徑的成立與否。

3.2 電子模板實(shí)時(shí)排位

將數(shù)字高程模型DEM轉(zhuǎn)換成ASCII文件，運(yùn)用斷面提取軟件掃描三線斷面和電子模板軟件進(jìn)行桿塔的優(yōu)化排位并檢驗(yàn)桿塔是否符合設(shè)計(jì)書的要求。根據(jù)排位的結(jié)果，返回立體模型上觀看地面是否具備立塔條件。同時(shí)，可加入交叉跨越信息，排位的結(jié)果及相關(guān)參數(shù)全都實(shí)時(shí)顯示在屏幕上，每基塔位都可按坐標(biāo)返回到立體模型上。由此可判斷在規(guī)劃的塔型下，路徑是否成立，若路徑不成立，可馬上重新調(diào)整路徑。

3.3 優(yōu)化成果輸出

選線完成后，對(duì)排位中間成果、最終成果、最終路徑等數(shù)據(jù)均可存儲(chǔ)和導(dǎo)出，還可將相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為AutoCAD支持的dwg數(shù)據(jù)格式，方便線路設(shè)計(jì)人員調(diào)取和使用。最終路徑確認(rèn)后，利用出圖模塊，疊加等高線、調(diào)繪信息等內(nèi)容，生產(chǎn)工程全線的正射影像路徑圖。

4 結(jié)語

本次工程化應(yīng)用，探索了在高山密林區(qū)域，以輸電線路工程的勘察設(shè)計(jì)為應(yīng)用背景，使用對(duì)帶狀區(qū)域進(jìn)行勘察測繪，應(yīng)用低空無人機(jī)攝影測量技術(shù)，和Helava航測路徑優(yōu)化技術(shù)做無縫對(duì)接，應(yīng)用于輸電線路工程的路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)。本工程基于優(yōu)化設(shè)計(jì)的線路方案，比初步方案的線路方案線路縮短了10%，節(jié)省了1000余萬元的工程總造價(jià)，減少了拆遷量和植被破壞，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

可以看出，在中小面積的面狀或帶狀測區(qū)，無人機(jī)航測相對(duì)大飛機(jī)航攝或者工程測量，具有較大的效率優(yōu)勢。相對(duì)于大飛機(jī)航攝，其具有較大的效率優(yōu)勢，能盡量抓住每個(gè)航攝窗口，雖后期增加了一些像控的工作量，但使用重慶市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)（CQCORS）的情況下，總體仍然表現(xiàn)出了很強(qiáng)的效率優(yōu)勢。相對(duì)于工程測量，航測能全面發(fā)揮其作業(yè)效率優(yōu)勢，尤其在高山密林區(qū)域，生產(chǎn)的安全性、數(shù)據(jù)質(zhì)量等都有顯著提高。

此次成功的工程化應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，在電力勘察設(shè)計(jì)領(lǐng)域，低空無人機(jī)航空攝影測量和航測路徑優(yōu)化技術(shù)適用于風(fēng)電場等電源建設(shè)、電源接入主網(wǎng)的中短電力線路的勘察設(shè)計(jì)、電氣化鐵路供電線路建設(shè)的勘察設(shè)計(jì)。在長大電氣化鐵路干線、長大輸電線路建設(shè)日趨飽和的大背景下，新的核電、風(fēng)電等電源建設(shè)會(huì)成為建設(shè)重點(diǎn)，其接入主網(wǎng)的中短線路需求會(huì)增加，因此中小區(qū)域的勘察設(shè)計(jì)需求會(huì)進(jìn)一步增加，為低空無人機(jī)航空攝影測量在電力勘察設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供了大展身手的舞臺(tái)。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡安文， 張祖勛. 對(duì)高分辨率遙感影像基于仿射變換的嚴(yán)格幾何模型的討論[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版）， 2006（02）：104-107.

[2]狄穎辰. 無人機(jī)遙感圖像拼接系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 電子科技大學(xué)， 2011.55-75.