基于低空無人機的電力線路控制測量與路徑優(yōu)化研究

劉瑞 史哲 徐強勝 劉靖波 張鷗 欒凌

摘 要：基于低空無人機技術(shù)和全數(shù)字航測路徑優(yōu)化技術(shù)，對山區(qū)電力線路工程進行航空攝影和路徑優(yōu)化，研究利用無人機航攝技術(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)，應用于電力線路工程，提高線路勘測設(shè)計工作效率，提升勘測設(shè)計水平，降低勞動強度，解決電力線路工程建設(shè)精細化、智能化的需求。

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

中圖分類號：P23 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）02（b）-0060-02

市內(nèi)的很多電力線路工程路徑一般都遠離居民聚居區(qū)域，往往沿著人跡罕至的高山密林地區(qū)布設(shè)，盡可能減少對人居環(huán)境的影響，同時避免因為征遷引起的工程造價、時間成本的巨幅上升。這就造成了工程地形條件復雜，勘測設(shè)計難度大等現(xiàn)實困境。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，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)場勞動強度大、效率低，而定下的路徑方案缺乏全局觀和整體性，往往會隨著線路往前推進，新出現(xiàn)的種種障礙因素對前面已選定的方案造成顛覆性的影響，最終造成重復工作量巨大、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：該工程）為例，總線路長度為82km，分散為3段，分布在1萬km2的區(qū)域內(nèi)，每段長度20～40km，如果使用大飛機航飛，一方面時間窗口難以保證，另一方面航飛收費也較為高昂，從時間成本和經(jīng)濟效益兩個方面來看都表現(xiàn)較差。

該研究利用固定翼無人機航攝系統(tǒng)，對此工程項目區(qū)域進行航空攝影，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。

隨著近年來無人機航空攝影技術(shù)的進步，越來越多的測繪工作應用無人機獲取影像數(shù)據(jù)。無人機體積小巧、機動靈活、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。該研究利用固定翼無人機航攝系統(tǒng)，對該工程項目區(qū)域進行航空攝影，獲取影像數(shù)據(jù)后利用全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)進行數(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。

1 無人機航空攝影及航測內(nèi)外業(yè)

無人機航空攝影流程圖如圖1所示。

1.1 航帶設(shè)計

依據(jù)項目任務書，在無人機航飛技術(shù)設(shè)計軟件中，進行航攝技術(shù)設(shè)計?？紤]到測區(qū)為零散分布的帶狀高山密林區(qū)域，技術(shù)設(shè)計時特加寬部分區(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。

1.2 航空攝影

采用燃油動力無人機執(zhí)行航飛任務，搭載傳感器為佳能5DⅡ型數(shù)碼相機，焦距為35mm，像素尺寸6.41μm，像幅大小5616×3744像素。該項目一共航飛10個架次，獲取影像超2000片。經(jīng)檢驗，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。

1.3 外業(yè)控制測量與調(diào)繪

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

由于該項目是輸電線路工程，在進行像片調(diào)繪時，從滿足線路工程設(shè)計、施工的角度出發(fā)，對關(guān)注點進行詳細調(diào)繪，對其他低敏感度地物有選擇地取舍，詳細調(diào)繪了線路附近的電力線、通訊線、道路、河流以及對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)化工作提供了準確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.4 空三數(shù)據(jù)處理

該項目按航攝分區(qū)共建立10個作業(yè)項目，每個作業(yè)項目對應1個目錄，作業(yè)項目的所有相關(guān)數(shù)據(jù)都存入對應目錄。作業(yè)項目建立后進行空三作業(yè)，依照影像輸入、內(nèi)定向、圖形區(qū)域建立、自動點測量、交互式編輯、控制點量測和區(qū)域網(wǎng)評的步驟進行處理。表1為某分區(qū)的空三加密精度檢查表。

1.5 空三成果導出

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能識別的sup文件，這樣就實現(xiàn)了不同攝影測量平臺的無縫兼容。

2 線路路徑優(yōu)化

2.1 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)字攝影測量系統(tǒng)上一個一個模型仔細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，加上對地物地貌的識別及時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。

2.2 電子模板實時排位

將數(shù)字高程模型DEM轉(zhuǎn)換成ASCII文件，運用斷面提取軟件掃描三線斷面和電子模板軟件進行桿塔的優(yōu)化排位并檢驗桿塔是否符合設(shè)計書的要求。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，可加入交叉跨越信息，排位的結(jié)果及相關(guān)參數(shù)全都實時顯示在屏幕上，每基塔位都可按坐標返回到立體模型上。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。

2.3 優(yōu)化成果輸出

選線完成后，對排位中間成果、最終成果、最終路徑等數(shù)據(jù)均可存儲和導出，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)計人員調(diào)取和使用。最終路徑確認后，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。

3 結(jié)語

此次工程化應用，探索了在高山密林區(qū)域，以輸電線路工程的勘察設(shè)計為應用背景，使用對帶狀區(qū)域進行勘察測繪，應用低空無人機攝影測量技術(shù)，和Helava航測路徑優(yōu)化技術(shù)做無縫對接，應用于輸電線路工程的路徑優(yōu)化設(shè)計。此工程基于優(yōu)化設(shè)計的線路方案，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，減少了拆遷量和植被破壞，取得了良好的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。

此次成功的工程化應用經(jīng)驗表明，在電力勘察設(shè)計領(lǐng)域，低空無人機航空攝影測量和航測路徑優(yōu)化技術(shù)適用于風電場等電源建設(shè)、電源接入主網(wǎng)的中短電力線路的勘察設(shè)計、電氣化鐵路供電線路建設(shè)的勘察設(shè)計。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、風電等電源建設(shè)會成為建設(shè)重點，其接入主網(wǎng)的中短線路需求會增加，因此中小區(qū)域的勘察設(shè)計需求會進一步增加，為低空無人機航空攝影測量在電力勘察設(shè)計領(lǐng)域提供了大展身手的舞臺。

參考文獻

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