低空無人機(jī)測繪技術(shù)在輸電通道巡檢中的應(yīng)用

魯杰 龐博 侯力楓 劉陽

摘 要：隨著地方經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和電網(wǎng)規(guī)模的逐步擴(kuò)張，架空輸電線路通道走廊及周邊外力破壞隱患不斷增多，傳統(tǒng)人工巡檢方式已經(jīng)無法滿足當(dāng)前對于通道走廊快速排查和影像取證的需求，亟待尋找新的技術(shù)和方法予以解決。本文結(jié)合架空輸電線路通道走廊巡檢工作要求和低空無人機(jī)測繪技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，通過試驗實例來分析和探討低空無人機(jī)測繪技術(shù)在輸電通道巡檢中的應(yīng)用，實現(xiàn)無人機(jī)的自主飛行和自動對地測繪攝影，實現(xiàn)大比例尺下輸電通道照片的自動拼接和正射影像圖的自動化成像。

關(guān)鍵詞：低空;無人機(jī)測繪;輸電通道;自主巡檢;自動拼接;自動化成像

中圖分類號：TM755 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）20-0156-02

0 引言

隨著地方經(jīng)濟(jì)的不斷增長，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，架空輸電線路的空間分布也越來越廣泛，從高山大嶺到山谷溝壑，從壩上草原到丘陵平原，架空輸電線路所處地域廣袤、地理環(huán)境復(fù)雜。同時，由于市政工程建設(shè)和地方產(chǎn)業(yè)發(fā)展等多方面因素，修路、造橋、建房等情況不斷增多，架空輸電線路通道走廊及周邊存在著大量的外力破壞隱患。在傳統(tǒng)巡檢方式下，為弄清線路通道走廊及周邊各類隱患的分布、位置和距離，需要大量人力到現(xiàn)場進(jìn)行摸排、攝影和測量作業(yè)。受技術(shù)條件、地形因素和人工作業(yè)水平限制，所需時間長、效率低，排查結(jié)果不全面、不直觀，效用有限。隨著無人機(jī)低空航空攝影研究的不斷深入，低空無人機(jī)測繪技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，由于其具備機(jī)動靈活、高效快速、價格低廉、安全可靠的特點，受到越來越多的關(guān)注和廣泛的應(yīng)用。利用無人機(jī)自主飛行對架空輸電線路通道走廊進(jìn)行自動化測繪攝影，然后通過專用攝影測量拼接軟件，自動化生成線路通道走廊區(qū)域內(nèi)全景影像或正射影像圖，為架空輸電線路的運(yùn)維單位制定有針對性的預(yù)防線路外力破壞事故措施，開展電力設(shè)施保護(hù)工作，提供直觀的影像依據(jù)。

1 低空無人機(jī)數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

低空無人機(jī)數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)主要包括無人機(jī)平臺、地面站、任務(wù)載荷、C2鏈路（Command and Control data link，指令與控制數(shù)據(jù)鏈路），以及影像數(shù)據(jù)處理與測繪成果制作子系統(tǒng)等五部分組成。其中，無人機(jī)飛行平臺需具備GPS模塊、RTK（Real time kinematic，實時動態(tài)載波相位差分）或PPK（Post processed kinematic，動態(tài)后處理）模塊。任務(wù)載荷可根據(jù)不同的任務(wù)類型配置相應(yīng)的設(shè)備，可包括高分辨率數(shù)碼相機(jī)、多光譜成像儀、紅外成像儀和激光掃描儀等。影像數(shù)據(jù)處理與測繪成果制作子系統(tǒng)，采用在計算機(jī)或圖形工作站上，安裝行業(yè)專用的攝影測量拼接軟件，進(jìn)行最終圖像處理和測繪成圖。

1.2 無人機(jī)平臺選擇

執(zhí)行測繪任務(wù)時，選擇哪種類型的無人機(jī)必須綜合考慮無人機(jī)性能、測繪對象、測繪區(qū)域和測繪時限等因素[1]。根據(jù)輸電線路的長度、區(qū)域內(nèi)地理環(huán)境特點、作業(yè)時間要求、以及制圖精度的不同要求，選用不同的無人機(jī)飛行平臺和任務(wù)載荷。在超長距離、通訊信號受限、地理環(huán)境極端復(fù)雜區(qū)域，一般采用搭載PPK技術(shù)的固定翼無人機(jī)在高空進(jìn)行攝影測繪，同時需在地面設(shè)置基準(zhǔn)站、移動站，以及若干地面控制點。在短距離、通訊信號良好、局部成像要求高時，可采用搭載RTK技術(shù)的多旋翼無人機(jī)在低空進(jìn)行攝影。

1.3 適用性分析

開展架空輸電線路通道走廊巡檢的目的，主要是為了取得線路重要交跨區(qū)段及通道走廊周邊區(qū)域內(nèi)的高清晰、大比例尺的可見光圖像，在圖像上能清晰反映出架空輸電線路通道走廊及周邊隱患信息。固定翼無人機(jī)測繪作業(yè)政策限制多、審批周期長、技術(shù)要求多，現(xiàn)場測繪作業(yè)地面基準(zhǔn)站、移動站和控制點的布設(shè)過于復(fù)雜，實施難度相對較高;后期圖像處理周期長，成圖調(diào)整細(xì)節(jié)多、圖像清晰度和辨識度難以保證;固定翼無人機(jī)測繪技術(shù)的便捷性、時效性和實用性有限。利用搭載RTK技術(shù)和高像素可見光相機(jī)的多旋翼無人機(jī)在低空進(jìn)行測繪拍照，政策限制小、技術(shù)簡單、便捷靈活、設(shè)備集成度高、影像成圖速度快，更適宜架空輸電線路運(yùn)維單位使用。

2 低空無人機(jī)測繪試驗設(shè)計

2.1 試驗?zāi)康?/p>

通過試驗實例來驗證選擇的多旋翼無人機(jī)平臺和專業(yè)攝影測量拼接軟件系統(tǒng)等，是否能滿足架空輸電線路運(yùn)維單位對于線路通道走廊運(yùn)維巡查測繪作業(yè)便捷、作業(yè)周期短、影像成圖快速、圖像清晰精準(zhǔn)的需求。主要為核實以下幾個問題：一是選用的無人機(jī)平臺及配套地面站是否能滿足自主飛行作業(yè)要求;二是自動測繪拍攝的照片能否滿足后期圖像處理和測繪成圖的要求;三是測繪拼接軟件自動化流程生成的圖像，其細(xì)節(jié)是否清晰可辨、成像精度和誤差是否在可接受范圍內(nèi);四是對人工手工操作拍攝和無人機(jī)自動拍攝成像效果進(jìn)行對比。

2.2 試驗區(qū)域

經(jīng)過現(xiàn)場勘查和篩選，選擇了承德市西部郊區(qū)一條220千伏同塔雙回輸電線路的一處重要交叉跨越區(qū)段作為試驗區(qū)域。該區(qū)段跨越高速公路和國道，線路通道走廊及周邊存在大量的樹木植被、民房、臨時建（構(gòu)）筑物、施工場地及大型機(jī)械，同時周邊還有多條在運(yùn)配電線路和通訊線路，跨越檔兩側(cè)鐵塔分別位于南北兩側(cè)的山頂上。測繪作業(yè)區(qū)域為880×270m的帶狀區(qū)域，試驗區(qū)域總面積約0.24平方公里。

2.3 無人機(jī)平臺的選擇

經(jīng)過多方比選，最終選取集成度高、操作簡便的DJI Phantom4 RTK無人機(jī)平臺及配套地面站軟件作為試驗測試設(shè)備，該無人機(jī)系統(tǒng)集成了2000萬像素可見光相機(jī)和RTK GNSS（Global Navigation Satellite System，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）模塊，具備厘米級高精度定位、圖像位置補(bǔ)償、自主航線規(guī)劃、自動化飛行測繪作業(yè)、障礙物感知和自動避讓等功能。

3 低空數(shù)字影像的獲取

3.1 一般作業(yè)流程

無人機(jī)測繪包括外業(yè)工作和內(nèi)業(yè)工作兩部分，外業(yè)工作包括現(xiàn)場勘查、任務(wù)規(guī)劃、航線規(guī)劃、參數(shù)計算、地面控制點布設(shè)、測繪航拍、設(shè)備回收等。內(nèi)業(yè)工作包括圖像預(yù)處理、空中三角測量、定向建模、DLG（Digital Line Graphic，數(shù)字劃線圖）、DEM（Digital Elevation Model，數(shù)字高程模型）、DOM（Digital Orthophoto Map，數(shù)字正射影像）制作、快速全景圖拼接等。

3.2 測繪攝影流程

本次試驗用無人機(jī)設(shè)備自動化和智能化程度相對較高，外業(yè)作業(yè)現(xiàn)場勘查后，在地面站上完成飛行任務(wù)建立、參數(shù)設(shè)置、航點規(guī)劃、航線自動生成、任務(wù)數(shù)據(jù)上傳，點擊開始飛行后，無人機(jī)進(jìn)行自主飛行、自動測繪攝影，任務(wù)完成后自動返航并降落。

3.3 主要參數(shù)設(shè)置

為滿足后期拼接處理對圖像重疊的要求，航向重疊度一般應(yīng)為60～65%;個別最大不得大于75%，最小不得小于56%。相鄰航線的像片旁向重疊度一般應(yīng)為30～35%，個別最小不得小于13%[2]。本次試驗飛行參數(shù)在地面站飛行任務(wù)規(guī)劃中設(shè)置，考慮到線路兩側(cè)鐵塔在山上，而中間為河谷平原，為得到更高的精度和更好的效果，主航線上重復(fù)率設(shè)置為80%、航線間重復(fù)率設(shè)為60%、主航線角度根據(jù)生成的航線做調(diào)整，飛行高度約140m，飛行速度7m/s，分辨率4.0CM/PX，拍攝時間間隔設(shè)置為3s。

3.4 航線設(shè)計優(yōu)化

地面站上航點設(shè)置完畢后，在試驗區(qū)域內(nèi)自動生成飛行航線，航線呈現(xiàn)形狀為之字形。為了讓無人機(jī)飛行時間更長，拍攝更多的圖像，原則上讓無人機(jī)盡量多的處于勻速飛行狀態(tài)，因此航線應(yīng)盡量規(guī)則，折返飛行次數(shù)越少越好。

3.5 自主飛行及自動影像獲取

無人機(jī)起飛后，立即進(jìn)行自主飛行模式，無人機(jī)飛行至任務(wù)區(qū)起點處后，所搭載的可見光照相機(jī)自動開始進(jìn)行測繪攝影。自主飛行作業(yè)期間，地面站屏幕上能夠?qū)崟r顯示無人機(jī)的位置、姿態(tài)、距離、飛行高度、圖傳、信號強(qiáng)度、剩余電量及飛行時間等信息。在自主飛行及自動攝影期間無需人工干預(yù)，無人機(jī)駕駛員做好設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控和應(yīng)急相應(yīng)準(zhǔn)備即可。依據(jù)試驗設(shè)計，于2019年4月在試驗區(qū)域完成了無人機(jī)自主飛行測繪作業(yè)，獲取試驗區(qū)域高清晰度圖像90張，照片存儲在無人機(jī)本身安裝的存儲卡上，后續(xù)處理導(dǎo)出至計算機(jī)或圖形工作站上。一個架次無人機(jī)飛行測繪作業(yè)所用時間不超過20分鐘。

4 數(shù)字全景影像拼接和數(shù)字正射影像制作

4.1 數(shù)字全景影像拼接

全景影像是原始影像直接拼接的結(jié)果，不需要地面控制點等已知數(shù)據(jù)，只需要影像匹配獲得的同名點即可快速生成[3]。選用PTGui作為全景影像圖的拼接和處理軟件，該軟件能自動讀取照片的鏡頭參數(shù)，識別圖片重疊區(qū)域的像素特征，然后以控制點的形式進(jìn)行自動拼合，并進(jìn)行優(yōu)化融合。在軟件的全景圖片編輯器支持多種視圖的映射方式，也可以手工添加或刪除控制點，從而提高拼接的精度。主要操作步驟包括三步：加載一組原始圖像、運(yùn)行自動對準(zhǔn)圖像、創(chuàng)建全景圖并保存。在試驗用計算機(jī)上完成試驗區(qū)域拍攝的90張圖像的自動化拼接，用時約10分鐘。

4.2 數(shù)字正射影像制作

選用PhotoScan作為正射影像的處理軟件，特點是無需設(shè)置初始值、無須相機(jī)檢校，根據(jù)最新的多視圖三維重建技術(shù)，對任意照片進(jìn)行處理，無需控制點，可生成高分辨率正射影像（使用控制點可達(dá)5cm精度），也可生成真實坐標(biāo)的三維模型[4]。該軟件完全自動化的工作流程，即使非專業(yè)人員也可以在一臺電腦上處理大量航空影像，生成專業(yè)級別的攝影測量數(shù)據(jù)。該軟件支持GPU加速運(yùn)算，能夠進(jìn)一步提高運(yùn)算速度和圖像處理效率。主要操作步驟包括對齊照片、構(gòu)建密集點云、生成網(wǎng)格、生成紋理、生成正射影像、導(dǎo)出圖像等。試驗區(qū)域正射影像的生成效率，受計算機(jī)或圖形工作站的性能限制，以及不同質(zhì)量要求，可選擇高、中、低質(zhì)量的成像參數(shù)，生成正射影像所需時間差異較大，生成高精度正射影像所需時間為幾十分鐘、甚至數(shù)十個小時;生成中精度正射影像需幾十分鐘;低精度正射影像需幾分鐘即可。在試驗用計算機(jī)上，通過圖像軟件自動化處理，生成一幅試驗區(qū)域高等質(zhì)量正射影像，同步生成了密集點云模型和3D模型，用時約3個小時，還可以通過軟件中的標(biāo)尺工具對區(qū)域內(nèi)任意兩點空間距離進(jìn)行測量。

5 影像成圖實例效果分析和對比

5.1 人工操作和無人機(jī)自動測繪對比

通過人工手動操作無人機(jī)設(shè)備開展測繪作業(yè)拍攝的圖像，由于人員技術(shù)技能水平參差不齊，存在無人機(jī)飛行航線誤差大、測繪攝影定位精度不足、拍攝高度和拍攝角度控制困難、圖像重疊度不滿足規(guī)范要求等原因，在后期進(jìn)行圖像處理時，拼接和生成的圖像存在局部地物錯位、色調(diào)色彩差異過大、細(xì)節(jié)辨識性不足等情況，也存在圖像比例尺不一致造成無法生成正確圖像的問題，人工手動操作無人機(jī)拍攝的圖像基本無法用來制圖，即便制成成圖也無參考價值。

5.2 數(shù)字全景影像圖和數(shù)字正射影像圖對比

數(shù)字全景影像圖，是通過使用原始圖像直接拼接而成，主要優(yōu)勢是成圖速度快，全景影像圖在需要快速成圖時具備極大優(yōu)勢，可通過隨身攜帶的便攜式計算機(jī)或圖形工作站，在無人機(jī)測繪攝影完成后，在現(xiàn)場利用幾分鐘時間即可完成全部圖像處理。由于全景影像圖并不是嚴(yán)格基于共線方程生成，其相鄰影像間會出現(xiàn)明顯的接邊誤差[5]，部分圖像會出現(xiàn)地物錯位、重影、模糊等現(xiàn)象，不能滿足線路通道走廊巡檢對于隱患位置判定的要求。但是，仍可以通過全景影像圖拼接軟件，現(xiàn)場檢查和核實拍攝的圖像是否滿足正射影像對于圖像重疊度的要求。

數(shù)字正射影像圖，同時具有地圖的幾何精度和相片的影像特征[6]，其高精度成圖較一般拍攝的圖像優(yōu)勢明顯，由于其投影方式為正射投影，不存在傾斜誤差、地面投影差，影像為無縫鑲嵌、拼接精確，無錯位及色彩突變，紋理清晰、色調(diào)一致、反差適中、細(xì)節(jié)清楚可辨，最終成圖的精度高、信息豐富、直觀真實。低精度正射影像主要問題是細(xì)節(jié)模糊、辨識困難，效用有限。中精度正射影像圖在制作周期、成圖精度、細(xì)節(jié)辨識等方面，能夠取得一個相對的平衡。具體需何種精度的正射影像圖，還需根據(jù)實際工作需要和圖像處理設(shè)備的軟硬件性能確定。

6 結(jié)語和展望

通過低空無人機(jī)測繪技術(shù)試驗實例，實現(xiàn)了無人機(jī)的自主飛行和自動對地測繪攝影，實現(xiàn)了大比例尺下架空輸電線路通道走廊全景照片的自動拼接和正射影像的自動化成像，給架空輸電線路通道走廊巡檢工作提供了一個的完整的技術(shù)解決方案。從最終成圖的效果來看，全景影像圖和正射影像圖均有其適用場景和使用價值，需要在具體的工作中靈活運(yùn)用。同時，也看到隨著架空輸電線路通道走廊巡檢工作量不斷增長，運(yùn)維單位工作壓力與日俱增，對于無人機(jī)測繪技術(shù)在線路通道走廊巡檢中的應(yīng)用提出了更高的要求。在確保最終圖像精度能夠滿足需求的前提條件下，要求無人機(jī)設(shè)備和測繪攝影裝置更加集成、易用和便攜，測繪作業(yè)流程和圖像處理系統(tǒng)更加自動化、智能化，減少人工干預(yù)造成的誤差。相信隨著國家電網(wǎng)公司“三型兩網(wǎng)”建設(shè)的不斷推進(jìn)，隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的不斷深入，將會大力促使無人機(jī)及測繪相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域，在架空輸電線路通道走廊巡檢方面開展更深入的應(yīng)用研究，不斷取得新的技術(shù)突破，從而誕生出更多更加先進(jìn)的技術(shù)。

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