基于礦山電力工程的微型旋翼無人機設(shè)備應(yīng)用研究

周 翔，岳 強，溫玉維

（中國能源建設(shè)集團湖南省電力設(shè)計院有限公司，湖南 長沙 410007）

1 概述

改革開放以來，我國的工業(yè)化建設(shè)發(fā)展快速加快，到2018年我國工業(yè)化水平達59.5%。礦山電力工程中老線路改造和新建線路也越來越多，此類工程規(guī)模小、路徑受限制、地物多且復(fù)雜、空域多為限制區(qū)、要求航攝地面分辨率高。采用較大無人機實施航攝較復(fù)雜、風(fēng)險較大、成本高。采用微型旋翼無人機超低空攝影測量技術(shù)剛好能彌補這一缺點，可高效地獲取路徑影像。

2 微型旋翼無人機特點及基本參數(shù)

微型旋翼無人機具有體積和重量小，便于攜帶，操作簡單，起飛和降落不受場地限制。由于電池續(xù)航能力有限，微型旋翼無人機一般飛行高度在80～500之間，單架次飛行面積在 0.6km2～1km2。

圖1 大疆Phantom 4 Pro無人機組成及外觀

當(dāng)前無人機攝影測量技術(shù)在礦山電力線路工程中得到廣泛的應(yīng)用，但是由于微型旋翼無人機自身的特點，在線路工程中應(yīng)用不多[1]。隨著我國工業(yè)企業(yè)迅速發(fā)展，電力工程中老線路改造和新建線路工程越來越多。這類工程路徑受礦山工程規(guī)劃限制，路徑選擇較單一，因此在航飛帶寬不需要常規(guī)新建線路那樣寬；另外礦山工程區(qū)域內(nèi)的地物密集，對于選線精度要求高，需要提供高分辨率正射影像圖；區(qū)域工作區(qū)內(nèi)地物密集，起降場地受限?；谌绱硕鄺l件限制，采用微型旋翼無人機超低空航攝技術(shù)能發(fā)揮其最大優(yōu)勢[2]。

選擇市面上最常見的大疆Phantom 4 Pro無人機作為本文的試驗載體。該無人機外觀及組成如圖1所示。

該無人機基本參數(shù)如表1所示。

表1 大疆Phantom 4 Pro基本參數(shù)

3 微型旋翼無人機外業(yè)作業(yè)流程

微型無人機外業(yè)作業(yè)流程大致分為四部分：任務(wù)設(shè)計及航線規(guī)劃、航攝實施、數(shù)據(jù)檢查、外業(yè)像控測量。

3.1 任務(wù)設(shè)計及航線規(guī)劃

根據(jù)線路工程路徑規(guī)劃好航線；對測區(qū)內(nèi)最高地形或地物點進行現(xiàn)場踏勘；根據(jù)現(xiàn)場地形和地物特點選取起降點和確定飛行高度，確保不同架次間飛行高度差在30m以內(nèi)；根據(jù)規(guī)劃好的航線均勻預(yù)布設(shè)好野外像控點，在無明顯特征點區(qū)域需人工布設(shè)好像控標(biāo)志[3]。如圖2所示，為無人機一個架次的航線規(guī)劃，左下角還有預(yù)計飛行時間，由于電池容量的限制，一般一個架次飛行時間控制在20min以內(nèi)。

3.2 航攝實施

根據(jù)選取的起降點，現(xiàn)場實施航飛。由于礦山地區(qū)線路路徑基本確定，因此航飛帶寬一般在路徑左右兩側(cè)各300m，每架次能航飛線路路徑長度大約1.5km。

圖2 大疆Phantom 4 Pro無人機航線規(guī)劃示意圖

3.3 數(shù)據(jù)檢查

利用ICE、AGISOFT等軟件快速生成全景圖檢查航飛的照片，包括利用影像pos檢查航飛影像是否覆蓋布設(shè)好的航線；影像的色彩是否飽滿，銳度清晰，反差適中；影像的分辨率是否滿足設(shè)計要求；航向重疊度不低于60%，旁向重疊度不低于30%，旋偏角小于15°。

3.4 野外像控測量

本文選取礦山工程區(qū)域內(nèi)邊一條約8km線路做為實例，根據(jù)線路路徑在奧維地圖上布設(shè)好像控點的大致位置，像控點采用延線路兩側(cè)成對均勻布設(shè)，每隔400m～500m布設(shè)一對，在路徑拐歪處需多布設(shè)一到兩個點[4]。根據(jù)地圖顯示情況，需要在無明顯像控點位置預(yù)先布置好像控點，布設(shè)像控點時需采用與地面顏色反差較大的材料。并在沿線均勻采集一定的數(shù)量的檢查點。如圖3所示。

圖3 像控點布設(shè)示意圖

4 航拍數(shù)據(jù)處理及精度分析

航拍數(shù)據(jù)處理流程如圖4。

圖4 數(shù)據(jù)處理流程圖

4.1 相機參數(shù)獲取及影像去畸變處理

大疆無人機的相機為非量測相機，相機鏡頭存在較大畸變差，如果對相機鏡頭進行檢校需要建立試驗場或者到專業(yè)機構(gòu)，而且還要每隔一定的時間要檢校一次。檢校后的參數(shù)隨著使用次數(shù)增多誤差會越來越大，并且該無人機的IMU和POS系統(tǒng)精度不高。通常采用的空三加密處理的inpho軟件，在進行加密處理前，需要精確的相機參數(shù)、去畸變的影像和精確的IMU/POS數(shù)據(jù)。

考慮到非量測相機的這個特性，這里采用Pix4d軟件對原始影像進行密集匹配處理，不僅能獲得精確相機參數(shù)，還能得到去畸變的影像和影像精確的IMU/POS數(shù)據(jù)。

在Pix4d空三處理完成后，得到相應(yīng)的DSM和DOM成果。

4.2 空三處理及嚴(yán)密平差

Inpho空三處理生產(chǎn)流程主要分為四個步驟。

4.2.1 新建工程

新建工程后，輸入相應(yīng)的工程名和文件保存路徑。導(dǎo)入經(jīng)過Pix4dmapper處理得到的去畸變影像、IMU/POS數(shù)據(jù)、相機參數(shù)和初步空三成果。然后定義航帶、編輯控制點文件、輸入測區(qū)平均高程、建立航帶等。

4.2.2 創(chuàng)建金字塔影像

為了提高效率，測區(qū)內(nèi)的每張影像都要創(chuàng)建金字塔影像，金字塔影像主要在像片放大和空三加密的迭代過程中使用，生成的金字塔影像要單獨保存。

4.2.3 控制點量測

控制點量測有兩種方式：第一種是先手工量測所有的地面控制點，然后啟動空中三角測量進行自動連接點提??；第二種是先進行自動連接點的提取，再添加地面控制點。但如果在項目開始前就有大量的地面控制點，可以手工測量測區(qū)最外圍的4個控制點，這4個點的連線要盡量包住整個測區(qū)，平差計算后，預(yù)測剩余的控制點，通過微調(diào)便可將控制點快速添加完畢。

4.2.4 嚴(yán)密平差

第一次自動提取連接點時要勾選“創(chuàng)建連接點區(qū)域后停止”按鈕，這樣如果空三計算失敗或者沒有找到連接點時，可以利用連接點區(qū)域檢查連接點匹配是否成功。

連接點成功提取后，便可以進行平差計算，通過像控點位置說明不斷地調(diào)整控制點的平面位置和高程，直到計算的控制點平面中誤差和高程中誤差均小于限差要求，方可導(dǎo)出空三結(jié)果。

4.3 外業(yè)調(diào)繪

首先根據(jù)制作的高分辨率的DOM判讀可能會影響線路路徑的重要地物和交叉跨越等，如果DOM上不能準(zhǔn)確判讀，或者需要調(diào)查地物其他屬性的，則需要到現(xiàn)場進行外業(yè)調(diào)繪。

4.4 三維立體優(yōu)化選線

將最終空三成果和外業(yè)調(diào)繪數(shù)據(jù)引入我公司自主研發(fā)的維邁多數(shù)據(jù)源輸電線路航測系統(tǒng)，則可進行三維立體優(yōu)化選線。

該系統(tǒng)可以根據(jù)制作的DSM和DOM生成三維大場景視圖，在大場景視圖下，確定線路整體路徑走向并且優(yōu)化；然后再根據(jù)單模型立體，進行局部優(yōu)化，確保線路路徑方案達到最優(yōu)。并且大場景和局部三維可以隨意切換。

通過設(shè)計人員初步排塔定位，能夠使路徑得到及時優(yōu)化。采用多窗口模式，把線路路徑、采集的地物和排塔坐標(biāo)信息都放置到共享內(nèi)存，實現(xiàn)每個窗口及時調(diào)用，實現(xiàn)聯(lián)動協(xié)同。每個窗口都可以三維選線、平斷面量測，所有窗口都聯(lián)動塔位預(yù)排位窗口，實現(xiàn)全方位、多角度和多維度選線設(shè)計。預(yù)排塔定位窗口排外完成后，實時反饋到各個數(shù)據(jù)源窗口，在單立體像對模型和大場景立體模型中，呈現(xiàn)出四邊形基礎(chǔ)在定位中心，其中心在定位中心，四個角點緊貼地面高程。

根據(jù)最終路徑方案，再進行人工采集路徑平斷面圖，供電氣專業(yè)進行排塔設(shè)計。

圖5 大場景及局部立體與平斷面聯(lián)動

4.5 精度分析

精度分析分為平面精度和高程精度分析，分析數(shù)據(jù)主要包括野外檢查點和地物特征點的數(shù)據(jù)。檢查點統(tǒng)計分析方法是：根據(jù)檢查點描述的具體位置、航片號、實地照片，在立體模型中找到相應(yīng)點的位置，并測得這個點的平面坐標(biāo)和高程，通過與外業(yè)實測的坐標(biāo)差值，可以計算得到平面中誤差和高程中誤差。

地物特征點檢查方法與野外檢查點方法類似，具體步驟是：根據(jù)可研的線路路徑方案，在線路路徑中線附近均勻測量相應(yīng)的地物特征點。然后再根據(jù)外業(yè)描述情況和位置，在立體模型中采集相應(yīng)地物特征的坐標(biāo)和高程，并計算平面中誤差和高程中誤差。這里依托實際項目長沙東山變220kV送電線路工程，對相應(yīng)控制點和地物特征點進行統(tǒng)計和分析?？刂泣c和地物特征點的精度統(tǒng)計情況分別見表2和表3。

表2 控制點精度統(tǒng)計表

表3 地物特征點精度統(tǒng)計表

根據(jù)以上兩個表格統(tǒng)計的平面、高程的中誤差，均小于《電力工程數(shù)字?jǐn)z影測量規(guī)程》[1]中的精度要求。

5 結(jié)論

本文主要介紹了微型旋翼無人機在礦山電力工程中應(yīng)用的優(yōu)勢以及數(shù)據(jù)處理的流程和方法。微型旋翼無人機在礦山電力線路工程中能充分發(fā)揮其優(yōu)勢，減少人力、物力成本，降低風(fēng)險。

在線路設(shè)計障礙物較多、地形地物變化頻繁的礦山工程區(qū)域，為電力線路路徑優(yōu)化設(shè)計提供最新、高分辨的DEM和DOM，結(jié)合維邁多數(shù)據(jù)源輸電線路航測系統(tǒng)可以提供大場景三維立體視圖和局部三維立體，為線路選線提供便利。在微型無人機數(shù)據(jù)處理過程中的關(guān)鍵步驟是獲取相機的參數(shù)以及未畸變的影像，這樣才能保證在后續(xù)的空三加密處理過程中獲得高精度成果。并且結(jié)合實際工程項目，對空三成果進行相應(yīng)的精度統(tǒng)計分析，成果精度滿足電力工程的設(shè)計要求。