無人機(jī)低空攝影測量在配網(wǎng)電力施工工程中的應(yīng)用

胥晶 徐勇生 周峰 王振

[摘 ? ?要]隨著我國經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，電力系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)維技術(shù)日益完善。電力工程建設(shè)中，往往需要使用攝影測量技術(shù)對施工現(xiàn)場進(jìn)行勘測，以對工程建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。目前有關(guān)無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)在配網(wǎng)電力工程施工應(yīng)用方面的研究較少，需要加強(qiáng)分析無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)特點，通過開展場地實驗，對無人機(jī)完成輸配電線路航攝數(shù)據(jù)獲取技術(shù)、采集精度、應(yīng)用可行性進(jìn)行評價。

[關(guān)鍵詞]無人機(jī)低空攝影;測量技術(shù);配網(wǎng)電力施工

[中圖分類號]TM75 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）01–00–03

[Abstract]With the development of my country's economy and science and technology， the construction and operation and maintenance technology of the power system is becoming more and more perfect. In the construction of electric power projects， it is often necessary to use photogrammetry technology to survey the construction site to provide basic data support for the construction of the project. At present， there is little research on the application of UAV low-altitude photogrammetry technology in the construction of distribution network power engineering. It is necessary to strengthen the analysis of the characteristics of UAV low-altitude photogrammetry technology， and carry out field experiments to complete aerial photography of UAV transmission and distribution lines. Evaluation of data acquisition technology， acquisition accuracy， and application feasibility.

[Keywords]UAV low-altitude photography; measurement technology; power distribution network construction

近年來我國電網(wǎng)建設(shè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展，今后是智能電網(wǎng)加快發(fā)展重要時期。通常，輸電線路工程空間地理信息數(shù)據(jù)通過航天遙感等手段獲取，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在輸電線路工程可行性研究等方面已廣泛應(yīng)用。但航天遙感具有靈活性不足的問題，而常規(guī)的有人機(jī)航空攝影需要專用機(jī)場審批及航空限制，存在作業(yè)周期長等問題。無人機(jī)航攝系統(tǒng)是以UAV為平臺，借助導(dǎo)航技術(shù)實現(xiàn)低空航攝飛行，系統(tǒng)具有外部環(huán)境影響小等優(yōu)勢，無人機(jī)航攝系統(tǒng)可以滿足局部應(yīng)急工程建設(shè)需要。本文通過研究無人機(jī)航攝數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，評價低空攝影測量在配網(wǎng)電力工程施工中應(yīng)用的可行性，為無人機(jī)航攝技術(shù)推廣提供參考。

1 無人機(jī)攝影測量技術(shù)研究

地理空間技術(shù)的發(fā)展為電網(wǎng)建設(shè)提供詳細(xì)資料，近年來高分辨率成像RS技術(shù)得到很大發(fā)展，美國空間成像公司1999年發(fā)射升空首顆商用衛(wèi)星后，QuickBird，EROS-B，GeoEye-1等衛(wèi)星相繼發(fā)射。衛(wèi)星大多搭載多光譜傳感器，為獲取詳細(xì)地形土地利用信息等提供先進(jìn)技術(shù)手段[1]。航攝技術(shù)已有百余年歷史，是基礎(chǔ)測繪等各行業(yè)完成空間地理數(shù)據(jù)采集的主要手段，目前已進(jìn)入數(shù)字?jǐn)z影測量階段。

無人機(jī)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)20年代，早期無人機(jī)研制用于訓(xùn)練靶機(jī)，隨著技術(shù)的發(fā)展，逐漸應(yīng)用于民用遙感飛行平臺[2]。80年代后各種數(shù)字化小體積新型傳感器問世，無人機(jī)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，在地球物理勘探、土地利用調(diào)查等民用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。目前各種性能的無人機(jī)類型達(dá)數(shù)百種。90年代后無人機(jī)通過無線電通信網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)到達(dá)指定空域，返回機(jī)場降落等操作。無人機(jī)具有低空獲取高分辨率清晰影像，用戶自主擁有等優(yōu)點，在救災(zāi)和應(yīng)急等方面顯示獨(dú)特優(yōu)越性。航空遙感飛行控制系統(tǒng)的不斷研制改進(jìn)，任務(wù)載荷系統(tǒng)的不斷變化升級，以及飛行平臺、信息傳輸系統(tǒng)等方面的不斷推陳出新，都推動著中國無人機(jī)遙感技術(shù)的進(jìn)步。

在無人機(jī)航測國內(nèi)外研究方面，Annen探討用無人機(jī)平臺實驗結(jié)果，論證高分辨率微型無人機(jī)具有較好應(yīng)用潛力。美國是無人機(jī)航攝系統(tǒng)發(fā)展速度最快的國家，在硬件裝備等方面具有系列標(biāo)準(zhǔn)。美國Andrea等采用無人機(jī)航攝系統(tǒng)對愛華達(dá)州西南部牧場進(jìn)行監(jiān)測。Peter綜合無人機(jī)系統(tǒng)等技術(shù)應(yīng)用于地表模型制作。日本環(huán)境省利用YAMAHA加載核生化傳感器進(jìn)行核污染探測。近年來國內(nèi)無人機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，無人機(jī)航攝系統(tǒng)已用于數(shù)字城市建設(shè)、突發(fā)事件實時監(jiān)測等領(lǐng)域。

2 無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)特點

近年來GIS技術(shù)取得迅速發(fā)展，輕小型航攝成為航空遙感領(lǐng)域的亮點。無人機(jī)航測技術(shù)提供高效的測繪方式，解決了普通航攝手段在大比例尺數(shù)據(jù)方面存在成本高等問題。低空無人機(jī)攝影可快速獲取高質(zhì)量航空影像，輕小型低空遙感逐步成為立體監(jiān)測體系的重要技術(shù)手段。

低空無人機(jī)航攝系統(tǒng)優(yōu)點體現(xiàn)在可實現(xiàn)適應(yīng)地形導(dǎo)航與攝像控制，用以支持構(gòu)建城市三維景觀模型;使用成本低，對操作員培養(yǎng)周期短，易于成為用戶自主擁有設(shè)備。小面積大比例尺地形測量任務(wù)受天氣限制較多，無人機(jī)遙感系統(tǒng)進(jìn)行實用化開發(fā)，可在陰天獲取合適彩色影像，提高作業(yè)技術(shù)水平與精度。無人機(jī)航攝是以無人駕駛飛機(jī)為空中平臺，通過無線遙控技術(shù)設(shè)備操作不載人飛行器，以完成有人駕駛飛機(jī)所執(zhí)行的任務(wù)。無人機(jī)低空攝影系統(tǒng)包括相機(jī)控制系統(tǒng)、無線電遙感測控系統(tǒng)等。

無人機(jī)航攝流程與常規(guī)航攝有所差別，應(yīng)注意根據(jù)測區(qū)地形條件選擇合適起降場，飛行前應(yīng)檢查通訊電源等。無人機(jī)航攝數(shù)據(jù)檢查包括檢查曝光點數(shù)據(jù)、檢查飛行軌跡等。無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理與傳統(tǒng)航攝過程相似，會出現(xiàn)由于需要適用特殊載荷要求導(dǎo)致的后期數(shù)據(jù)處理等新的技術(shù)難題，主要包括系統(tǒng)要支持自動化數(shù)據(jù)處理，傳統(tǒng)航攝姿態(tài)角控制要求，無人機(jī)遙感系統(tǒng)航偏角大，對影像特征點相對定位難度增加等。無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理要實現(xiàn)稀少地面控制空三解算，但獲取影像像幅較小，后期數(shù)據(jù)處理體量較大，因此無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理首先要解決空中三角測量的問題。無人機(jī)搭載非量測相機(jī)，直接使用原始影像進(jìn)行空三加密計算，計算外方位元素精度差，對原始影像進(jìn)行糾偏處理。

無人機(jī)航攝技術(shù)應(yīng)用于配網(wǎng)電力工程施工方面，具有產(chǎn)品豐富、響應(yīng)快速、可真實再現(xiàn)實時三維狀態(tài)、可獲得最新項目區(qū)域地理空間信息等優(yōu)勢。采用無人機(jī)攝影測量技術(shù)可提高工程選線準(zhǔn)確性，有效提高工作效率，減少大量野外作業(yè)量。無人機(jī)航測技術(shù)可在輸配電線路工程建設(shè)中發(fā)揮很大作用，對無人機(jī)航攝數(shù)據(jù)進(jìn)行無約束空三加密，開展外業(yè)控制工作，在立體選線平臺進(jìn)行精密路徑優(yōu)化選線，采用GPS完成線路桿塔施工放樣，如圖1所示。

3 無人機(jī)攝影測量技術(shù)關(guān)鍵問題

3.1 攝影測量問題

無人機(jī)搭載非量測數(shù)碼相機(jī)，數(shù)碼相機(jī)分辨率提高同時輻射性能加大，CCD芯片不平度達(dá)到微米級。非量測數(shù)碼相機(jī)用于攝影測量需要獲取內(nèi)方位元素，國內(nèi)常用的佳能EOS 5D MarkII搭載24 mm焦距鏡頭，畸變差達(dá)到10個像素以上。鏡頭畸變分為徑向與切向，切向畸變使像點沿徑向偏離正確位置?；兿禂?shù)與相機(jī)內(nèi)方位元素同時獲取，通過拍攝檢校場已知坐標(biāo)控制點求解參數(shù)，如表1所示。

無人機(jī)航攝方案設(shè)計要根據(jù)高程精度要求確定鏡頭焦距等技術(shù)指標(biāo)，影像有效分辨率為標(biāo)稱分辨率乘以比例因子，數(shù)字影像有效分辨率較高，航空數(shù)字影像具有更高的平面精度。數(shù)字航攝測繪1∶500地形圖GSD要求為5 cm。像點量測精度為1/k像素，對應(yīng)高程量測精度mz=GSD/（k×b/f）坐標(biāo)mxy=GSD/k，f為攝影焦距，b為像方基線長度;b/f為基高比。立體量測地面點高程精度低于平面，GSD小基高比大。GSD由航高決定，無人機(jī)行高可以低至100 m以下。需要選擇合適的行高，首先根據(jù)航攝目的確定GSD指標(biāo)，確定航高與鏡頭焦距。假設(shè)像點量測精度k=2，焦距小地面高程精度高，目前常規(guī)地區(qū)航攝采用35 mm焦距。

3.2 外業(yè)控制測量問題

無人機(jī)航測利用數(shù)碼相機(jī)鏡頭焦距小，而專用航攝儀常用焦距153 mm的鏡頭，常規(guī)航攝比例尺為1∶8 000左右，全面幅相機(jī)飛思P45相機(jī)像幅為36mm×48 mm。無人機(jī)航攝像片數(shù)量為常規(guī)航攝的幾十倍，研究控制點布設(shè)方案是無人機(jī)航攝技術(shù)應(yīng)用關(guān)鍵問題。

按地形圖航攝外業(yè)規(guī)范規(guī)定執(zhí)行，野外控制點距離約為6條基線，采用佳能5DII相機(jī)拍攝地面分辨率20 cm，小于常規(guī)航攝的4～5 km。數(shù)據(jù)按照常規(guī)航攝條件推算，重疊度65%，應(yīng)用無人機(jī)數(shù)字?jǐn)z影系統(tǒng)要根據(jù)實際參數(shù)估算推導(dǎo)。1∶500成圖比例尺航攝地面分辨率按0.05 m計算，得到像片基線長度b=8.39 mm。得出無人機(jī)區(qū)域網(wǎng)控點基線對應(yīng)精度估算滿足控制點布設(shè)方案，高程中誤差0.35 m，平高控制點間基線數(shù)不超過5條。國外學(xué)者對光線束法提出不同精度估算公式，平面控制方案采用四角法，密周邊布點法平面精度為σx，y/σ0=0.53，σ0為像點觀測中誤差，σx，y衡量區(qū)域網(wǎng)平面精度。無人機(jī)進(jìn)行GPS/IMU輔助空中三角測量是當(dāng)前研究熱點，GPS/IMU設(shè)備小型化問題制約在無人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用。

3.3 數(shù)據(jù)處理問題

無人機(jī)航測相比常規(guī)航攝具有一些優(yōu)勢，但同時也存在一些難點。無人機(jī)大多采用單個數(shù)碼相機(jī)為影像數(shù)據(jù)獲取儀器，存在傾斜度大等問題。國內(nèi)有些單位研制雙拼相機(jī)，存在傳感器重量增加等問題。不同子影像具有不同投影中心，可能存在明顯的系統(tǒng)誤差。小像幅無人機(jī)航攝數(shù)據(jù)后期處理關(guān)鍵問題表現(xiàn)為獲取影像存在旋偏角過大等問題，數(shù)據(jù)量比傳統(tǒng)航攝儀獲取大。因此，尋求自動化程度高的攝影測量軟件非常必要。

目前常見數(shù)字?jǐn)z影測量軟件中國內(nèi)軟件有JX4等，像素工廠適用于數(shù)碼影像，具有強(qiáng)大自動化處理功能，可迅速生成正射影像等產(chǎn)品。INPHO采用模塊化設(shè)計，優(yōu)點是以平穩(wěn)工作流程保證高效生產(chǎn)能力，可為空中三角測量計算主要工具。DP-Grid是國產(chǎn)推出新軟件，支持基于刀片式服務(wù)器計算。JX4采用人眼觀測立體像對方式工作強(qiáng)度大，可改進(jìn)現(xiàn)有數(shù)字影像測量軟件，以測區(qū)為單位進(jìn)行立體測圖。目前影像匹配算法集中于空間域，頻率域法對尺寸縮放敏感。有學(xué)者研究提出針對無人機(jī)影像自動隱健匹配算法，保證提純后特征點數(shù)據(jù)進(jìn)行點變換估計，把核心任務(wù)移交給特征點過濾策略，這是一種有效的無人機(jī)影像匹配算法。

4 無人機(jī)低空攝影測量在配網(wǎng)工程施工中的應(yīng)用

結(jié)合電網(wǎng)科技部門基于航空攝影測量技術(shù)的配電選線采集技術(shù)研究與應(yīng)用，項目實施包括調(diào)研分析、無人機(jī)系統(tǒng)測試等階段。調(diào)研分析階段工作包括與無人機(jī)航測領(lǐng)域?qū)＜覝贤?，論證項目技術(shù)思路。系統(tǒng)測試階段完成數(shù)碼相機(jī)內(nèi)方位元素檢測，委托第三方檢測機(jī)構(gòu)對航攝使用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行內(nèi)方位元素檢定，按指標(biāo)要求進(jìn)行測試飛行。無人機(jī)控制系統(tǒng)存在曝光點定位不準(zhǔn)確等問題，重新配置控制系統(tǒng)，后期測試結(jié)果符合攝影測量數(shù)據(jù)處理要求。

項目以解決實際施工復(fù)勘中的問題為目的，遵循實用性原則，采用成熟技術(shù)方案，建立試驗場研究不同無人機(jī)航攝技術(shù)方案對成果精度影響，檢測無人機(jī)與相機(jī)性能，開展控制精度對空三精度的影響等方面研究。試驗區(qū)測設(shè)188個野外控制點，從像片上可清晰辨認(rèn)。場地實驗采用精靈4RTK無人機(jī)，通過空三加密計算證實數(shù)據(jù)成果精度符合理論推算結(jié)論。大重疊度模式擁有更高精度。選擇4條配電線路項目進(jìn)行無人機(jī)攝影測量計算試驗，進(jìn)行立體優(yōu)化選線等工作，通過外業(yè)RTK-GPS測量數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。

應(yīng)用實例項目為浙江省湖州市，航攝方案按線路區(qū)域網(wǎng)設(shè)計，使用設(shè)備委托專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測。同時進(jìn)行外業(yè)控制點采集，采用不同計算方案，控制點與檢查點平面與高程測量精度優(yōu)于5 cm。采用不同個數(shù)控制點的平差方案，野外控制點數(shù)量增加，空三精度提高不明顯?？刂泣c航向跨度20基線精度滿足地形圖測繪要求。試驗在現(xiàn)場采集20個明顯地物點，比較實地測量成果與立體模型人工測量成果。項目可證明無人機(jī)攝影測量技術(shù)對配電工作施工圖設(shè)計復(fù)勘等應(yīng)用提供實用的解決方案。

5 結(jié)束語

隨著我國經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，電力系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)維技術(shù)日益完善。電力工程建設(shè)中，使用攝影測量技術(shù)對輸配電線路施工現(xiàn)場進(jìn)行復(fù)核勘測，為工程建設(shè)單位提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，可在一定程度上保證施工順利進(jìn)行。傳統(tǒng)攝影測量方法受外界環(huán)境制約較大，采用無人機(jī)低空測量技術(shù)測量輔助電力工程施工，可以降低電力系統(tǒng)施工成本，并實現(xiàn)全天候作業(yè)，極大提升工作效率。采用無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)可以快速獲取區(qū)域影像，成果精度滿足輸配電線路平斷面圖測量和桿塔優(yōu)化配置的要求，同時無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)對天氣條件要求較低，可作為有效替代常規(guī)航攝的技術(shù)手段，在配網(wǎng)工程施工中具有推廣應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)

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