電網(wǎng)工程建設(shè)中無人機航測技術(shù)的應(yīng)用

程建峰

(三和數(shù)碼測繪地理信息技術(shù)有限公司，甘肅 天水 741000)

智能電網(wǎng)能夠滿足人們的用電需求。應(yīng)重視電網(wǎng)施工與設(shè)計，加強三維化數(shù)字管理，從電子技術(shù)角度入手，不斷更新遙感影像。傳統(tǒng)航測技術(shù)的航拍主要以土地資源、生態(tài)環(huán)境等為主，實際操作時需要搭載專用的航拍儀器，容易受天氣因素的影響，應(yīng)用成本較高，分辨率偏低。與傳統(tǒng)航測技術(shù)相比，無人機航測技術(shù)的優(yōu)勢更為突出，體現(xiàn)在操作場地便捷、分辨率較高、集成度高、成本低等方面，故而未來電網(wǎng)工程建設(shè)中無人機航測技術(shù)的應(yīng)用將更加普遍。

1 無人機攝影測量系統(tǒng)的組成及特點

無人機攝影測量系統(tǒng)的組成包括系統(tǒng)硬件和配套軟件。在系統(tǒng)硬件中，以飛行平臺、傳感器系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)和地面監(jiān)控系統(tǒng)為主。飛行平臺類型不一，有雙發(fā)型無人機、垂直尾型無人機等。受無人機有效載荷偏輕的影響，傳感器系統(tǒng)通常以高端單反數(shù)碼相機為主[1]。飛行控制系統(tǒng)包括氣壓計、全球定位導(dǎo)航儀、高度計、自動駕駛儀等。其中，全球定位導(dǎo)航是比較關(guān)鍵的技術(shù)，其搭載了先進(jìn)的定位裝備GPS和定姿裝備IMU，結(jié)合目前主流的差分技術(shù)，可以實時準(zhǔn)確獲取無人機在空中的位置和姿態(tài)，有利于地面控制系統(tǒng)更好地管理無人機。配套軟件以任務(wù)規(guī)劃、質(zhì)量檢查、影像處理等軟件為主。任務(wù)規(guī)劃軟件的作用是規(guī)劃航空拍攝任務(wù)[2]，目前這類規(guī)劃軟件品牌較多，有傳統(tǒng)的攝影方式，也有變高飛行、仿地飛行等主流的航飛作業(yè)方式。質(zhì)量檢查軟件的作用是對無人機拍攝內(nèi)容的質(zhì)量進(jìn)行檢查，要求影像滿足航測規(guī)范，主要檢查影像的重疊度、姿態(tài)、有無航拍漏洞等，由軟件自動完成，通過人機交互的方式，查看原始影像的紋理和對比度等。影像預(yù)處理軟件的作用是以正確的格式讀入影像文件，目前無人機數(shù)據(jù)處理軟件較多，每個軟件對輸入數(shù)據(jù)要求不同，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理更改影像格式和POS坐標(biāo)系統(tǒng)，能夠使其更好地導(dǎo)入軟件中。

無人機攝影測量的特點主要有：操作場地方便。無人機不需要專門的機場進(jìn)行升降，只要稍微平整的草地或公路就可以。分辨率較高[3]。無人機攝影可在低空、云下攝影，可獲得分辨率較高的影像。集成度高。無人機攝影可應(yīng)用在貨物托運上，也可裝載到運輸車輛中。成本低。無論是無人機系統(tǒng)的維護還是維修，其成本都較低[4]。使用無人機進(jìn)行航空拍攝時，需要注意該系統(tǒng)與傳統(tǒng)拍攝相機相比，所攜帶的數(shù)碼相機幅面偏小，所以單架無人機的航拍面積要控制在一定范圍內(nèi)，避免過大。受航拍范圍的影響，無人機航拍面積最好不要超過20 km。

2 無人機攝影測量系統(tǒng)的應(yīng)用范圍與作業(yè)流程

2.1 應(yīng)用范圍

無人機攝影測量系統(tǒng)可快速、高分辨率地獲取小區(qū)域內(nèi)的影像，其具體應(yīng)用體現(xiàn)在以下幾個方面：其一，應(yīng)急測繪。能比較快速且高分辨率地獲取應(yīng)急測繪中的影像。其二，小區(qū)域測繪[5]。能夠獲取城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村等小區(qū)域內(nèi)的影像，保障影像的清晰度。其三，帶狀地區(qū)的選線勘測。可及時獲取石油勘測、水利勘查等區(qū)域的影像，速度較快。

2.2 作業(yè)流程

無人機攝影測量系統(tǒng)的作業(yè)流程：其一，設(shè)計現(xiàn)場航線。與傳統(tǒng)的航攝相比，無人機航攝不需要了解地球曲率變化、地面點高程，一般是以小區(qū)域的航攝為主。只有在地形高差超過1/6或增大分辨率無效的情況下，需要設(shè)立攝影分區(qū)。其二，調(diào)試設(shè)備。在應(yīng)用無人機前，要根據(jù)拍攝內(nèi)容和范圍，提前調(diào)試設(shè)備[6]。具體的調(diào)試內(nèi)容包括對地面監(jiān)控站點的調(diào)試與控制，無人機起飛前的機身檢查，對飛機水平、滾轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速及全球定位進(jìn)行檢查。其三，整理數(shù)據(jù)。無人機航拍完成后，在確保所獲取影像清晰的基礎(chǔ)上，整理相關(guān)數(shù)據(jù)。其四，檢查質(zhì)量。檢查無人機獲取的影像數(shù)量、是否發(fā)虛、命名情況等，對資料的完整性、坐點光標(biāo)與實際飛行一致性等加以檢查。其五，預(yù)處理。以TIF格式保存影像后，借助預(yù)處理軟件改正畸變差，提交影像成果。其主要流程如圖1所示。

圖1 無人機影像數(shù)據(jù)獲取流程圖Fig.1 Flow chart of UAV image data acquisition

3 無人機航測技術(shù)在電網(wǎng)工程建設(shè)中的應(yīng)用

3.1 在線路規(guī)劃與地形圖測量中的應(yīng)用

無人機航測技術(shù)在電網(wǎng)工程建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用。在電網(wǎng)工程建設(shè)中，線路規(guī)劃與地形圖測量是比較關(guān)鍵的內(nèi)容。就電網(wǎng)工程中輸電線路走廊規(guī)劃而言，需要相對廣闊的視野，從整體上對廊道加以規(guī)劃。將無人機航測技術(shù)應(yīng)用于走廊線路規(guī)劃中，能夠在特定區(qū)域內(nèi)利用無人機，從比較全面的角度上對區(qū)域內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行攝影，獲取相應(yīng)的地域信息資料。借助無人機測量技術(shù)掌握地域信息，能夠幫助電網(wǎng)工程建設(shè)人員規(guī)劃區(qū)域走廊通道。借助無人機航空拍攝，能夠充分考量特定地域內(nèi)的環(huán)境、規(guī)劃等相關(guān)因素，了解走廊線路規(guī)劃的特殊要求，對各個工程展開充分的協(xié)調(diào)，利用有限的通道資源，保障各區(qū)域走廊通道規(guī)劃的合理性。就地形圖測量而言，電網(wǎng)可行性研究設(shè)計需要有比較精準(zhǔn)的地形圖紙，無人機航測技術(shù)可獲得比例尺相對合適的地域高清圖像。在獲得高清圖像時，主要是利用無人機的高空控制，取得特定地域內(nèi)的地形圖，能夠提高電網(wǎng)工程線路走向、站點設(shè)置效率。

3.2 在電網(wǎng)應(yīng)急救災(zāi)中的應(yīng)用

當(dāng)自然災(zāi)害發(fā)生時，及時啟動應(yīng)急處置，能夠在一定程度上降低經(jīng)濟損失。無人機航測技術(shù)在電網(wǎng)應(yīng)急救災(zāi)中具有重要作用，通常情況下，災(zāi)害發(fā)生后會對電網(wǎng)產(chǎn)生巨大影響，導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)故障。將無人機航測技術(shù)應(yīng)用于災(zāi)害環(huán)境航測中，能夠快速掌握災(zāi)害環(huán)境中的電網(wǎng)故障情況，盡可能降低災(zāi)害對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，最短時間內(nèi)恢復(fù)電網(wǎng)運行。一般情況下，若采用衛(wèi)星或航空拍攝等方式，可能無法及時獲取受災(zāi)區(qū)域電網(wǎng)的高清影像，影響電網(wǎng)的恢復(fù)，針對無人機航測技術(shù)在電網(wǎng)應(yīng)急救災(zāi)中的應(yīng)用，國家電網(wǎng)公司專門設(shè)置了應(yīng)急救災(zāi)指揮中心，利用無人機測量技術(shù)的低空遙感系統(tǒng)，可獲取受災(zāi)區(qū)域的影像，影像分辨率相對較高，能夠為國家電網(wǎng)指揮中心評估災(zāi)害、采取相應(yīng)的處理措施提供依據(jù)。

3.3 在電力巡線中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的電力巡線為人工作業(yè)，這種巡線方式效率低、成本高、風(fēng)險性非常高，為解決這些問題，可以采用無人機技術(shù)。近年來，無人機測繪技術(shù)發(fā)展迅速，其相機質(zhì)量不斷減輕、無人機續(xù)航時間持續(xù)增加、掛載荷載種類不斷增多，使得無人機用途越來越廣。無人機主要通過以下幾種方式進(jìn)行電力巡線。

通過視頻回傳技術(shù)實時回傳巡線結(jié)果。通過掛載高清攝像頭，沿著電力線方向飛行，對電力線進(jìn)行航拍，并將航拍視頻實時回傳至地面站，地面站人員觀看回傳視頻，及時發(fā)現(xiàn)電力線中存在的問題。

通過建模還原電力線。采用傾斜攝影技術(shù)，沿著電力線進(jìn)行低空多鏡頭影像數(shù)據(jù)獲取。在相機曝光時，將相機曝光點的三維坐標(biāo)記錄下來，進(jìn)行建模，常見的建模軟件有瞰景Smart3D、中測智繪M3D等，結(jié)合影像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型的生產(chǎn)。在得到實景三維模型數(shù)據(jù)成果后，采用人機交互方式對模型查看，主要檢查電力線方向是否存在安全隱患，如樹障問題。查看各個部位螺絲是否松動，對疑似松動的部位進(jìn)行實地核查，確保螺絲螺母固定牢靠。

通過LIDAR技術(shù)獲取高精度的數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)成果。傾斜攝影技術(shù)是對實際地物進(jìn)行還原，但是由于電力線是帶狀，采用建模方式空三解算出錯率高，且樹木拉花嚴(yán)重，內(nèi)業(yè)無法對其進(jìn)行準(zhǔn)確巡檢，雖然在一定程度上減少了外業(yè)工作量，但還有一定的工作需在外業(yè)完成。LIDAR技術(shù)具有全天候作業(yè)的特點，可以24 h作業(yè)，受外界干擾少。其搭載的LIDAR設(shè)備可以發(fā)射密集的激光束，這些激光束在碰到障礙物后，會沿著原路返回，結(jié)合其搭載的高精度定位裝備和定姿裝備，可以準(zhǔn)確獲取障礙物的三維坐標(biāo)，通過三維點云的形式將實際地物展現(xiàn)出來。這種方式較傾斜攝影來說，不存在模型拉花的問題，但是存在噪點的問題。噪點是一些干擾點，需要通過濾波等技術(shù)進(jìn)行處理，剔除噪點，保留有效的三維點。通過對有效三維點的糾正和多架次拼接，可以得到完整的彩色三維點云，通過不同的顏色還原實際電力線的狀態(tài)。采用人機交互的方式對三維點云坐標(biāo)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)螺絲松動部位，外業(yè)根據(jù)內(nèi)業(yè)的判斷直接在外業(yè)進(jìn)行維護，可以有效提升電力巡線效率，降低巡線成本。

通過計算電力線距離最近障礙物的距離，如通過樹木的生長速度來估測其對電力線產(chǎn)生影響的最早時間，提前進(jìn)行人工干預(yù)，為安全輸電提供保障。

3.4 電力線上異物處理

無人機可以掛載多種載荷，這為電力線上異物處理提供了一種方法。當(dāng)電力線上有塑料袋等異物時，采用傳統(tǒng)人工作業(yè)方式去除異物，風(fēng)險性很高，如果采用無人機搭載噴火荷載，可以精準(zhǔn)地去除異物，效率高，風(fēng)險低。無人機在空中對異物進(jìn)行處理時，需要精準(zhǔn)定位，因此對無人機作業(yè)員的要求較高。冬季，電力線上容易積雪結(jié)冰，這會增加電力損耗，為了降低電力損耗，可以使用無人機搭載噴灑裝置，沿著電力線上方對電力線進(jìn)行精準(zhǔn)撒鹽，加快電力線上積雪的融化，降低電力線損耗?？梢怨浪汶娏€最大能夠承受的積雪量，提早采取相應(yīng)措施處理積雪，以防積雪過多導(dǎo)致電力線斷裂。

4 結(jié)語

無人機航測技術(shù)的作用日益凸顯，通過對無人機航測技術(shù)系統(tǒng)、特點、應(yīng)用范圍及作業(yè)流程的分析，從線路規(guī)劃與地形圖測量中的應(yīng)用、電網(wǎng)應(yīng)急救災(zāi)中的應(yīng)用等方面入手，深入探究無人機航測技術(shù)系統(tǒng)在電網(wǎng)工程建設(shè)中的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的航空拍攝方式相比，無人機優(yōu)勢顯著，但受技術(shù)因素的影響，無人機在空中運行過程中仍然存在姿態(tài)不穩(wěn)定、飛行時間偏短、航拍面積較小等問題。無人機的作業(yè)模式和技術(shù)規(guī)定尚不成熟，要想在電網(wǎng)工程建設(shè)中應(yīng)用無人機攝影測量技術(shù)仍需要不斷地深入研究。