基于輕小型無(wú)人機(jī)全自動(dòng)正攝拍照法提取平原區(qū)輸電線路塔基擾動(dòng)面積的研究

倉(cāng) 敏，吳 霜，程 曦，李小樸，孫 統(tǒng), 楊 貌

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江蘇 南京 210008；2.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán) 華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200001)

新階段，在開(kāi)展水土保持監(jiān)測(cè)工作中，廣泛推廣應(yīng)用高分遙感影像、無(wú)人機(jī)技術(shù)，提升了水土保持監(jiān)測(cè)工作的及時(shí)性、準(zhǔn)確性，其中生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目施工擾動(dòng)面積的監(jiān)測(cè)是水土保持監(jiān)測(cè)工作的重要組成部分，貫穿項(xiàng)目建設(shè)的整個(gè)過(guò)程[1-5]。

輸電線路工程是一種點(diǎn)、線分布式工程，一般情況下具有路徑長(zhǎng)、塔基多、交通不便的特點(diǎn)，施工擾動(dòng)主要集中在塔基區(qū)。塔基區(qū)的擾動(dòng)面積常規(guī)監(jiān)測(cè)方法有三種：一是采用手持GPS、皮尺等進(jìn)行抽樣監(jiān)測(cè)，利用抽樣平均值計(jì)算已開(kāi)工塔基的擾動(dòng)面積，但此方法受限于地形、交通，尤其是山丘區(qū)因抽樣數(shù)量有限，抽樣統(tǒng)計(jì)的算術(shù)平均值代表性不足，若要獲取更為準(zhǔn)確的塔基區(qū)擾動(dòng)面積，則勢(shì)必增加現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的工作難度。二是采用高分遙感影像(一般空間分辨率為1～2 m)，雖然可解譯塔基區(qū)施工擾動(dòng)面積，但輸電線路塔基施工擾動(dòng)面積較小，一般100～10 000 m2不等，受衛(wèi)星遙感影像空間分辨率的影響，塔基施工擾動(dòng)范圍在遙感影像上所占像元較少，無(wú)法清晰地解譯塔基擾動(dòng)邊界導(dǎo)致解譯精度一般，另外高分遙感影像的價(jià)格也相對(duì)較貴[6-8]。三是采用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)可獲取整個(gè)輸電線路的擾動(dòng)面積，但輸電線路由于線路較長(zhǎng)，航測(cè)通常采用長(zhǎng)航時(shí)、飛行速度快的固定翼或垂直起降無(wú)人機(jī)，該類(lèi)型無(wú)人機(jī)體積大攜帶不便、現(xiàn)場(chǎng)飛行架次多、操作較為專(zhuān)業(yè)，且后期海量影像的數(shù)據(jù)處理及解譯需要使用航測(cè)及ArcGIS等軟件，該方法對(duì)硬件及軟件的要求極高，另外固定翼或垂直起降無(wú)人機(jī)和配套軟件的購(gòu)置費(fèi)昂貴[5,9-11]。為提高輸電線路塔基區(qū)擾動(dòng)面積監(jiān)測(cè)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性，降低現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)難度和專(zhuān)業(yè)性，減少內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理對(duì)軟硬件的依賴(lài)，我們根據(jù)平原區(qū)輸電線路的特點(diǎn)，提出一種基于輕小型無(wú)人機(jī)全自動(dòng)正攝拍照法提取輸電線路塔基區(qū)施工擾動(dòng)面積的監(jiān)測(cè)方法，以期為輸電線路工程水土保持監(jiān)測(cè)工作順利開(kāi)展提供技術(shù)支撐。

1 實(shí)例工程

工程為某1 000 kV輸電線路工程，涉及3個(gè)設(shè)區(qū)市、1個(gè)省直管市、12個(gè)縣級(jí)行政區(qū)，全長(zhǎng)2×222.601 km，鐵塔數(shù)量447基，沿線地勢(shì)平坦開(kāi)闊，海拔較低。

2 試驗(yàn)方案

2.1 設(shè)備配置與航線規(guī)劃

2.2.1 無(wú)人機(jī)型號(hào)

采用大疆精靈4 RTK無(wú)人機(jī)，RTK-GNSS定位精度垂直1.5 cm+1 ppm(RMS)，1 ppm是指飛行器每移動(dòng)1 km誤差增加1 mm。水平1 cm+1 ppm(RMS)，續(xù)航時(shí)間為30 min，最大圖傳距離5 km，抗風(fēng)等級(jí)約6級(jí)，機(jī)身重量1.39 kg。

2.2.2 相機(jī)及云臺(tái)角度

大疆精靈4 RTK無(wú)人機(jī)為一體式云臺(tái)相機(jī)，傳感器為1英寸CMOS，2 000萬(wàn)像素。云臺(tái)俯仰-90°至+30°。

2.2.3 航高設(shè)置

無(wú)人機(jī)搭載的相機(jī)類(lèi)型不同，其影像地面分辨率也會(huì)不同。作業(yè)前應(yīng)根據(jù)桿塔最大高度、線路地形高差、沿線障礙物高度及影像地面分辨率等因素綜合確定無(wú)人機(jī)搭載的相機(jī)類(lèi)型。無(wú)人機(jī)飛行相對(duì)高度與影像地面分辨率的關(guān)系可用下式確定[12-13]：

(1)

式中：H為無(wú)人機(jī)飛行相對(duì)高度；f為搭載相機(jī)鏡頭焦距；GSD為影像地面分辨率；a為像元尺寸。

以大疆精靈4 RTK無(wú)人機(jī)搭載的相機(jī)為例，其像元尺寸為2.4 um，焦距為8.8 mm，根據(jù)式(1)計(jì)算不同地面分辨率對(duì)應(yīng)的無(wú)人機(jī)飛行高度，見(jiàn)表1。試驗(yàn)采用的飛行高度為183 m，地面分辨率為5 cm。

表1 無(wú)人機(jī)飛行高度與影像地面分辨率關(guān)系

2.2.4 航線規(guī)劃

首先，收集線路定樁坐標(biāo)制作線路KML文件，每10個(gè)塔基和相應(yīng)的線路路徑為一組飛行任務(wù)，將全線分解成若干個(gè)飛行任務(wù)。其次，打開(kāi)DJIGSpro 2.0軟件，將軟件中的地圖優(yōu)化功能打開(kāi)，把分解的線路KML任務(wù)導(dǎo)入軟件中，生成航點(diǎn)和航線，航點(diǎn)即為塔基樁心位置。最后，對(duì)每組任務(wù)下的所有航點(diǎn)設(shè)置飛行速度、飛行高度、云臺(tái)俯仰角、航點(diǎn)動(dòng)作等。

試驗(yàn)方案中所有航點(diǎn)參數(shù)設(shè)置如下：飛行速度設(shè)置為10～12 m/s，飛行高度設(shè)置為183 m，偏航角為0，云臺(tái)俯仰角為-90°，所有航點(diǎn)的轉(zhuǎn)彎模式為定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎，航點(diǎn)動(dòng)作先為云臺(tái)俯仰角-90°，后為拍照，設(shè)置返航模式為自動(dòng)返航，并設(shè)置返航高度不低于飛行高度。每10個(gè)塔基為一組任務(wù)，分解后的飛行任務(wù)共計(jì)45個(gè)，飛行架次45次。每組任務(wù)飛行結(jié)束后，將拍攝的塔基正攝影像DOM按照施工樁號(hào)命名保存。

2.3 塔基實(shí)際擾動(dòng)面積計(jì)算

無(wú)人機(jī)全自動(dòng)航拍結(jié)束后，推算塔基區(qū)實(shí)際施工擾動(dòng)面積的步驟如下：

第一步：將試驗(yàn)塔基DOM導(dǎo)入PS軟件中，利用PS軟件中的多邊形套索工具將塔基永久占地范圍提取出來(lái)，在直方圖中查詢(xún)提取的永久占地范圍內(nèi)的像元數(shù)量Sn；查詢(xún)對(duì)應(yīng)試驗(yàn)塔基施工圖中的永久占地面積Sy；利用PS軟件中的快速選擇工具，設(shè)置圖像容差80，提取塔基施工擾動(dòng)范圍邊界，并在直方圖中查詢(xún)提取的塔基施工擾動(dòng)范圍內(nèi)的像元數(shù)量Sm。

第二步：利用試驗(yàn)塔基實(shí)際施工擾動(dòng)面積Sx與實(shí)際永久占地面積Sy比值等于對(duì)應(yīng)試驗(yàn)塔基施工擾動(dòng)范圍內(nèi)像元數(shù)量與永久占地范圍像元數(shù)量比值的關(guān)系式，快速推算出塔基實(shí)際施工擾動(dòng)面積Sx，推算公式為

(2)

(3)

式中：Sx為塔基實(shí)際施工擾動(dòng)面積；Sy為塔基實(shí)際永久占地面積；Sm為塔基施工擾動(dòng)范圍內(nèi)像元數(shù)量；Sn為塔基永久占地范圍內(nèi)像元數(shù)量。

第三步：利用手持GPS對(duì)試驗(yàn)塔基的實(shí)際施工擾動(dòng)面積進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，記為S真，對(duì)比分析Sx與S真的相對(duì)誤差，計(jì)算分析結(jié)果示例見(jiàn)表2、圖1。

圖1 試驗(yàn)塔基擾動(dòng)面積與永久面積像元信息示例

表2 塔基施工擾動(dòng)面積計(jì)算結(jié)果示例

3 不同監(jiān)測(cè)方法的比較

為比較手持GPS法、高分遙感影像法、無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量法以及輕小型無(wú)人機(jī)全自動(dòng)正攝拍照法監(jiān)測(cè)平原區(qū)輸電線路塔基擾動(dòng)面積的便捷性、經(jīng)濟(jì)性、時(shí)效性及準(zhǔn)確性，研究選取試驗(yàn)工程的50基塔分別利用4種方法進(jìn)行全覆蓋監(jiān)測(cè)，并從工作時(shí)間、設(shè)備資料成本、監(jiān)測(cè)時(shí)效性等方面對(duì)各方法進(jìn)行比較分析，見(jiàn)表3—5。

表3 不同監(jiān)測(cè)方法提取塔基擾動(dòng)面積的工作時(shí)間對(duì)比

結(jié)果表明：輕小型無(wú)人機(jī)全自動(dòng)正攝拍照法提取平原區(qū)輸電線路塔基區(qū)擾動(dòng)面積的數(shù)值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差在2%以?xún)?nèi)，滿足水土保持監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程中擾動(dòng)土地面積精度不低于95%的要求，該方法可行性較高。

通過(guò)對(duì)比4種監(jiān)測(cè)方法：從工作時(shí)間比較，輕小型無(wú)人機(jī)全自動(dòng)正攝拍照法用時(shí)最少，手持GPS法用時(shí)最長(zhǎng)，高分遙感影像法與無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量法相當(dāng)；從設(shè)備資料成本比較，高分遙感影像法成本最高，其次為無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量法，而輕小型無(wú)人機(jī)全自動(dòng)正攝拍照法與手持GPS法基本相當(dāng)；從監(jiān)測(cè)成果時(shí)效性分析，輕小型無(wú)人機(jī)全自動(dòng)正攝拍照法與無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量法因機(jī)動(dòng)靈活，時(shí)效性最強(qiáng)，其次為手持GPS法，高分遙感影像法受限于衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)間、天氣以及云量等因素，時(shí)效性最差；從監(jiān)測(cè)成果的相對(duì)誤差分析，以手持GPS法的實(shí)測(cè)值為真值進(jìn)行對(duì)比，輕小型無(wú)人機(jī)全自動(dòng)正攝拍照法與無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量法的相對(duì)誤差均在2%以?xún)?nèi)，滿足監(jiān)測(cè)規(guī)范中擾動(dòng)面積精度不低于95%的要求，而高分遙感影像法受限于衛(wèi)星影像的空間分辨率，其相對(duì)誤差為8.14%，不滿足監(jiān)測(cè)規(guī)范中的精度要求，因此高分遙感影像法并不適用于輸電線路塔基區(qū)擾動(dòng)面積的監(jiān)測(cè)。

綜上所述，通過(guò)對(duì)比4種監(jiān)測(cè)方法的工作時(shí)間、設(shè)備資料成本、監(jiān)測(cè)成果的時(shí)效性以及相對(duì)誤差不難看出，基于輕小型無(wú)人機(jī)全自動(dòng)正攝拍照法提取平原區(qū)輸電線路塔基施工擾動(dòng)面積的方法效果最佳。

表4 不同監(jiān)測(cè)方法提取塔基擾動(dòng)面積的設(shè)備資料成本對(duì)比

表5 不同監(jiān)測(cè)方法提取塔基擾動(dòng)面積的時(shí)效性及相對(duì)誤差對(duì)比

4 結(jié)論與建議

輕小型無(wú)人機(jī)全自動(dòng)正攝拍照法提取平原區(qū)輸電線路塔基區(qū)擾動(dòng)面積具有以下優(yōu)勢(shì)：一是解譯精度高。無(wú)人機(jī)拍攝的單個(gè)塔基正攝影像地面分辨率通常在厘米級(jí)別，遠(yuǎn)高于高分遙感影像空間分辨率，可清楚地識(shí)別出塔基施工擾動(dòng)邊界。二是時(shí)效性好。無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)可根據(jù)工作需求制定現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)頻次，能進(jìn)行多期線路擾動(dòng)面積監(jiān)測(cè)，能夠動(dòng)態(tài)反映工程擾動(dòng)面積的變化過(guò)程。三是覆蓋面廣、效率高。無(wú)人機(jī)全自動(dòng)正攝拍照法可快速、直觀、全面地獲取整個(gè)平原區(qū)輸電線路塔基的擾動(dòng)面積情況，大大減少了人員野外工作量和降低現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。但輸電線路經(jīng)過(guò)山丘區(qū)時(shí)，由于沿線高程變化較大，若采用統(tǒng)一航高，則獲取的塔基DOM地面分辨率將不一致，對(duì)解譯成果準(zhǔn)確度影響較大。若要獲取統(tǒng)一分辨率，則需要在山丘區(qū)線路實(shí)現(xiàn)變高飛行，但輕小型無(wú)人機(jī)受限于500 m的最大飛行高度以及有限的圖傳距離，變高全自動(dòng)飛行風(fēng)險(xiǎn)較大，無(wú)法保障飛行安全，不建議采用全自動(dòng)飛行模式。結(jié)合工作實(shí)踐，建議山丘區(qū)線路采用人工操控?zé)o人機(jī)抽樣獲取線路塔基正攝影像計(jì)算塔基區(qū)的實(shí)際擾動(dòng)面積。