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

倉 敏，吳 霜，程 曦，李小樸，孫 統(tǒng), 楊 貌

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 經(jīng)濟技術(shù)研究院，江蘇 南京 210008；2.中國電力工程顧問集團 華東電力設計院有限公司，上海 200001)

新階段，在開展水土保持監(jiān)測工作中，廣泛推廣應用高分遙感影像、無人機技術(shù)，提升了水土保持監(jiān)測工作的及時性、準確性，其中生產(chǎn)建設項目施工擾動面積的監(jiān)測是水土保持監(jiān)測工作的重要組成部分，貫穿項目建設的整個過程[1-5]。

輸電線路工程是一種點、線分布式工程，一般情況下具有路徑長、塔基多、交通不便的特點，施工擾動主要集中在塔基區(qū)。塔基區(qū)的擾動面積常規(guī)監(jiān)測方法有三種：一是采用手持GPS、皮尺等進行抽樣監(jiān)測，利用抽樣平均值計算已開工塔基的擾動面積，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)計的算術(shù)平均值代表性不足，若要獲取更為準確的塔基區(qū)擾動面積，則勢必增加現(xiàn)場監(jiān)測的工作難度。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)施工擾動面積，但輸電線路塔基施工擾動面積較小，一般100～10 000 m2不等，受衛(wèi)星遙感影像空間分辨率的影響，塔基施工擾動范圍在遙感影像上所占像元較少，無法清晰地解譯塔基擾動邊界導致解譯精度一般，另外高分遙感影像的價格也相對較貴[6-8]。三是采用無人機攝影測量技術(shù)可獲取整個輸電線路的擾動面積，但輸電線路由于線路較長，航測通常采用長航時、飛行速度快的固定翼或垂直起降無人機，該類型無人機體積大攜帶不便、現(xiàn)場飛行架次多、操作較為專業(yè)，且后期海量影像的數(shù)據(jù)處理及解譯需要使用航測及ArcGIS等軟件，該方法對硬件及軟件的要求極高，另外固定翼或垂直起降無人機和配套軟件的購置費昂貴[5,9-11]。為提高輸電線路塔基區(qū)擾動面積監(jiān)測的時效性和準確性，降低現(xiàn)場作業(yè)難度和專業(yè)性，減少內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理對軟硬件的依賴，我們根據(jù)平原區(qū)輸電線路的特點，提出一種基于輕小型無人機全自動正攝拍照法提取輸電線路塔基區(qū)施工擾動面積的監(jiān)測方法，以期為輸電線路工程水土保持監(jiān)測工作順利開展提供技術(shù)支撐。

1 實例工程

工程為某1 000 kV輸電線路工程，涉及3個設區(qū)市、1個省直管市、12個縣級行政區(qū)，全長2×222.601 km，鐵塔數(shù)量447基，沿線地勢平坦開闊，海拔較低。

2 試驗方案

2.1 設備配置與航線規(guī)劃

2.2.1 無人機型號

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

2.2.2 相機及云臺角度

大疆精靈4 RTK無人機為一體式云臺相機，傳感器為1英寸CMOS，2 000萬像素。云臺俯仰-90°至+30°。

2.2.3 航高設置

無人機搭載的相機類型不同，其影像地面分辨率也會不同。作業(yè)前應根據(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人機搭載的相機類型。無人機飛行相對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為無人機飛行相對高度；f為搭載相機鏡頭焦距；GSD為影像地面分辨率；a為像元尺寸。

以大疆精靈4 RTK無人機搭載的相機為例，其像元尺寸為2.4 um，焦距為8.8 mm，根據(jù)式(1)計算不同地面分辨率對應的無人機飛行高度，見表1。試驗采用的飛行高度為183 m，地面分辨率為5 cm。

表1 無人機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，收集線路定樁坐標制作線路KML文件，每10個塔基和相應的線路路徑為一組飛行任務，將全線分解成若干個飛行任務。其次，打開DJIGSpro 2.0軟件，將軟件中的地圖優(yōu)化功能打開，把分解的線路KML任務導入軟件中，生成航點和航線，航點即為塔基樁心位置。最后，對每組任務下的所有航點設置飛行速度、飛行高度、云臺俯仰角、航點動作等。

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

2.3 塔基實際擾動面積計算

無人機全自動航拍結(jié)束后，推算塔基區(qū)實際施工擾動面積的步驟如下：

第一步：將試驗塔基DOM導入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，在直方圖中查詢提取的永久占地范圍內(nèi)的像元數(shù)量Sn；查詢對應試驗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，設置圖像容差80，提取塔基施工擾動范圍邊界，并在直方圖中查詢提取的塔基施工擾動范圍內(nèi)的像元數(shù)量Sm。

第二步：利用試驗塔基實際施工擾動面積Sx與實際永久占地面積Sy比值等于對應試驗塔基施工擾動范圍內(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，快速推算出塔基實際施工擾動面積Sx，推算公式為

(2)

(3)

式中：Sx為塔基實際施工擾動面積；Sy為塔基實際永久占地面積；Sm為塔基施工擾動范圍內(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對試驗塔基的實際施工擾動面積進行現(xiàn)場實測，記為S真，對比分析Sx與S真的相對誤差，計算分析結(jié)果示例見表2、圖1。

圖1 試驗塔基擾動面積與永久面積像元信息示例

表2 塔基施工擾動面積計算結(jié)果示例

3 不同監(jiān)測方法的比較

為比較手持GPS法、高分遙感影像法、無人機攝影測量法以及輕小型無人機全自動正攝拍照法監(jiān)測平原區(qū)輸電線路塔基擾動面積的便捷性、經(jīng)濟性、時效性及準確性，研究選取試驗工程的50基塔分別利用4種方法進行全覆蓋監(jiān)測，并從工作時間、設備資料成本、監(jiān)測時效性等方面對各方法進行比較分析，見表3—5。

表3 不同監(jiān)測方法提取塔基擾動面積的工作時間對比

結(jié)果表明：輕小型無人機全自動正攝拍照法提取平原區(qū)輸電線路塔基區(qū)擾動面積的數(shù)值與實測值的相對誤差在2%以內(nèi)，滿足水土保持監(jiān)測技術(shù)規(guī)程中擾動土地面積精度不低于95%的要求，該方法可行性較高。

通過對比4種監(jiān)測方法：從工作時間比較，輕小型無人機全自動正攝拍照法用時最少，手持GPS法用時最長，高分遙感影像法與無人機攝影測量法相當；從設備資料成本比較，高分遙感影像法成本最高，其次為無人機攝影測量法，而輕小型無人機全自動正攝拍照法與手持GPS法基本相當；從監(jiān)測成果時效性分析，輕小型無人機全自動正攝拍照法與無人機攝影測量法因機動靈活，時效性最強，其次為手持GPS法，高分遙感影像法受限于衛(wèi)星運行時間、天氣以及云量等因素，時效性最差；從監(jiān)測成果的相對誤差分析，以手持GPS法的實測值為真值進行對比，輕小型無人機全自動正攝拍照法與無人機攝影測量法的相對誤差均在2%以內(nèi)，滿足監(jiān)測規(guī)范中擾動面積精度不低于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，其相對誤差為8.14%，不滿足監(jiān)測規(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)擾動面積的監(jiān)測。

綜上所述，通過對比4種監(jiān)測方法的工作時間、設備資料成本、監(jiān)測成果的時效性以及相對誤差不難看出，基于輕小型無人機全自動正攝拍照法提取平原區(qū)輸電線路塔基施工擾動面積的方法效果最佳。

表4 不同監(jiān)測方法提取塔基擾動面積的設備資料成本對比

表5 不同監(jiān)測方法提取塔基擾動面積的時效性及相對誤差對比

4 結(jié)論與建議

輕小型無人機全自動正攝拍照法提取平原區(qū)輸電線路塔基區(qū)擾動面積具有以下優(yōu)勢：一是解譯精度高。無人機拍攝的單個塔基正攝影像地面分辨率通常在厘米級別，遠高于高分遙感影像空間分辨率，可清楚地識別出塔基施工擾動邊界。二是時效性好。無人機監(jiān)測可根據(jù)工作需求制定現(xiàn)場監(jiān)測頻次，能進行多期線路擾動面積監(jiān)測，能夠動態(tài)反映工程擾動面積的變化過程。三是覆蓋面廣、效率高。無人機全自動正攝拍照法可快速、直觀、全面地獲取整個平原區(qū)輸電線路塔基的擾動面積情況，大大減少了人員野外工作量和降低現(xiàn)場作業(yè)風險。但輸電線路經(jīng)過山丘區(qū)時，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，對解譯成果準確度影響較大。若要獲取統(tǒng)一分辨率，則需要在山丘區(qū)線路實現(xiàn)變高飛行，但輕小型無人機受限于500 m的最大飛行高度以及有限的圖傳距離，變高全自動飛行風險較大，無法保障飛行安全，不建議采用全自動飛行模式。結(jié)合工作實踐，建議山丘區(qū)線路采用人工操控無人機抽樣獲取線路塔基正攝影像計算塔基區(qū)的實際擾動面積。