一種基于RTK無人機(jī)攝影測(cè)量導(dǎo)線弧垂的方法研究

郝 斌，才 源，朱春茂

(國(guó)網(wǎng)葫蘆島供電公司，遼寧 葫蘆島 125000)

近年來我國(guó)超高壓、特高壓輸變電工程已成為世界級(jí)的工程，弧垂作為輸電線路施工和運(yùn)行過程中的關(guān)鍵指標(biāo)，準(zhǔn)確測(cè)量尤為重要。隨著無人機(jī)(UAV)技術(shù)的不斷深入，特別是采用GPS載波相位實(shí)時(shí)差分測(cè)量技術(shù)(RTK)，輔助無人機(jī)攝影測(cè)量過程中的位置定位可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的測(cè)量精確性，獲得了廣泛認(rèn)可。而且無人機(jī)的高機(jī)動(dòng)性和便攜性可更加接近復(fù)雜且不易測(cè)量的目標(biāo)，其拍攝的高程數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地存儲(chǔ)在照片中，可通過Python算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和處理。所以，將RTK無人機(jī)攝影測(cè)量應(yīng)用于輸電線路弧垂測(cè)量具有可研性和重要意義。

1 架空輸電線路弧垂測(cè)量現(xiàn)狀

架空線任一點(diǎn)至兩端懸掛點(diǎn)連線的鉛垂距離，稱為架空線該點(diǎn)的弧垂(工程上所說的弧垂，一般指中點(diǎn)弧垂，見圖1)。目前，導(dǎo)地線弧垂的觀測(cè)方法一般有異長(zhǎng)法、等長(zhǎng)法(平行四邊形法)、角度法、平視法。在實(shí)際輸電線路驗(yàn)收過程中，為了操作方便，避免檔距或懸掛點(diǎn)高差在測(cè)量時(shí)的影響，減少現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算量以及掌握弧垂的實(shí)際誤差范圍，應(yīng)首先選用異長(zhǎng)法和等長(zhǎng)法。當(dāng)客觀條件受到限制，不能采用異長(zhǎng)法和等長(zhǎng)法觀測(cè)時(shí)，可選用角度法進(jìn)行觀測(cè)。如果采用異長(zhǎng)法、等長(zhǎng)法和角度法都不能達(dá)到觀測(cè)弧垂的允許范圍或難以掌握實(shí)際觀測(cè)誤差時(shí)，才考慮用平視法來觀測(cè)導(dǎo)線的弧垂。

圖1 輸電線路導(dǎo)線弧垂

采用經(jīng)緯儀測(cè)量導(dǎo)線弧垂時(shí)，需要計(jì)算的參數(shù)較多，精度要求也高。而在一些特殊的地形、導(dǎo)線掛點(diǎn)高差較大或者檔距較大的觀測(cè)檔，以上方法也不一定適用。特別是在小檔距孤立檔導(dǎo)線弧垂觀測(cè)時(shí)，由于導(dǎo)線弧垂較小，經(jīng)緯儀十字中絲很難平切到導(dǎo)線。只能通過間接的方式對(duì)孤立檔弧垂進(jìn)行計(jì)算，由于耐張串長(zhǎng)度和重量存在，這對(duì)導(dǎo)線的弧垂計(jì)算會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。由于弧垂觀測(cè)方法受以上因素限制，可能導(dǎo)致線路施工或驗(yàn)收時(shí)弧垂觀測(cè)誤差較大，影響線路安全穩(wěn)定運(yùn)行。

綜上所述，采用一種直接且不受桿塔所處地形影響的導(dǎo)線弧垂觀測(cè)方法迫在眉睫。隨著無人機(jī)(UAV)技術(shù)的不斷發(fā)展，采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法定位(RTK)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位無人機(jī)，為解決上述問題提供了方向。

2 無人機(jī)攝影測(cè)量導(dǎo)線弧垂的理論

針對(duì)輸電線路地面情況復(fù)雜、檔距較大、鐵塔高度高等復(fù)雜情況，利用RTK無人機(jī)攝影測(cè)量靈活的優(yōu)勢(shì)，通過導(dǎo)線弧垂計(jì)算模型分析、無人機(jī)選取、攝影測(cè)量弧垂的數(shù)學(xué)模型分析和獲取弧垂特征點(diǎn)方法研究等流程，完成RTK無人機(jī)攝影測(cè)量導(dǎo)線弧垂的方法研究。再根據(jù)無人機(jī)操控特點(diǎn)，確定無人機(jī)攝影測(cè)量導(dǎo)線弧垂的操作方法。

2.1 導(dǎo)線弧垂數(shù)學(xué)模型分析

工程上所說的弧垂，一般指中點(diǎn)弧垂，如圖2中f所示(以架空地線為例)。由圖2可知，AB是梯形的平分線，根據(jù)幾何理論有：

圖2 導(dǎo)線弧垂數(shù)學(xué)模型

(1)

受桿塔所處地形等因素限制，傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器無法直接測(cè)量出C、A′及D點(diǎn)的海拔高度。在精度允許的范圍內(nèi)，可以視導(dǎo)線的懸掛曲線為僅在在重力作用下處于鉛垂面內(nèi)的拋物線，所以在工程測(cè)量中，傳統(tǒng)導(dǎo)線弧垂測(cè)量只能利用經(jīng)緯儀等通過異長(zhǎng)法、等長(zhǎng)法(平行四邊形法)、角度法或平視法進(jìn)行測(cè)量。但利用RTK無人機(jī)對(duì)C、A′、D這3個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行拍攝照片，照片內(nèi)包含水平高程信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)提取即可獲得C、A′及D點(diǎn)的水平高程，再根據(jù)式(1)即可直接計(jì)算出導(dǎo)線弧垂。

2.2 測(cè)量平臺(tái)RTK無人機(jī)的選取

經(jīng)過對(duì)導(dǎo)線弧垂數(shù)學(xué)模型分析研究，考慮測(cè)量精度和操作方法可行性要求，本項(xiàng)目選取的無人機(jī)平臺(tái)是由大疆創(chuàng)新科技有限公司(DJI)推出的精靈Phantom 4 RTK無人機(jī)，其技術(shù)性能分析如下：精靈Phantom 4 RTK無人機(jī)集成RTK定位模塊，采用基于載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，擁有強(qiáng)大的抗磁干擾能力，能夠?qū)崟r(shí)穩(wěn)定在指定高精度坐標(biāo)系中的三維位置。在地面風(fēng)速遠(yuǎn)小于5 m/s時(shí)，垂直定位控制在±1.5 cm，水平定位控制在±1 cm之內(nèi)，真正實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位。

精靈Phantom 4 RTK無人機(jī)其搭載的TimeSync圖傳系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，提供遠(yuǎn)達(dá)7 km的高清圖傳?？蓪?shí)現(xiàn)飛控、相機(jī)與RTK的時(shí)鐘系統(tǒng)微秒級(jí)同步，減少位置信息與相機(jī)的時(shí)間誤差，為攝影測(cè)量提供更精確的高程數(shù)據(jù)信息。搭載的相機(jī)鏡頭都經(jīng)過嚴(yán)格工藝校正，相機(jī)中心相對(duì)于機(jī)載RTK天線相位中心的位置進(jìn)行補(bǔ)償處理，確保攝影測(cè)量的絕對(duì)精度。

大疆精靈Phantom 4 RTK無人機(jī)的厘米級(jí)精準(zhǔn)定位系統(tǒng)、遠(yuǎn)距離傳輸“三同步”圖傳系統(tǒng)、相機(jī)補(bǔ)償和便攜強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，確保測(cè)量保證了圖像高程數(shù)據(jù)的絕對(duì)精度，能夠滿足攝像測(cè)量導(dǎo)線弧垂的精度和技術(shù)要求，為實(shí)現(xiàn)無人機(jī)攝影測(cè)量導(dǎo)線弧垂提供了技術(shù)基礎(chǔ)。最終，本項(xiàng)目選取大疆精靈Phantom 4 RTK無人機(jī)為攝影測(cè)量平臺(tái)。

2.3 無人機(jī)攝影測(cè)量導(dǎo)線弧垂數(shù)學(xué)模型分析

大疆精靈Phantom 4 RTK無人機(jī)攝影記錄的高程信息為海拔高度，所以無論觀測(cè)檔地形如何，攝影記錄的數(shù)據(jù)始終是水平面到特征點(diǎn)的海拔高度，可確定RTK無人機(jī)攝影測(cè)量導(dǎo)線弧垂的3個(gè)特征點(diǎn)為(0，1，2)，如圖3所示(以架空地線為例)。通過操控?zé)o人機(jī)分別攝影記錄特征點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)(h0，h1，h2)，代入式(1)有：

圖3 無人機(jī)攝影測(cè)量導(dǎo)線弧垂數(shù)學(xué)模型

(2)

綜上，式(2)即為RTK無人機(jī)攝影測(cè)量導(dǎo)線弧垂的理論公式。

2.4 無人機(jī)獲取導(dǎo)線弧垂特征點(diǎn)方法研究

根據(jù)上述理論基礎(chǔ)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐總結(jié)，無人機(jī)獲取導(dǎo)線弧垂特征點(diǎn)的過程可分解為4個(gè)步驟(見圖4)，為敘述簡(jiǎn)潔明了，本部分以某一直線桿塔單條導(dǎo)線為例研究說明，實(shí)際測(cè)量多條導(dǎo)線的情況可依據(jù)下面所述方法推演，不再贅述。

圖4 無人機(jī)獲取導(dǎo)線弧垂特征點(diǎn)流程

無人機(jī)攝影測(cè)量導(dǎo)線弧垂各特征點(diǎn)及輔助點(diǎn)示意圖(見圖5)，其中輔助點(diǎn)為獲取特征點(diǎn)0的必要條件，具體操作方式如下。

圖5 無人機(jī)獲取導(dǎo)線弧垂特征點(diǎn)與輔助點(diǎn)示意圖

a.起飛前準(zhǔn)備。選擇合適機(jī)場(chǎng)，確定起飛和測(cè)量條件，鏈接無人機(jī)RTK服務(wù)，設(shè)置出遙控器屏幕網(wǎng)格。

b.起飛并拍攝特征點(diǎn)1與輔助點(diǎn)1。在確保周圍環(huán)境安全的前提下，安全操控?zé)o人機(jī)至特征點(diǎn)1(1號(hào)桿塔導(dǎo)線懸垂線夾正前方5～8 m處，見圖6)，確認(rèn)攝像頭角度為0°，拍攝照片獲取h1。安全操控?zé)o人機(jī)至1號(hào)桿塔正上方，調(diào)整攝像頭角度為-90°，參考屏幕網(wǎng)格中點(diǎn)，確保無人機(jī)處于1號(hào)桿塔正上方5～8 m處，該點(diǎn)即為輔助點(diǎn)1(1號(hào)桿塔中心正上方)，截圖此時(shí)圖傳屏幕，獲取到(X1,Y1,H1)。

圖6 特征點(diǎn)1與輔助點(diǎn)1示意圖

c.拍攝輔助點(diǎn)2與特征點(diǎn)2。安全操控?zé)o人機(jī)至2號(hào)桿塔正上方，調(diào)整攝像頭角度為-90°，參考屏幕網(wǎng)格中點(diǎn)，確保無人機(jī)處于2號(hào)桿塔正上方5～8 m處，該點(diǎn)即為輔助點(diǎn)2(2號(hào)桿塔中心正上方)，截圖此時(shí)圖傳屏幕，獲取(X2,Y2,H2)。安全操控?zé)o人機(jī)至特征點(diǎn)2(2號(hào)桿塔導(dǎo)線懸垂線夾正前方5～8 m處)確認(rèn)攝像頭角度為0°，拍攝照片獲取h2。

d.降落，確定輔助中點(diǎn)坐標(biāo)與高程。根據(jù)查看特征點(diǎn)1與2照片或截圖的經(jīng)緯度和高度信息，確定輔助點(diǎn)(1，2)連線上輔助中點(diǎn)位置(用于獲取特征點(diǎn)0)。輔助中點(diǎn)坐標(biāo)與高程信息均為輔助點(diǎn)(1，2)同類數(shù)據(jù)之和的一半(僅限無人機(jī)正面飛至輔助中點(diǎn)的情況，其他情況可自行設(shè)定高度以確保安全)。使用“航點(diǎn)飛行”模式，添加起始點(diǎn)與航點(diǎn)，該航點(diǎn)即為輔助中點(diǎn)，設(shè)置好航點(diǎn)(輔助中點(diǎn))的各項(xiàng)參數(shù)(經(jīng)緯度、高程、結(jié)束動(dòng)作等)，安全飛行至輔助中點(diǎn)位置，如圖7所示。

圖7 確定輔助中點(diǎn)坐標(biāo)及高程示意圖

e.拍攝特征點(diǎn)0。待飛機(jī)在中點(diǎn)懸停后，僅調(diào)整飛機(jī)航向與攝像頭角度，確保飛機(jī)航向與導(dǎo)線垂直(參考網(wǎng)格線)。操控?zé)o人機(jī)前進(jìn)或后退至導(dǎo)線外側(cè)5～8 m處，調(diào)整攝像頭角度并參考網(wǎng)格線，勻速降落至待測(cè)導(dǎo)線正前方(此點(diǎn)即為特征點(diǎn)0)，確認(rèn)攝像頭角度為0°，進(jìn)行拍攝獲取h0。

f.降落。在確保安全飛行的前提下，降落飛機(jī)。至此3個(gè)特征點(diǎn)照片拍攝完畢，弧垂計(jì)算特征點(diǎn)數(shù)據(jù)h0、h1、h2均已獲取完畢，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)處理和弧垂計(jì)算。

3 數(shù)據(jù)處理與弧垂計(jì)算

通過無人機(jī)攝影測(cè)量導(dǎo)線弧垂的數(shù)學(xué)模型分析可知，數(shù)據(jù)處理時(shí)如果確定出h0即可滿足為滿足自動(dòng)計(jì)算條件。因弧垂計(jì)算特征點(diǎn)數(shù)據(jù)h0、h1、h2的大小關(guān)系始終滿足h1或h2>h0，此數(shù)據(jù)特征為弧垂自動(dòng)計(jì)算提供了條件。運(yùn)用Python語言程序設(shè)計(jì)，編輯指定算法可實(shí)現(xiàn)照片高程數(shù)據(jù)自動(dòng)抓取，再設(shè)計(jì)相關(guān)算法分析出h0，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算，在實(shí)際測(cè)量場(chǎng)景下，提高測(cè)量和計(jì)算效率。

運(yùn)用Pyinstaller軟件，編程并封裝上述主要算法，開發(fā)出“馳度測(cè)量V1.0”軟件，即可完成該條導(dǎo)線弧垂的自動(dòng)計(jì)算，提高測(cè)量效率(見圖8)。

圖8 弧垂計(jì)算軟件界面

4 典型案例分析

4.1 方法驗(yàn)證分析

2020年7月，本項(xiàng)目試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在葫蘆島地區(qū)實(shí)地驗(yàn)證應(yīng)用。選取了具有代表性的7檔輸電線路作為試驗(yàn)測(cè)量線路。設(shè)立2組無人機(jī)測(cè)量小組和2組經(jīng)緯儀測(cè)量小組，分別對(duì)7檔試驗(yàn)線路進(jìn)行導(dǎo)線弧垂測(cè)量并做好記錄(見表1)。

表1 220 kV線路導(dǎo)線弧垂現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)記錄

4.2 實(shí)用性對(duì)比

在使用RTK無人機(jī)攝影測(cè)量的同時(shí)，對(duì)試驗(yàn)檔的導(dǎo)線弧垂用經(jīng)緯儀進(jìn)行測(cè)量。通過表1對(duì)比可知：RTK無人機(jī)攝影測(cè)量導(dǎo)線弧垂準(zhǔn)確性符合工程要求，精度較高。特別是在桿塔所處地形復(fù)雜的情況下，優(yōu)勢(shì)較大，實(shí)用性較強(qiáng)。經(jīng)試驗(yàn)人員反饋，在連續(xù)測(cè)量作業(yè)時(shí)RTK無人機(jī)攝影測(cè)量導(dǎo)線弧垂省時(shí)省力，測(cè)量效率較高，具有可推廣性。

5 結(jié)語

通過對(duì)RTK無人機(jī)攝影測(cè)量導(dǎo)線弧垂技術(shù)的探索與研究，提出了采用RTK無人機(jī)攝影測(cè)量導(dǎo)線弧垂的新方法。專門設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)處理和弧垂計(jì)算軟件，大大提高了弧垂觀測(cè)效率。通過以上研究介紹，有效解決傳統(tǒng)導(dǎo)線弧垂觀測(cè)方法不能滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)全部需要的問題，進(jìn)一步彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)瓶頸，從而提高弧垂測(cè)量的工作效率。通過案例分析，試驗(yàn)驗(yàn)證了RTK無人機(jī)在測(cè)量導(dǎo)線弧垂應(yīng)用上的可行性，為輸電線路設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收等提供了一種弧垂觀測(cè)和檢驗(yàn)的新方法，也為輸電線路交叉跨越和檔距測(cè)量提供了新思路。