無人機(jī)航測技術(shù)在10 kV電力線路工程測量實(shí)踐中的運(yùn)用

摘要：由于10 kV電力線路主要承擔(dān)著分配電能至電力用戶的任務(wù)，所以每當(dāng)收到電力用戶的新增和擴(kuò)容申請后都需要新建、擴(kuò)建10 kV電力線路以保障電能的供應(yīng)。在工程開始前需要進(jìn)行現(xiàn)場勘測以保障電力線路的科學(xué)規(guī)劃和敷設(shè)，而傳統(tǒng)人工測量由于效率低下且準(zhǔn)確率不高已無法跟上當(dāng)下10 kV電力線路建設(shè)的步伐。鑒于此，介紹了一種基于激光雷達(dá)原理的無人機(jī)航測技術(shù)，并結(jié)合工程實(shí)例逐步剖析了該技術(shù)的使用方法，為10 kV電力線路工程測量提供了一種高效實(shí)用的辦法。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)航測;10 kV電力線路;激光雷達(dá);工程應(yīng)用

中圖分類號(hào)：P23;TM752" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）24-0082-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.24.020

0" " 引言

通常意義上的無人機(jī)是指多軸飛行器，即帶有3個(gè)以上旋翼軸的直升機(jī)。市面最常見的是四旋翼無人機(jī)，每個(gè)旋翼軸都安裝有可控制的無刷電機(jī)，電機(jī)在內(nèi)置控制器的命令下采用特定的轉(zhuǎn)速工作，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)從而對空氣產(chǎn)生向下的推力使無人機(jī)獲得向上的升力。

起初無人機(jī)的使用領(lǐng)域有限，僅限于軍用，沒有市場的需求無法刺激其高速發(fā)展，因此無人機(jī)的發(fā)展出現(xiàn)了一段時(shí)間的停滯。隨著產(chǎn)業(yè)升級(jí)，特別是通信技術(shù)的升級(jí)，無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用越來越多地被開發(fā)出來，因此近幾年無人機(jī)得到了爆發(fā)式發(fā)展。由于5G與無人機(jī)技術(shù)的結(jié)合，無人機(jī)信息傳輸和信息處理能力得到了極大的提高，因此無人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)被開發(fā)出來用于處理復(fù)雜的地形測繪，無人機(jī)航測技術(shù)的出現(xiàn)也給電力行業(yè)帶來了許多便利，特別是在10 kV電力線路測量工程中，由于電力用戶分布廣，10 kV電力線路穿越地形復(fù)雜多樣，當(dāng)因工程需要對10 kV電力線路進(jìn)行測繪時(shí)，須人工勘察現(xiàn)場，效率十分低下，特別是在廣東，地形以丘陵為主，更加不利于現(xiàn)場勘測工作的進(jìn)行。因此，將無人機(jī)航測技術(shù)應(yīng)用于10 kV電力線路工程測量極大地提高了工作效率，節(jié)約了人力與時(shí)間成本[1]。

1" " 無人機(jī)航測原理及其優(yōu)勢

1.1" " 無人機(jī)航測原理

無人機(jī)測繪依靠激光雷達(dá)技術(shù)，激光雷達(dá)又稱光學(xué)雷達(dá)，一般是由激光發(fā)射器、接收器和慣性定位導(dǎo)航三個(gè)主要模塊組成。當(dāng)激光雷達(dá)工作時(shí)，會(huì)對外發(fā)射激光，在遇到物體后，激光折射回來被CMOS傳感器接收，從而測得本體到障礙物的距離。從原理來看，只要知道光速和從發(fā)射到CMOS感知的時(shí)間就可以測出障礙物的距離，再結(jié)合實(shí)時(shí)GPS、慣性導(dǎo)航信息，并計(jì)算激光雷達(dá)發(fā)射出去的角度，系統(tǒng)即可得到前方物體的坐標(biāo)方位和距離信息。所以，航測無人機(jī)上安裝的激光雷達(dá)裝置根據(jù)設(shè)定角度向下方發(fā)送大量的激光束，其接收裝置就會(huì)搜集到地面各類障礙物反射回來的信號(hào)。

通過計(jì)算激光信號(hào)從發(fā)射到接收的時(shí)間差，再配合激光掃描所發(fā)射的角度以及當(dāng)前的INS信息和GPS位置等數(shù)據(jù)，經(jīng)過內(nèi)置程序的計(jì)算處理就會(huì)生成一種三維立體信號(hào)，該三維立體信號(hào)包含空間位置信息和距離信息，再利用專業(yè)的軟件進(jìn)行組合計(jì)算就能得到待測地形的線、面、體的具體參數(shù)，從而就能建立出三維點(diǎn)云圖并繪制出待測區(qū)域的三維地形地圖[2]。

1.2" " 無人機(jī)航測優(yōu)勢

對于10 kV電力線路傳統(tǒng)測量方式還是以人工測量為主，測量人使用全站儀、花桿和皮尺等作業(yè)設(shè)備，根據(jù)幾何原理進(jìn)行施測，雖然傳統(tǒng)方法測量原理簡單，投入小，但對于大面積、長距離的測量工程并不適用，因?yàn)槿珣{人力測量，會(huì)大大增加工人勞動(dòng)強(qiáng)度，并拖慢工程進(jìn)度，同時(shí)也無法保障測量精度。

采用結(jié)合激光雷達(dá)技術(shù)的無人機(jī)航測技術(shù)，可以快速精確地測量工程實(shí)地地形，完美地繪制呈現(xiàn)出施工區(qū)域的地理信息，為工程施工提供有力的數(shù)據(jù)保障，給10 kV電力線路新建、改造工程的規(guī)劃和開展提供直觀的可視化數(shù)據(jù)，大大減少電力作業(yè)人員的工作量，縮短工程時(shí)間，提高施工效率[3]。

2" " 工程概述

2.1" " 工程內(nèi)容介紹

現(xiàn)有客戶廣東華鰲合金新材料有限公司進(jìn)行增容業(yè)擴(kuò)報(bào)裝，地址為廣東省江門市鶴山市鶴城鎮(zhèn)工業(yè)二區(qū)皇冠大道18號(hào)，占地面積約141 692 m2，建筑面積約31 779 m2，客戶原有容量22 830 kVA，本期新增容量5 400 kVA，總?cè)萘?8 230 kVA。本項(xiàng)目測區(qū)位于鶴山市鶴城鎮(zhèn)大南排村委會(huì)地塊東側(cè)，建設(shè)內(nèi)容為新建10 kV線路，項(xiàng)目南北向長度為1 424 m，東西向長度約為2 923 m，測區(qū)面積約為1.02 km2，地貌類型有山地、丘陵，地勢呈北、東北高，南、西南低。測區(qū)略圖如圖1所示。

本工程初定從110 kV鶴城站（#2母線）新出1回線路（暫命名為“10 kV華鰲線”，線路總長3 158 m，其中電纜總長724 m，電纜銅導(dǎo)體截面采用300 mm2，架空線總長2 434 m，導(dǎo)線截面采用240 mm2），延伸至華鰲公司規(guī)劃用電紅線外50 m范圍內(nèi)。新建10 kV線路在選線階段需要對沿路地形進(jìn)行勘測。

2.2" " 工程工具介紹

本工程新增10 kV華鰲線長度較長，前期需要勘測110 kV鶴城站到華鰲合金新材料有限公司的地形，為選址選線提供依據(jù)。本次工程采用無人機(jī)航測技術(shù)進(jìn)行測繪，無人機(jī)型號(hào)為DJI經(jīng)緯M350 RTK。該款無人機(jī)集成了DJI先進(jìn)的飛控系統(tǒng)、六向視覺系統(tǒng)、六向紅外感知系統(tǒng)和夜視FPV攝像頭，兼容全向避障雷達(dá)，適配多款DGC2.0接口的云臺(tái)相機(jī)，最多同時(shí)支持三個(gè)獨(dú)立云臺(tái)，并配備多個(gè)SDK擴(kuò)展口，搭配DJI ZENMUSE L1/P1可實(shí)現(xiàn)高精度測繪。本次測繪配備千尋Xmini GNSS接收機(jī)一臺(tái)套，大疆禪思P1鏡頭，大疆禪思L2鏡頭，計(jì)算機(jī)三臺(tái)套。以上各種儀器設(shè)備作業(yè)前均進(jìn)行了全面檢查和檢驗(yàn)，性能均符合作業(yè)要求。圖2所示為大疆經(jīng)緯M350 RTK無人機(jī)搭載P1鏡頭。

3" " 無人機(jī)航測應(yīng)用

3.1" " 無人機(jī)航測工程應(yīng)用流程介紹

如圖3所示，使用無人機(jī)進(jìn)行地形航測的作業(yè)流程分為六個(gè)步驟。

第一步，任務(wù)接受。首先要對工程任務(wù)進(jìn)行分析，收集任務(wù)測區(qū)的資料，包括圖像與影像資料（地形圖、規(guī)劃圖、衛(wèi)星影像、航攝影像等），地形地貌、氣候條件，機(jī)場、軍事基地等重要設(shè)施，通過收集的資料判斷設(shè)備是否適應(yīng)測區(qū)環(huán)境，是否具備空域條件，然后根據(jù)要執(zhí)行的任務(wù)選擇飛機(jī)類型。

第二步，規(guī)劃設(shè)計(jì)。通過用戶提供的界址坐標(biāo)信息，在谷歌地球軟件上將任務(wù)區(qū)域的范圍標(biāo)注并突顯出來，同時(shí)將區(qū)域范圍內(nèi)及周邊區(qū)域的圖址信息緩存到本地并記錄下任務(wù)區(qū)域內(nèi)最高點(diǎn)的海拔值，以便任務(wù)規(guī)劃時(shí)使用。運(yùn)行飛控軟件進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)，在滿足精度要求和飛行安全的前提下，任務(wù)規(guī)劃需要合理安排歸航點(diǎn)的位置。

第三步，現(xiàn)場勘測。執(zhí)行飛行任務(wù)前需至現(xiàn)場踏勘，了解現(xiàn)場情況，落實(shí)具體的任務(wù)區(qū)域范圍并選擇適合的起飛、降落點(diǎn)。

第四步，航拍飛行。需要按照規(guī)劃設(shè)計(jì)的任務(wù)執(zhí)行拍攝任務(wù)，在現(xiàn)場要做到安全高效，團(tuán)隊(duì)間要配合作業(yè)。對飛行過程中可能遇到的緊急問題要做好預(yù)案，采取正確的應(yīng)變措施。要根據(jù)光照強(qiáng)度及地面情況選擇合適的時(shí)間執(zhí)行飛行任務(wù)。

第五步，數(shù)據(jù)歸檔。航拍結(jié)束后要檢查有無漏拍，拍攝質(zhì)量是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

第六步，數(shù)據(jù)交付。完成拍攝相關(guān)的記錄表格填寫、備案等，交付合格數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理工作。

3.2" " 作業(yè)實(shí)施

依據(jù)CH/T 2009—2010《全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量（RTK）技術(shù)規(guī)范》布設(shè)控制點(diǎn)，以控制點(diǎn)作為起算點(diǎn)。此項(xiàng)目對測區(qū)布設(shè)5個(gè)圖根控制點(diǎn)，控制點(diǎn)以均勻分布的方式布設(shè)在測區(qū)范圍內(nèi)，用直徑20 mm、刻有中心叉的鉚釘打入地面。利用一臺(tái)RTK進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量，觀測時(shí)應(yīng)采用三腳架對中、整平（對中誤差不得大于2 mm）。天線高測前丈量兩次取中數(shù)（架三腳架，可固定高度，高度取位至0.001 m），測后復(fù)核;四周空曠，接收條件良好，觀測的采樣間隔為10 s，每次觀測歷元數(shù)應(yīng)大于等于15個(gè)，有效觀測衛(wèi)星數(shù)大于等于5，PDOP值小于等于6。檢測周邊已有同等級(jí)以上控制點(diǎn)，符合限差要求后可進(jìn)行未知點(diǎn)測量，對每個(gè)控制點(diǎn)需初始化觀測兩次，符合限差要求后換點(diǎn)觀測，對每個(gè)控制點(diǎn)須進(jìn)行3組GPS觀測，兩組觀測值的點(diǎn)位互差在限差之內(nèi)取中數(shù)，否則重測。

本項(xiàng)目在測區(qū)內(nèi)利用原有控制點(diǎn)PD1、PD2、PD3、PD4、PD5，使用千尋Xmini接收機(jī)接收廣東CORS系統(tǒng)中心信號(hào)，每時(shí)段觀測時(shí)間均為5 min，采取3次觀測取其平均值的方法。在每點(diǎn)設(shè)站時(shí)，對中誤差均小于0.5 mm。觀測前后各量取一次天線高，兩次量取的天線高之差不大于2 mm。測量前后量取兩次天線高中數(shù)取其平均值作為天線高，進(jìn)行3次觀測，取各次測量平均值做對比，控制點(diǎn)成果如表1所示。

地形圖測量：按1：500塊狀地形圖測量規(guī)范要求進(jìn)行，因測區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域?yàn)殡s草地、裸土地、池塘等，因此外業(yè)采用無人機(jī)傾斜攝影測量、GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)技術(shù)（RTK）相結(jié)合進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集。先使用無人機(jī)傾斜攝影測量建模;然后根據(jù)甲方提供的設(shè)計(jì)圖識(shí)別作業(yè)區(qū)域范圍，根據(jù)測區(qū)范圍均勻劃分九宮格，使用大疆遙控器自帶飛行軟件導(dǎo)入KML文件，進(jìn)行航線規(guī)劃，設(shè)置旁向重疊率70%、航向重疊率80%，軟件自動(dòng)生成航線。用大疆禪思P1鏡頭和大疆禪思L2鏡頭對測區(qū)范圍進(jìn)行作業(yè)。

內(nèi)業(yè)處理：使用大疆智圖軟件對無人機(jī)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行OSGB格式模型、LAS激光點(diǎn)云輸出，使用南方CASS11.0軟件導(dǎo)入無人機(jī)飛行成果模型（OSGB）開始繪圖，水下高程導(dǎo)入到地形圖里。作業(yè)小組把數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X，對照手簿代號(hào)及航測模型、雷達(dá)成果進(jìn)行連線成圖和編輯修改，最終按照圖式繪圖并加繪各種符號(hào)與注記，生成地形圖，各種符號(hào)的表示嚴(yán)格按地形圖圖式執(zhí)行。圖面上應(yīng)充分反映出陸上不同植被和不同土質(zhì)的分界點(diǎn)，并注明其屬性;反映出附近已有建（構(gòu)）筑物、道路，保證特征點(diǎn)（轉(zhuǎn)彎、分叉處）全部采點(diǎn);各類建筑物、構(gòu)筑物及其主要附屬設(shè)施均應(yīng)進(jìn)行測繪，并注記房屋結(jié)構(gòu)、層數(shù)、單位名等屬性;道路交通及附屬設(shè)施的測繪，圖上應(yīng)準(zhǔn)確反映道路的類別等級(jí)、附屬設(shè)施的結(jié)構(gòu)和關(guān)系，并調(diào)注鋪面材料;水系及其附屬物，按實(shí)際形狀測繪。在進(jìn)行水深內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)，先將計(jì)算機(jī)采集的數(shù)據(jù)與測深儀數(shù)字底質(zhì)圖進(jìn)行比較，對個(gè)別有矛盾的數(shù)據(jù)以測深儀底質(zhì)圖為準(zhǔn)，并結(jié)合波浪平滑原則進(jìn)行改正，然后嚴(yán)格按時(shí)間進(jìn)行水位修正。將外業(yè)自動(dòng)采集的坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件、水深文件和水位文件，利用華測HydroSurvey軟件進(jìn)行計(jì)算，生成可供繪圖軟件使用的格式，并采用南方CASS11.0成圖軟件編輯成電子地形圖。圖4所示為本次航測的電子地形圖，它清晰地描述了目標(biāo)區(qū)域的地理地形。

4" " 結(jié)束語

本文首先介紹了無人機(jī)航測技術(shù)使用的原理及其優(yōu)勢，然后對本次新建10 kV電力線路工程進(jìn)行了說明，并且列出了該工程無人機(jī)航測使用的配套設(shè)備。最后對無人航測技術(shù)的科學(xué)作業(yè)流程進(jìn)行了闡述，再結(jié)合工程實(shí)際，重點(diǎn)探討了無人機(jī)航測技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工程的方法，為10 kV電力線路工程測量提供了一種實(shí)用高效的作業(yè)方法。

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