低空无人机测绘技术在输电通道巡检中的应用

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　　摘 要：随着地方经济的不断发展和电网规模的逐步扩张，架空输电线路通道走廊及周边外力破坏隐患不断增多，传统人工巡检方式已经无法满足当前对于通道走廊快速排查和影像取证的需求，亟待寻找新的技术和方法予以解决。本文结合架空输电线路通道走廊巡检工作要求和低空无人机测绘技术应用现状，通过试验实例来分析和探讨低空无人机测绘技术在输电通道巡检中的应用，实现无人机的自主飞行和自动对地测绘摄影，实现大比例尺下输电通道照片的自动拼接和正射影像图的自动化成像。
　　关键词：低空;无人机测绘;输电通道;自主巡检;自动拼接;自动化成像
　　中图分类号：TM755 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）20-0156-02
　　0 引言
　　随着地方经济的不断增长，电网规模不断扩大，架空输电线路的空间分布也越来越广泛，从高山大岭到山谷沟壑，从坝上草原到丘陵平原，架空输电线路所处地域广袤、地理环境复杂。同时，由于市政工程建设和地方产业发展等多方面因素，修路、造桥、建房等情况不断增多，架空输电线路通道走廊及周边存在着大量的外力破坏隐患。在传统巡检方式下，为弄清线路通道走廊及周边各类隐患的分布、位置和距离，需要大量人力到现场进行摸排、摄影和测量作业。受技术条件、地形因素和人工作业水平限制，所需时间长、效率低，排查结果不全面、不直观，效用有限。随着无人机低空航空摄影研究的不断深入，低空无人机测绘技术应运而生，由于其具备机动灵活、高效快速、价格低廉、安全可靠的特点，受到越来越多的关注和广泛的应用。利用无人机自主飞行对架空输电线路通道走廊进行自动化测绘摄影，然后通过专用摄影测量拼接软件，自动化生成线路通道走廊区域内全景影像或正射影像图，为架空输电线路的运维单位制定有针对性的预防线路外力破坏事故措施，开展电力设施保护工作，提供直观的影像依据。
　　1 低空无人机数字摄影测量系统
　　1.1 系统构成
　　低空无人机数字摄影测量系统主要包括无人机平台、地面站、任务载荷、C2链路（Command and Control data link，指令与控制数据链路），以及影像数据处理与测绘成果制作子系统等五部分组成。其中，无人机飞行平台需具备GPS模块、RTK（Real time kinematic，实时动态载波相位差分）或PPK（Post processed kinematic，动态后处理）模块。任务载荷可根据不同的任务类型配置相应的设备，可包括高分辨率数码相机、多光谱成像仪、红外成像仪和激光扫描仪等。影像数据处理与测绘成果制作子系统，采用在计算机或图形工作站上，安装行业专用的摄影测量拼接软件，进行最终图像处理和测绘成图。
　　1.2 无人机平台选择
　　执行测绘任务时，选择哪种类型的无人机必须综合考虑无人机性能、测绘对象、测绘区域和测绘时限等因素[1]。根据输电线路的长度、区域内地理环境特点、作业时间要求、以及制图精度的不同要求，选用不同的无人机飞行平台和任务载荷。在超长距离、通讯信号受限、地理环境极端复杂区域，一般采用搭载PPK技术的固定翼无人机在高空进行摄影测绘，同时需在地面设置基准站、移动站，以及若干地面控制点。在短距离、通讯信号良好、局部成像要求高时，可采用搭载RTK技术的多旋翼无人机在低空进行摄影。
　　1.3 适用性分析
　　开展架空输电线路通道走廊巡检的目的，主要是为了取得线路重要交跨区段及通道走廊周边区域内的高清晰、大比例尺的可见光图像，在图像上能清晰反映出架空输电线路通道走廊及周边隐患信息。固定翼无人机测绘作业政策限制多、审批周期长、技术要求多，现场测绘作业地面基准站、移动站和控制点的布设过于复杂，实施难度相对较高;后期图像处理周期长，成图调整细节多、图像清晰度和辨识度难以保证;固定翼无人机测绘技术的便捷性、时效性和实用性有限。利用搭载RTK技术和高像素可见光相机的多旋翼无人机在低空进行测绘拍照，政策限制小、技术简单、便捷灵活、设备集成度高、影像成图速度快，更适宜架空输电线路运维单位使用。
　　2 低空无人机测绘试验设计
　　2.1 试验目的
　　通过试验实例来验证选择的多旋翼无人机平台和专业摄影测量拼接软件系统等，是否能满足架空输电线路运维单位对于线路通道走廊运维巡查测绘作业便捷、作业周期短、影像成图快速、图像清晰精准的需求。主要为核实以下几个问题：一是选用的无人机平台及配套地面站是否能满足自主飞行作业要求;二是自动测绘拍摄的照片能否满足后期图像处理和测绘成图的要求;三是测绘拼接软件自动化流程生成的图像，其细节是否清晰可辨、成像精度和误差是否在可接受范围内;四是对人工手工操作拍摄和无人机自动拍摄成像效果进行对比。
　　2.2 试验区域
　　经过现场勘查和筛选，选择了承德市西部郊区一条220千伏同塔双回输电线路的一处重要交叉跨越区段作为试验区域。该区段跨越高速公路和国道，线路通道走廊及周边存在大量的树木植被、民房、临时建（构）筑物、施工场地及大型机械，同时周边还有多条在运配电线路和通讯线路，跨越档两侧铁塔分别位于南北两侧的山顶上。测绘作业区域为880×270m的带状区域，试验区域总面积约0.24平方公里。
　　2.3 无人机平台的选择
　　经过多方比选，最终选取集成度高、操作简便的DJI Phantom4 RTK无人机平台及配套地面站软件作为试验测试设备，该无人机系统集成了2000万像素可见光相机和RTK GNSS（Global Navigation Satellite System，全球卫星导航系统）模块，具备厘米级高精度定位、图像位置补偿、自主航线规划、自动化飞行测绘作业、障碍物感知和自动避让等功能。
　　3 低空数字影像的获取
　　3.1 一般作业流程
　　无人机测绘包括外业工作和内业工作两部分，外业工作包括现场勘查、任务规划、航线规划、参数计算、地面控制点布设、测绘航拍、设备回收等。内业工作包括图像预处理、空中三角测量、定向建模、DLG（Digital Line Graphic，数字划线图）、DEM（Digital Elevation Model，數字高程模型）、DOM（Digital Orthophoto Map，数字正射影像）制作、快速全景图拼接等。 　　3.2 测绘摄影流程
　　本次试验用无人机设备自动化和智能化程度相对较高，外业作业现场勘查后，在地面站上完成飞行任务建立、参数设置、航点规划、航线自动生成、任务数据上传，点击开始飞行后，无人机进行自主飞行、自动测绘摄影，任务完成后自动返航并降落。
　　3.3 主要参数设置
　　为满足后期拼接处理对图像重叠的要求，航向重叠度一般应为60～65%;个别最大不得大于75%，最小不得小于56%。相邻航线的像片旁向重叠度一般应为30～35%，个别最小不得小于13%[2]。本次试验飞行参数在地面站飞行任务规划中设置，考虑到线路两侧铁塔在山上，而中间为河谷平原，为得到更高的精度和更好的效果，主航线上重复率设置为80%、航线间重复率设为60%、主航线角度根据生成的航线做调整，飞行高度约140m，飞行速度7m/s，分辨率4.0CM/PX，拍摄时间间隔设置为3s。
　　3.4 航线设计优化
　　地面站上航点设置完毕后，在试验区域内自动生成飞行航线，航线呈现形状为之字形。为了让无人机飞行时间更长，拍摄更多的图像，原则上让无人机尽量多的处于匀速飞行状态，因此航线应尽量规则，折返飞行次数越少越好。
　　3.5 自主飞行及自动影像获取
　　无人机起飞后，立即进行自主飞行模式，无人机飞行至任务区起点处后，所搭载的可见光照相机自动开始进行测绘摄影。自主飞行作业期间，地面站屏幕上能够实时显示无人机的位置、姿态、距离、飞行高度、图传、信号强度、剩余电量及飞行时间等信息。在自主飞行及自动摄影期间无需人工干预，无人机驾驶员做好设备状态监控和应急相应准备即可。依据试验设计，于2019年4月在试验区域完成了无人机自主飞行测绘作业，获取试验区域高清晰度图像90张，照片存储在无人机本身安装的存储卡上，后续处理导出至计算机或图形工作站上。一个架次无人机飞行测绘作业所用时间不超过20分钟。
　　4 数字全景影像拼接和数字正射影像制作
　　4.1 数字全景影像拼接
　　全景影像是原始影像直接拼接的结果，不需要地面控制点等已知数据，只需要影像匹配获得的同名点即可快速生成[3]。选用PTGui作为全景影像图的拼接和处理软件，该软件能自动读取照片的镜头参数，识别图片重叠区域的像素特征，然后以控制点的形式进行自动拼合，并进行优化融合。在软件的全景图片编辑器支持多种视图的映射方式，也可以手工添加或删除控制点，从而提高拼接的精度。主要操作步骤包括三步：加载一组原始图像、运行自动对准图像、创建全景图并保存。在试验用計算机上完成试验区域拍摄的90张图像的自动化拼接，用时约10分钟。
　　4.2 数字正射影像制作
　　选用PhotoScan作为正射影像的处理软件，特点是无需设置初始值、无须相机检校，根据最新的多视图三维重建技术，对任意照片进行处理，无需控制点，可生成高分辨率正射影像（使用控制点可达5cm精度），也可生成真实坐标的三维模型[4]。该软件完全自动化的工作流程，即使非专业人员也可以在一台电脑上处理大量航空影像，生成专业级别的摄影测量数据。该软件支持GPU加速运算，能够进一步提高运算速度和图像处理效率。主要操作步骤包括对齐照片、构建密集点云、生成网格、生成纹理、生成正射影像、导出图像等。试验区域正射影像的生成效率，受计算机或图形工作站的性能限制，以及不同质量要求，可选择高、中、低质量的成像参数，生成正射影像所需时间差异较大，生成高精度正射影像所需时间为几十分钟、甚至数十个小时;生成中精度正射影像需几十分钟;低精度正射影像需几分钟即可。在试验用计算机上，通过图像软件自动化处理，生成一幅试验区域高等质量正射影像，同步生成了密集点云模型和3D模型，用时约3个小时，还可以通过软件中的标尺工具对区域内任意两点空间距离进行测量。
　　5 影像成图实例效果分析和对比
　　5.1 人工操作和无人机自动测绘对比
　　通过人工手动操作无人机设备开展测绘作业拍摄的图像，由于人员技术技能水平参差不齐，存在无人机飞行航线误差大、测绘摄影定位精度不足、拍摄高度和拍摄角度控制困难、图像重叠度不满足规范要求等原因，在后期进行图像处理时，拼接和生成的图像存在局部地物错位、色调色彩差异过大、细节辨识性不足等情况，也存在图像比例尺不一致造成无法生成正确图像的问题，人工手动操作无人机拍摄的图像基本无法用来制图，即便制成成图也无参考价值。
　　5.2 数字全景影像图和数字正射影像图对比
　　数字全景影像图，是通过使用原始图像直接拼接而成，主要优势是成图速度快，全景影像图在需要快速成图时具备极大优势，可通过随身携带的便携式计算机或图形工作站，在无人机测绘摄影完成后，在现场利用几分钟时间即可完成全部图像处理。由于全景影像图并不是严格基于共线方程生成，其相邻影像间会出现明显的接边误差[5]，部分图像会出现地物错位、重影、模糊等现象，不能满足线路通道走廊巡检对于隐患位置判定的要求。但是，仍可以通过全景影像图拼接软件，现场检查和核实拍摄的图像是否满足正射影像对于图像重叠度的要求。
　　数字正射影像图，同时具有地图的几何精度和相片的影像特征[6]，其高精度成图较一般拍摄的图像优势明显，由于其投影方式为正射投影，不存在倾斜误差、地面投影差，影像为无缝镶嵌、拼接精确，无错位及色彩突变，纹理清晰、色调一致、反差适中、细节清楚可辨，最终成图的精度高、信息丰富、直观真实。低精度正射影像主要问题是细节模糊、辨识困难，效用有限。中精度正射影像图在制作周期、成图精度、细节辨识等方面，能够取得一个相对的平衡。具体需何种精度的正射影像图，还需根据实际工作需要和图像处理设备的软硬件性能确定。
　　6 结语和展望
　　通过低空无人机测绘技术试验实例，实现了无人机的自主飞行和自动对地测绘摄影，实现了大比例尺下架空输电线路通道走廊全景照片的自动拼接和正射影像的自动化成像，给架空输电线路通道走廊巡检工作提供了一个的完整的技术解决方案。从最终成图的效果来看，全景影像图和正射影像图均有其适用场景和使用价值，需要在具体的工作中灵活运用。同时，也看到随着架空输电线路通道走廊巡检工作量不断增长，运维单位工作压力与日俱增，对于无人机测绘技术在线路通道走廊巡检中的应用提出了更高的要求。在确保最终图像精度能够满足需求的前提条件下，要求无人机设备和测绘摄影装置更加集成、易用和便携，测绘作业流程和图像处理系统更加自动化、智能化，减少人工干预造成的误差。相信随着国家电网公司“三型两网”建设的不断推进，随着泛在电力物联网建设的不断深入，将会大力促使无人机及测绘相关专业领域，在架空输电线路通道走廊巡检方面开展更深入的应用研究，不断取得新的技术突破，从而诞生出更多更加先进的技术。
　　参考文献
　　[1] 万刚，余旭初，布树辉，等.无人机测绘技术及应用[M].北京：测绘出版社，2015.
　　[2] GB/T 15661-2008，1：5000，1：10000，1：25000，1：50000，1：100000，地形图航空摄影规范[S].
　　[3] 张永军.无人驾驶飞艇低空遥感影像的几何处理[J].武汉大学学报：信息科学版，2009，34（3）：284-288.
　　[4] 王慧.浅谈利用PhotoScan与一键快拼软件制作正射影像的区别[J].测绘与空间地理信息，2018，41（7）：120-125.
　　[5] 鲁恒，李永树，何敬，等.无人机低空遥感影像数据的获取与处理[J].测绘工程，2011，20（1）：51-54.
　　[6] 姜淼，张丽霞，龚伟.正射影像地图的制作方法与应用研究[J].测绘与空间地理信息，2009，32（5）：150-158.
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