無人機航測技術及其在電網工程建設中的應用探討

韓文軍，雷遠華，周學文

(國網北京經濟技術研究院，北京 100052)

我國地域遼闊，各電壓等級電網遍布全國，為滿足智能電網建設要求，需要對現狀電網、在建電網和擬建電網在設計、施工和運行階段實現三維數字化管理，因此，需要大量的高分辨率遙感影像用于現有遙感影像的更新和新建電網工程的遙感影像獲取。

傳統航測系統主要面向國家基礎測繪，大范圍國土資源普查、長距離輸電線路以及資源、生態環境調查、監測與評估等領域的基礎性應用，需要利用高空長航程的中、大型飛機平臺，專用機場和昂貴的航攝儀，對天氣條件要求極高，相應的成本也高，周期長，機動性差。受此制約，往往在一些城鎮、村莊、廠礦、重大工程等小面積區域，尤其是面積在50平方公里以下的面狀區域和長度較短的線狀區域(輸電線路帶狀圖)難以實現快速、低成本、高分辨率遙感數據的獲取。

無人機攝影測量系統即利用無人機、無人飛艇等飛行高度在距離地面2000m以下的飛行器，搭載各類小型傳感器，低空航攝飛行獲取地面數據資料。低空攝影相對于傳統航空攝影來說，具有快速機動、成本低、能云下攝影，受天氣影響小，成像比例尺大，分辨率高等特點，目前已經成為重要的遙感數據源。發展低空遙感產業，不僅能滿足一定范圍的數據獲取的需要，更重要的是能促進完善我國航空遙感體系，改善我國地理空間數據的獲取、處理和分析能力，促進高分辨率遙感數據在國家不同領域的應用，減少對國外高分辨率遙感數據的過分依賴。

1 無人機攝影測量系統組成

1.1 系統硬件組成

無人機測繪遙感系統由無人機飛行平臺、傳感器、飛行控制系統、地面監控系統以及地面運輸與保障系統五部分組成。

圖1 無人機測繪遙感系統組成圖

1.1.1 飛行平臺

國內比較成熟的飛行平臺有以下幾種：“垂直尾”型無人機、“雙發”型無人機“倒桅尾”型無人機等。飛行平臺主要技術指標見表1。

表1 飛行平臺主要技術指標

1.1.2 傳感器系統

由于無人機有效載荷較輕，無法搭載專業航測相機，普遍搭載高端單反數碼相機，如Canon 5D Mark Ⅱ、Nikon D700等。

1.1.3 飛行控制系統

無人機飛行控制系統主要包括自動駕駛儀、GPS導航儀、姿態控制儀、高度計、氣壓計等。關鍵技術為GPS導航控制的定點曝光技術和相機旋偏改正技術。

1.1.4 地面監控系統

地面監控系統主要包括通訊系統、監控軟件系統和維護系統。

1.2 配套軟件

無人機航空攝影及影像處理比傳統航測復雜很多，為保證航攝質量需進行精確航攝規劃、航攝質量快速檢查及影像快速預處理等，完成這些工作需配置相應的軟件。

1.2.1 精確航攝任務規劃軟件

主要用于航攝任務規劃，功能包括：設計成果統計與制圖、自動/半自動航攝分區、自動航線敷設、自動調整曝光點間距、航線間距，保證立體觀測重疊度指標、修改編輯曝光點、航線功能、構架航線、基站布設功能、片數、航線長度、距離等統計報告。

1.2.2 航攝質量快速檢查軟件

航攝質量檢查軟件包括以下技術內容：快速瀏覽影像質量、檢查重疊度指標、檢查旋偏角指標、自動形成像片預覽索引圖、影像自動批量打號、輸出航攝質量檢查統計報表、快速檢查飛行數據覆蓋情況，以便決定補飛以及撤場事宜。同時直接關系到作業效率，飛行質量檢查與評價。最核心的指標是重疊度和旋偏角，必須滿足航測規范的要求。

兩張相鄰航片，通過一對同名點即可根據影像寬度計算重疊度和旋偏角，數字航片原始片像素數固定，按照同樣方式重采樣后的預覽片也可計算重疊度。由于定點曝光只表示了曝光位置，并不反映姿態影響，只有通過航片同名點的檢查方法才能最終確定實際地面覆蓋的重疊度情況，應此通過逐片選擇一對同名點的方法可以快速瀏覽檢查數據質量。

1.2.3 影像快速預處理軟件

預處理的主要目的是為了改正無人機航攝影像的畸變差，基于影像糾正變換的畸變差改正軟件就是為了提高攝影測量的精度，以便于后期處理時模型間的相對定向。軟件包括以下技術功能：

⑴ 批處理讀入TIF格式原始影像數據。

⑵ 讀入相機參數文件。

⑶ 自動完成畸變差改正。

⑷ 對影像上像點坐標進行系統誤差改正。

2 無人機攝影測量的特點

無人機攝影測量系統有其自身的特點，主要表現在以下幾方面：

⑴ 無需機場起降，一般有一段凈空條件稍好的平整公路或者草地即可；

⑵ 能低空作業、云下攝影，獲取的影像分辨率在0.05～0.5m范圍之間，分辨率高；

⑶ 整系統集成度高，裝載于運輸車中，也可進行鐵路和航空的托運，方便在全國范圍內執行任務；

⑷ 整系統的維護、維修成本低，總體運行成本低；

⑸ 無人機測繪遙感系統所攜帶的數碼相機幅面比傳統航攝相機的幅面小的多，因此單架次的航攝面積不能過大。

(6) 無人機測繪遙感系統地面監控站的監控范圍一般在20公里以內，因此，飛行平臺盡量不要超過20公里的飛行范圍。

(7) 目前飛行平臺的最大滯空時間為2小時，為了保證能安全回到起飛點，應預留20分鐘的滯空時間，實際的作業時間在1.5小時以內。

3 無人機攝影測量系統應用

3.1 應用范圍

無人機測繪遙感系統主要是解決小區域、高分辨率影像的快速獲取問題。主要的應用領域為：

⑴ 應急測繪中的高分辨率影像快速獲取;

⑵ 小城鎮、新農村測繪保障中的高分辨率影像獲取;

⑶ 石油、公路、水利、鐵路、電力等帶狀地區選線勘測中的高分辨率影像獲取;

⑷ 困難地區(雪域高原等高海拔地區)高分辨率影像獲取。

3.2 作業流程

與傳統航攝相同，無人機攝影測量同樣需要進行航線設計、航攝飛行、質量檢查、補飛或重飛、像控測量等步驟。所不同的是，由于無人機自身的特點，無人機影像獲取流程及航飛作業模式與傳統航飛有較大區別，見圖2。

3.2.1 現場航線設計

無人機數碼攝影一般都是執行小區域的數碼航攝，與傳統航攝不同的是在航線設計時無需考慮地球曲率變化，也無需非常準確地知道地面點高程。傳統航攝有明確的操作規范和流程，必須使用1∶10000或1∶50000地形圖或利用已有的DEM進行基準面的設計，必要時(高差大于1/6航高時)需設定攝影分區，必要時也可設定加密分區。對于低空數碼航攝而言，一般情況下，已知攝區四角坐標即可進行航線設計。極特殊條件下才設定攝影分區。

圖2 無人機攝影測量系統影像獲取的總體流程

3.2.2 特殊情況下的航線設計

當地形高差大于1/6航高時，原則上要設立攝影分區。對于無人機航攝來講，高程有所放寬，在攝區高程大時，盡量采取增大分辨率，加大重疊的方法來克服。此方法仍不奏效時，必須設立攝影分區。

3.2.3 飛行設備調試

無人機進行航攝工作前，為確保航攝工作順利完成，需要對地面監控站設備進行調試，主要工作內容包括：

地面監控站調試、起飛前檢查、俯仰檢查、滾轉檢查、偏航檢查、水平設置、空速檢查、高度計檢查、轉速檢查、GPS定位檢查、震動測試、電池測試、數傳發射對傳感器的影響測試、動態傳感器數據觀察、空速計系數、GPS控制相機測試等。

3.2.4 現場數據整理

航攝結束后，在保證原始影像每張都能打開，每張存儲完整，影像清晰、曝光適中的情況下進行數據整理。

⑴ 檢查曝光點數與影像數是否一致，若不一致應及時查找原因。

⑵ 檢查每條航線的記錄值與實際飛行的影像數是否一致。比如第一航線地面站里記錄為20張影像，005號為第一張，則檢查是否005-024為第一航線。尤其要檢查024與025之間的關系。

⑶ 將影像按照航線數分別裝載于文件夾，每條航線的影像數量應一致。

3.2.5 現場質量檢查

⑴ 影像初步檢查

檢查影像的基本情況：包括影像數、航帶數、抽查影像質量是否有云、霧、雪，影像是否發虛，影像命名是否正確。

⑵ 檢查資料是否完整

檢查飛行記錄表、曝光點坐標數據等是否存在，填寫是否完整、規范。

⑶ 展繪曝光點坐標

查看曝光點坐標與實際飛行情況是否一致。當出現有曝光點坐標明顯偏離航線時，應做好記錄，檢查影像。

⑷ 影像重采樣

在PS里進行影像重采樣，目的是將影像數據量變小，便于檢查時操作。

⑸ 影像旋轉

按照飛行記錄表填寫的方式進行影像旋轉，特別注意奇數條和偶數條航帶的旋轉是否相同。

⑹ 質量檢查

輸出檢查記錄，不合格影像做好相應記錄。

⑺ 通知補飛與重飛

3.2.6 現場預處理

將所有影像另存為TIF格式，將畸變參數改成軟件支持的格式，利用預處理軟件進行畸變差改正，改正后影像有黑邊說明已改正完成。

3.2.7 影像成果提交

⑴ 分航帶原始影像

⑵ 分航帶畸變差改正后影像

⑶ 飛行記錄表

⑷ 曝光點坐標文件

⑸ 影像檢查記錄

⑹ 數據整理記錄

⑺ 相機參數文件

⑻ 畸變差改正后主點偏移文件

3.2.8 快速拼圖

像控測量作業流程與傳統航測類似，區別在于無人機航攝獲取的影像相幅較小、相片數多，一般情況下不適合利用沖印相片執行像控測量工作。尤其是在應急測繪條件下或雪域高原縣城區航攝時，條件艱苦，無法滿足照片沖印，甚至打印，必須利用現有筆記本計算機進行像控測量工作。航攝外業隊伍能在所有檢查合格后現場進行快速拼圖，利用簡單鑲嵌的攝區影像圖查看攝區大致情況，選取合乎要求的控制點，并在整體影像圖上規劃好測量控制點的行進路線，保證控制點量測工作順利進行。

目前，市面上的快速拼圖軟件也有很多，最常用的應該算是PhotoShop，該軟件必須人工拼接，費時費力，在局部地形起伏大的地方單靠人工拼接更是困難。PTGUI是德國數學教授Helmut Dersch研制的一款數碼影像全景拼圖軟件，它通過為全景制作工具(Panorama Tools)提供圖形用戶界面(GUI) 來實現對圖像的拼接，從而創造出高質量的全景圖像。只要將需要拼接的影像導入軟件，設置參數，便可自動拼接成攝區影像的全貌圖。無需人工選取特征點，軟件全自動匹配同名點進行影像鑲嵌，拼接耗時短，效果滿足像控測量查看攝區整體狀況的要求。

3.3 無人機攝影測量在電網工程建設中的應用

以無人機為代表的輕小型航空遙感系統具有機動靈活、響應快、成本低、時效性強等特點，已形成與衛星遙感和普通航空遙感并行發展的局面。尤其在電網重大自然災害應急響應、陰云天氣低空光學影像獲取、輸電線路走廊規劃、廠(站)址影像和地形圖獲取及分布式日常低空遙感監測等情況下，無人機航測系統擁有衛星遙感和普通航空遙感不可取代的作用。

3.3.1 電網應急救災

我國屬于自然災害多發國家，平均每年因災造成直接經濟損失近2000億元，災害突發時，采取恰當的應急措施可以大幅降低經濟損失。為應對突發的自然災害，減輕災害對國家電網造成的損失，及時恢復、重建電網，國家電網公司建立了應急救災指揮中心，但應急手段還須完善。

災害發生時及時獲取災區的高清晰影像，第一時間為應急救災指揮中心 提供現場影像資料至關重要。但是，災害發生時往往伴隨惡劣的天氣狀況，如2008年南方冰災，當時的受災地區受天氣影響，采用普通航飛、衛星拍攝等方法無法及時獲取災區的高分辨率影像，利用無人機低空遙感系統機動性高、環境適應性強、無需機場起降、對天氣條件要求低等特點，可以及時、高效獲取高清晰影像，為國網公司應急救災指揮中心進行災害評估、制定救災決策、制定電網重建方案提供先進、可靠的技術手段。

3.3.2 輸電線路走廊規劃

在大工程或大型水電站出線走廊規劃中，利用無人機攝影測量系統進行區域網航空攝影，可以對區域走廊通道進行整體規劃，彌補現場視野受限的不足，充分考慮各種環境、規劃因素，協調各工程項目關系，充分利用有限的通道資源，使線路走向和區域規劃更加合理。

3.3.3 地形圖測量

無人機攝影測量適用于小比例尺的地形圖測量，成圖比例尺一般小于1∶2000，在電網工程的可研設計階段，可采取高程控制措施，如增加野外控制和利用野外測量數據改化航測高程等，測量1∶1000比例尺的地形圖。為站址布置及優化提供影像、高程等詳細的基礎資料，減少勞動強度，提高勞動生產率。

4 結語

無人機攝影測量與傳統航空攝影測量相比，具有無需機場起降、系統集成度高，機動性強，轉場方便、快捷，對氣象條件要求不高，影像分辨率高，系統總體運行成本低等優點，可用于應急救災、廠址優化、站址優化、出線走廊規劃等電力工程建設應用以及南方多雨地區的小面積區域航攝。但無人機存在飛行姿態不穩定，飛行時間短，單架次的航攝面積小，相同面積航攝像片數多，相應的像控點多，內業處理工作量大的缺點。由于無人機搭載非量測數碼相機，相機無法進行精確校驗，影像存在畸變，無法滿足輸電線路斷面圖的精度要求。

現階段無人機攝影測量在電力行業應用基本處于試驗階段，沒有成熟的作業模式和技術規定，隨著無人機攝影測量技術的發展，以上問題會逐步得到解決，是常規航空攝影有效補充。

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[3]鄒曉軍.攝影測量基礎[M].鄭州：黃河水利出版社，2008.