無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)在電力線(xiàn)路工程中的應(yīng)用

李亞男，道勇，王 駿，黃進(jìn)航

(福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，福建 福州 350003)

無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)在電力線(xiàn)路工程中的應(yīng)用

(福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，福建 福州 350003)

無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)以其明顯的優(yōu)勢(shì)在眾多行業(yè)得到應(yīng)用。本文以湄洲灣第二發(fā)電廠(chǎng)的送電線(xiàn)路為研究區(qū)域，根據(jù)無(wú)人機(jī)低空航攝技術(shù)和輸電線(xiàn)路的特點(diǎn)，進(jìn)行了無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)在電力選線(xiàn)中的應(yīng)用研究，并在控制點(diǎn)布設(shè)方法、空三加密方法、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和精度分析等方面進(jìn)行了研究，建立了一套實(shí)用的無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理流程，基本滿(mǎn)足架空輸電線(xiàn)路工程的要求。

無(wú)人機(jī)；攝影測(cè)量；電力線(xiàn)路；數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。

1　概述

傳統(tǒng)航空攝影利用大中型飛機(jī)搭載專(zhuān)業(yè)的量測(cè)相機(jī)進(jìn)行航拍，可獲取大幅面、清晰度高的影像數(shù)據(jù)，能夠滿(mǎn)足輸電線(xiàn)路工程施工圖勘測(cè)設(shè)計(jì)階段的需要，但傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量技術(shù)需要專(zhuān)用的機(jī)場(chǎng)和空管審批，而且作業(yè)周期長(zhǎng)、受天氣狀況影響較大、費(fèi)用高。然而，福建沿海地區(qū)云層較厚、天氣多變，很難滿(mǎn)足傳統(tǒng)航測(cè)的要求。近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)已經(jīng)可以滿(mǎn)足1:1000-1:2000地形圖測(cè)繪，在電力巡線(xiàn)、風(fēng)電場(chǎng)選址等多種電力工程中得到了廣泛的應(yīng)用，取得了良好的效果，但在輸電線(xiàn)路工程中應(yīng)用研究不足。今年，我院承接了福建省湄洲灣第二電廠(chǎng)的送電線(xiàn)路工程，使用無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量獲取了沿線(xiàn)2 km范圍的航測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)外業(yè)相關(guān)操作和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理展開(kāi)了研究。

2　輸電線(xiàn)路工程應(yīng)用實(shí)踐

無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)在輸電線(xiàn)路工程中的工作流程分為四個(gè)階段：前期準(zhǔn)備階段，像控測(cè)量階段、航拍階段和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理階段。作業(yè)流程見(jiàn)圖1。

圖1　作業(yè)流程

2.1輸電線(xiàn)路區(qū)域概況

輸電線(xiàn)路起于福建沿海地區(qū)的某電廠(chǎng)，電壓等級(jí)為500kV，總長(zhǎng)度約55 km，沿途經(jīng)過(guò)池塘、河流、丘陵、平地，跨越高速路、鐵路和村莊等，見(jiàn)圖2。根據(jù)工程要求，需要獲取沿線(xiàn)路左右兩側(cè)各1 km的影像數(shù)據(jù)。

圖2　線(xiàn)路路徑

2.2無(wú)人機(jī)和相機(jī)類(lèi)型

本工程要求平斷面圖的精度為1∶1000，根據(jù)規(guī)范要求，影像的分辨率不高于0.1 m。考慮到無(wú)人機(jī)的續(xù)航要求和影像的分辨率，本工程采取了智能鳥(niǎo)KC2000油動(dòng)固定翼無(wú)人機(jī)和NIKOND810相機(jī)。無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間約3 h，飛行速度約為100 km/h，相機(jī)的相幅大小為7360×4912像素，像素大小為4.88 μm。

2.3像控點(diǎn)布設(shè)和量測(cè)

由于測(cè)區(qū)包括樹(shù)木茂盛的山地、池塘等不易查找明顯特征點(diǎn)的區(qū)域，如果先拍攝影像，然后在影像上查找控制點(diǎn)，一方面很難找到足夠數(shù)量的明顯點(diǎn)，另一方面也很難保證這些點(diǎn)分布均勻。因此，本文采用先根據(jù)線(xiàn)路路徑，在Google Earth上，設(shè)計(jì)控制點(diǎn)分布情況，在航拍之前布設(shè)像控點(diǎn)。在平地上，通過(guò)在穩(wěn)定地面噴漆，制作十字標(biāo)志，作為控制點(diǎn)；在植被覆蓋的地方，在草地上固定白色塑膠袋，并在塑膠袋上噴漆制作十字標(biāo)志。

外業(yè)制作控制點(diǎn)標(biāo)識(shí)的同時(shí)，使用GPS進(jìn)行控制點(diǎn)測(cè)量。這種人工制作控制點(diǎn)的方法，保證了控制點(diǎn)有足夠的數(shù)量，而且控制點(diǎn)的分布均勻。控制點(diǎn)分布見(jiàn)圖3。

圖3　控制點(diǎn)分布

2.4 影像獲取

整個(gè)輸電線(xiàn)路轉(zhuǎn)點(diǎn)共50個(gè)，考慮無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間和地形因素，將整個(gè)區(qū)域分為7個(gè)測(cè)區(qū)，用數(shù)字編號(hào)。每個(gè)測(cè)區(qū)分別進(jìn)行航拍，并根據(jù)線(xiàn)路走向，適當(dāng)調(diào)整航帶長(zhǎng)度，測(cè)區(qū)劃分和航帶分布情況見(jiàn)圖4。根據(jù)本工程對(duì)地形圖比例尺和影像地面分辨率的要求以及地形因素，根據(jù)航高計(jì)算公式計(jì)算得出相對(duì)航高約為500 m。根據(jù)線(xiàn)路坐標(biāo)和所需獲取的區(qū)域?qū)挾纫约啊兜涂諗?shù)字航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》(CH/Z 3004-2010)中關(guān)于對(duì)航向、旁向基線(xiàn)的要求，計(jì)算出每個(gè)測(cè)區(qū)所需航帶數(shù)，見(jiàn)表1。每個(gè)架次航飛結(jié)束后，按照規(guī)范[5]的要求，立即對(duì)獲取的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。

圖4　測(cè)區(qū)劃分

表1　各測(cè)區(qū)的航帶數(shù)和相片數(shù)

2.5空中三角測(cè)量

由于每個(gè)測(cè)區(qū)覆蓋的面積，都超過(guò)線(xiàn)路路徑左右一公里范圍，對(duì)于沿海岸的區(qū)域，無(wú)需海上的影像。而且，當(dāng)影像落水時(shí)，難以匹配出足夠的轉(zhuǎn)點(diǎn)，增加了空三的難度。所以在進(jìn)行空三加密前，先對(duì)影像進(jìn)行篩選，然后按照規(guī)范要求的精度，進(jìn)行空三加密。

2.6數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

本文中，空三加密的軟件使用的是航天遠(yuǎn)景的DATMatrix，為了能夠使用VirtuoZoEle進(jìn)行優(yōu)化選線(xiàn)和平斷面測(cè)圖，需要將加密成果，導(dǎo)入VirtuoZo中，恢復(fù)測(cè)區(qū)并生成立體模型。

航天遠(yuǎn)景空三軟件DATMatrix使用的PATB進(jìn)行平差計(jì)算，空三完成后，導(dǎo)出標(biāo)準(zhǔn)的PATB格式的空三成果，使用VirtuoZo2014導(dǎo)入空三成果并生成立體模型。對(duì)于出現(xiàn)由于作業(yè)區(qū)定義問(wèn)題而無(wú)法生成核線(xiàn)的情況時(shí)，要對(duì)出現(xiàn)問(wèn)題的模型手工定義作業(yè)區(qū)，然后再生成核線(xiàn)影像。

由于影像數(shù)量較多，生成的立體模型數(shù)量也較多，然而只有一部分模型是在線(xiàn)路邊線(xiàn)距離內(nèi)的，為了提高效率，可以根據(jù)線(xiàn)路坐標(biāo)，導(dǎo)入位于線(xiàn)路邊線(xiàn)范圍內(nèi)相片的空三結(jié)果，并生成相應(yīng)的立體模型。如果出現(xiàn)線(xiàn)路優(yōu)化或者改線(xiàn)，再根據(jù)修改后的線(xiàn)路坐標(biāo)導(dǎo)入對(duì)應(yīng)的空三結(jié)果。這樣做一方面可以有目的地選擇相片，減少導(dǎo)入空三結(jié)果和生成核線(xiàn)像對(duì)的時(shí)間；另一方面是減少生成的立體模型個(gè)數(shù)，繪制平斷面圖時(shí)，便于查找對(duì)應(yīng)位置的模型，同時(shí)，還減少了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間。

2.7建立大場(chǎng)景及繪制平斷面圖

數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換完成后，根據(jù)VirtuoZoEle的作業(yè)流程，生成大場(chǎng)景。在具體繪制平斷面圖時(shí)，為了方便地找到指定位置對(duì)應(yīng)的立體模型，可以將相片的POS數(shù)據(jù)和線(xiàn)路數(shù)據(jù)導(dǎo)入Google Earth中，根據(jù)相片的位置找到立體模型。

由于無(wú)人機(jī)采用的是非量測(cè)相機(jī)，雖然經(jīng)過(guò)畸變校正，然而在相片邊緣的位置，仍然存在一定量的畸變，這種畸變?cè)诟卟畲蟮那闆r下會(huì)表現(xiàn)得更明顯。所以在繪制平斷面圖時(shí)，盡量選擇能夠位于中間區(qū)域的立體模型進(jìn)行測(cè)圖。

3　精度分析

本工程獲取的全部影像的分辨率為0.1 m，表2是對(duì)20個(gè)點(diǎn)的立體測(cè)量坐標(biāo)和野外實(shí)測(cè)坐標(biāo)對(duì)比結(jié)果，由表2可知，平坦地區(qū)平面校差小于0.2 m、高程校差小于0.3 m，山區(qū)平面校差小于0.4 m、高程校差小于0.5 m，基本滿(mǎn)足工程實(shí)際需要。

表2　立體測(cè)量坐標(biāo)與野外實(shí)測(cè)坐標(biāo)對(duì)比

4　總結(jié)

本文主要介紹了無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量在電力線(xiàn)路工程中的應(yīng)用，通過(guò)在實(shí)地布設(shè)明顯的標(biāo)志作為像控點(diǎn)，根據(jù)線(xiàn)路走向，將線(xiàn)路范圍區(qū)域分為多個(gè)測(cè)區(qū)分別設(shè)計(jì)航帶數(shù)和長(zhǎng)度，并分別進(jìn)行航拍。檢查相片質(zhì)量后，進(jìn)行空三加密，并生成通用的PATB格式的空三結(jié)果，根據(jù)軟件之間的協(xié)同性，選擇對(duì)應(yīng)的軟件導(dǎo)入空三結(jié)果和批處理，在相片選擇時(shí)，考慮數(shù)據(jù)量和處理效率，結(jié)合線(xiàn)路坐標(biāo)和線(xiàn)路范圍，選擇對(duì)應(yīng)的相片建立立體模型。在繪制平斷面圖時(shí)，盡量使用靠近立體模型中間位置的模型進(jìn)行繪制。通過(guò)精度檢驗(yàn)和分析發(fā)現(xiàn)，無(wú)人機(jī)影像清晰，范圍合理，立體模型和繪制的平斷面圖精度滿(mǎn)足工程需要，效益顯著。

[1] 鄭小兵，等．無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)用于電力勘測(cè)工程的探索和設(shè)想[J]．電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2009，(6)．

[2] 劉國(guó)嵩，賈繼強(qiáng)．無(wú)人機(jī)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用及發(fā)展方向[J]．東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，(32)．

[3] 楊?lèi)?ài)玲，孫汝岳，徐開(kāi)明．基于固定翼無(wú)人機(jī)航攝影像獲取及應(yīng)用探討[J]．測(cè)繪與空間地理信息，2010，33(5)．

[4] 文道平，吳杰．無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量在云南高原山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)地形測(cè)量中的應(yīng)用[J]．科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015，(4)．

[5] CH/Z3005－2010，低空數(shù)字航空攝影規(guī)范[S]．

Application of Low-altitude UAV Photogrammetry in Transmission Line Engineering

LI Ya-nan, TU Dao-yong, WANG Jun, HUANG Jin-hang
(Fujian Electric Power Survey &Design Institute, Fuzhou 350003, China)

With many obvious advantages, low-altitude UAV(Unmanned Aerial Vehicle) photogra mmetry technology has a wide range of applications in many industries. This paper take the transmission line from the second power plant in Meizhou Bay to a substation as the study area. According to the characteristics of low-altitude UAV photogra mmetry and transmission line, we carry out the research on application of low-altitude UAV photogra mmetry technology in transmission line, and discussed the control point layout methods, aerial triangulation methods, data format conversion and the accuracy of analysis, and then established a set of practical methods of data acquisition and data processing by low-altitude UAV photogra mmetry. Research has shown that the method proposed in this paper can meet the requirements of transmission line project.

UAV; photogra mmetry; transmission line; data format conversion.

P2

B

1671-9913(2016)05-0034-04

2016-01-25

李亞男(1980- )，女，河北邯鄲人，碩士，助理工程師，主要從事攝影測(cè)量工作。