四旋翼無人機在輸變電工程環評中的應用

王文兵，曹文勤，李立

(1.江蘇省輻射環境保護咨詢中心，江蘇南京 210019；2.江蘇省電力公司，江蘇南京 210024;3.無錫供電公司，江蘇無錫 214061)

四旋翼無人機在輸變電工程環評中的應用

王文兵1，曹文勤2，李立3

(1.江蘇省輻射環境保護咨詢中心，江蘇南京 210019；2.江蘇省電力公司，江蘇南京 210024;3.無錫供電公司，江蘇無錫 214061)

社會經濟的快速發展導致電力需求不斷增加，高壓輸電線路不斷增多。線路穿越地區往往地形復雜且變化較大，使用傳統人工方式進行輸電線路及周邊敏感目標等信息的現場勘察難度較大。對無人機(UVA)遙感技術在輸變電環評前期準備及后期資料處理中的應用進行了簡要介紹，同時選擇特定地點進行航拍實驗并與衛星地圖相對比。結果顯示，無人機遙感技術獲得的準確、可靠、具有時效性的現場資料能夠被環評使用，降低輸變電工程環評成本及工作時間。

輸電線路；環評；敏感目標；無人機；遙感技術

輸變電工程可研階段的環境影響評價與實際運行階段的生態驗收調查，可統稱為輸變電工程環評。此類項目的特點是多分布在野外、點多面廣、所處地形復雜，且輸電線路一般長達幾公里、幾十公里甚至上百公里，并可能跨越農村、城市生態保護區等不同地區及平原、山區、林地等多種地貌，人員難以進入整條線路進行現場勘察，耗時耗力。在工作中，要確保環境基礎數據、影像等資料的精確性、可靠性和時效性，往往需要調查單位投入大量人力物力，急需利用高科技、新技術來提高工作效率，降低工作成本[1-2]。

無人機低空遙感系統(UAVRS)采用無人機為飛行平臺，搭載相機等數字遙感設備進行拍攝和記錄，通過遙感數據處理技術進行影像傳輸，以實現對地理信息的實時調查與監測[3]。作為一項有潛力的新興技術，無人機遙感在過去幾十年里得到了快速發展，在諸如地理測繪、城市規劃、環境監察、土地和資源勘探、軍事偵察和考古等多個領域中發揮著無可替代的作用[4-5]。本文以無人機尤其是四旋翼無人機在江蘇某縣的應用為例，研究、探討無人機航測技術在輸變電線路環境影響評價中的應用。

1 前期準備及后期數據處理

1.1 無人機種類

無人機具有重量輕、體積小、成本低、機動靈活、能夠通過地面運輸快速到達指定區域、定點起飛降落且對起降場地要求低等優勢[6]。目前，在輸變電工程環境管理中，常用的無人機主要分為固定翼及多旋翼[2]，多旋翼又以四旋翼最為常見。多旋翼無人機飛行靈活、操控靈敏、飛行穩定性高、抗風性能好、無須起降場地、可懸停、可獲得高質量影像，但其續航能力較差，適用于短距離拍攝，可以用來拍攝各個輸電線路鐵塔的詳細資料等。固定翼無人機具有速度快、滯空時間長、飛行半徑大等優勢，能夠滿足長距離作業要求，可用作長距離巡線及視頻拍攝[7]。考慮到輸變電工程環評一般不需要進行大范圍、遠距離的航拍作業，僅在環境情況較復雜、敏感目標較多或穿越生態保護區等情況下才需要使用無人機作為輔助手段，因此使用四旋翼無人機的情況較為多見。

1.2 航拍前期準備

做好充分的準備工作是獲得優質航拍數據的前提，因此擬定一套可行的飛行方案尤為重要。

(1)航拍區域的確定：通過衛星地圖軟件對航拍區域的地形地貌進行初步了解，了解該區域是否為空管區，根據《民用無人駕駛航空器系統駕駛員管理暫行規定》，重量小于等于7 kg的微型無人機，飛行范圍在目視視距內半徑500 m、相對高度低于120 m的范圍內，無須證照管理，這也是優先選用四旋翼無人機開展工作的理由之一。

(2)航拍目的的確定：獲得輸變電工程所在區域高清影像資料。

(3)無人機型號及拍攝設備的選定：可根據航拍所要獲得的輸變電線路現場資料，如兩座輸電線路鐵塔周邊及輸電線下方的建筑物數量、距離等，來確定此次航拍需何種性能的無人機(包括大小、續航能力以及載重能力等)及搭載的拍攝設備型號等。

(4)航線的設定：結合航拍目標設定飛行航線。其中，旋翼無人機主要拍攝短距離目標，航線可根據現場情況確定；固定翼無人機航拍距離遠，以起始點及轉角點坐標設置航線。與此同時，待航線確定完成后，準備相應距離最大(如逆風、起始飛行盤旋耗電等)電源消耗數量。

(5)航拍時間的確定：天氣作為影響航拍的主要因素，航拍時間應定在晴好天氣(風速小、能見度高、地面有無積雪等)進行外出作業。

在實際工作中，若航拍的主要對象為變電站項目或較短的線路工程，優先選用四旋翼無人機；若航拍對象為較長的線路工程或穿越較大區域的生態區，為保證續航能力，提高工作效率，避免發生事故，優先選用固定翼無人機。

1.3 遙感數據后處理

由于成像設備的限制，無法一次性獲取一整片區域的高清圖像，因此需要利用圖像拼接技術[8]，將多組單張照片拼接為該區域的全景照。目前常用的照片拼接方法主要有圖像灰度法、變換域法及圖像特征法[9]。具體處理步驟如下：

(1)整理所獲得的正確影像資料。選取清晰照片，每張照片都有與之對應的GPS坐標信息和拍攝高度。

(2)使用軟件進行圖片特征運算及匹配。將圖片和坐標點導入PIX4D軟件，進行特征識別、匹配。選擇默認的3D地圖選項，通過初步處理得到一些點云數據，再抽樣檢查各個點位置是否正確、是否存在錯位，并對錯位的地方進行手動修正。

(3)人工修正連接點和加密點云數據。找到連接點的正確點位，在圖1中標記，隨著點數的增加而更加精確。對于高壓線的圖像拼接，會存在錯位，進而導致線路斷線，因此需要尋找足夠多的特征點進行人工連接。圖2中線塔的各個頂點都需作為人工連接點。完成對塔位置的修正之后，再對斷線的地方進行修正，但線路修正有個難點，即線路上的點位置不能準確定位，需要多次嘗試修正點位直至線路完全吻合。

圖1 軟件修正截圖Fig.1 Screenshots fixed by software

圖2 人工連接點選擇Fig.2 Selection of manual connection points

(4)正攝影像圖的生成。點云加密運算完成之后，檢查點位準確無誤則可進行正攝圖鑲嵌，鑲嵌結束后經過重復錯位糾正，即可得到正攝影像圖。

2 四旋翼無人機實踐應用分析

2.1 航拍前期準備

為了解無人機航拍在輸變電線路中的拍攝效果能否為環評所服務，以調查蘇南某縣級市兩條道路交叉口已建成的兩座高壓鐵塔間的環境現狀為例，進行航拍實驗。

(1)航拍區域：蘇南某縣級市兩條道路交叉口。

(2)航拍目的：準確收集輸變電線路兩側下方及鐵塔周邊敏感點的數量、相對位置、距離等信息。

(3)設備選擇：兩座鐵塔之間距離較短，因此選擇四旋翼無人機搭載高清相機。其中，云臺為3-軸(俯仰、橫滾、偏航)，可控轉動范圍為俯仰-90°至+30°，相機鏡頭為FOV 94° 20 mm (35 mm格式等效)f/2.8對焦點無窮遠，傳感器1/2.3英寸CMOS。

(4)航線設定：以兩座鐵塔連線為中心線，在高于鐵塔50 m處的兩側進行航拍。

(5)作業時間：2015年10月19日，天氣狀況為微風(地面10 m高度風速為3.5～5.4 m/s)、多云、能見度高。

2.2 航拍結果分析

2.2.1 航拍照片分析

通過調節高壓線不同的高度參數，將航拍所得部分照片進行糅合，結果如圖3所示。

圖3(a)為該段線路航拍的部分源照片，從圖中可以看出，每張照片所涵蓋范圍較小，但是能夠高清呈現出地面信息；圖3(b)為第一次采用本實驗方法進行拼接后的照片，從圖中白色橢圓中可以清楚看出，輸電線路出現斷線現象；圖3(c)與圖3(b)為同一鐵塔、相同的源照片，經過調整合適的高壓線高度參數后，拼接形成的效果圖，能夠看出輸電線沒有出現斷線的情況；圖3(d)為該段線路全景圖，圖中紅圈為兩座鋼鐵塔，圖中能夠清晰看到6條輸電線未出現斷痕，兩座鐵塔周邊、輸電線路下方的地形地貌及建筑情況清楚地反映在全景圖中。

將實驗中采用四旋翼無人機航拍獲得的效果圖與常用衛星地圖在相同地點的截圖進行對比，結果如圖4所示。

圖3 拼接前后效果Fig.3 Effect picture before and after joining together

圖4 各圖拍攝效果對比Fig.4 Comparison between different images

江蘇省蘇南某縣級市兩條道路交叉口附近的兩座鐵塔百度衛星地圖、天地圖衛星地圖分別如圖4(a)、(b)所示，其圖中紅色圓圈分別為該段線路中的兩座鐵塔。將航拍所得全景圖與該段線路的百度地圖、天地圖進行比對可見，天地圖與百度地圖中只能模糊看見輸變電設施中的鐵塔，并不能看清線路，天地圖較百度地圖分辨率高，但兩者的分辨率都不及航拍全景圖；圖4(a)、(b)中的白色矩形區域與圖3(d)相比，存在準確性及時效性等問題，例如圖4(b)中，右下角白色矩形區域房子在建，而最新航拍結果顯示已建成。

圖4(c)、(d)、(e)分別同一個鐵塔航拍、百度地圖及天地圖中的放大效果圖。將圖4(c)、(d)、(e)進行對比，可以看出無論是百度衛星地圖還是天地圖，其分辨率都遠低于航拍，并且百度衛星地圖中只能看見鐵塔的影子，天地圖中只能看見鐵塔模糊的樣子，并不能看出有輸電線的存在，因此相比于衛星地圖，采用無人機遙感技術航拍的照片具有更高的信息準確性、時效性。

2.2.2 應用前景分析

(1)在環評中的應用。環評工作需要進行前期現場勘查，考察線路走向、變電站站址以及線路周邊的敏感目標。通過前期航拍全景圖，不僅能夠確定輸變電設施周邊敏感目標，確定需要進行本底值監測的目標點位，而且在敏感目標較多的情況下，如圖3(d)線路下的敏感目標，能夠輕易得到敏感目標的數量，無須人員進行挨個細數，大大節約工作時間和成本且不易出錯。當項目與生態保護區，尤其是一級管控區位置可能有所重合時，可借用無人機航拍技術明確項目與保護區位置關系，為建設單位、環評單位及環保部門選所選線、科學評價提供幫助。

(2)在環評驗收中的應用。在項目后期驗收中，無人機遙感技術能夠進行整條輸變電線路的視頻航拍，從而觀察線路建設是否與環評相符，以及對重要敏感目標區域進行定點拍攝，觀察線路下方是否有違建等情況。摸清項目周圍環境敏感目標分布情況，可以為調查單位合理安排工作計劃提供幫助，也可以作為現場調查的第一手資料。

3 總結及展望

3.1 總結

輸變電工程大多分布在野外，點多面廣，所處地形復雜，使用傳統人工方式進行現場勘察往往耗時耗力。無人機遙感技術在輸變電工程項目環評、環評驗收等工作中能夠發揮巨大作用：

(1)在距離地面約60 m的飛行高度，無人機航拍能夠清晰地獲取輸變電線路下方及周邊地形地貌、敏感目標等詳細情況，通過軟件可以將航拍照片進行無縫拼接，反映整個輸變電工程的最新情況。

(2)無人機遙感技術獲得現場全景圖與常用衛星地圖截圖相比，具有更高的清晰度，可信度更強。因此無人機遙感技術獲得的資料具有準確、可靠、時效性強等特點，能夠為輸變電項目環評及驗收工作服務，將會大大降低工作成本和縮短工作時間。

(3)將無人機遙感技術與現有衛星地圖結合，利用衛星地圖了解輸變電線路中人員較難到達或敏感目標較多且不易確定的區域，繼而采用無人機對特定區域進行航拍，可獲得準確、實時的信息資料，為環評及驗收工作服務。

(4)雖然無人機航拍前需要進行詳細周密的前期準備，但整體上仍然可以大大提高工作人員的調查效率與調查準確度，減少時間成本，是減輕環評工作負擔的有效手段。

3.2 展望

目前，推進無人機遙感技術在輸變電環保管理中的應用普及，還需從3個方面著手:首先，需要研發出體積小、質量輕、拍攝分辨率更高的拍攝設備；其次，需要從無人機載重能力、續航能力以及抗風抗震性能等幾個方面逐漸優化和提升；最后，將無人機與監測儀器結合，進行遠程操控現場監測等。

隨著科技的進步，無人機遙感技術的分辨率及計算機對照片的處理能力不斷提高，未來可以利用無人機搭載具有更高分辨率、更強防震能力的攝像設備，結合現有常用衛星影像，將拍攝的整個輸變電線路視頻制作成一個三維動態視頻，可以從中測量輸變電線路周邊的各個敏感目標數據，包括建筑高度、建筑物與輸變電線路的距離等環評中所需要的數據信息。

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The Application of Quadrotor UAV in Environmental Impact Assessment of Power Transmission and Transformation Projects

WANG Wen-bing1, CAO Wen-qin2, LI Li3

(1.Jiangsu Radiation Environmental Protection Consultation Center, Nanjing 210019, China; 2.Jiangsu Electric Power Company,Nanjing 210024, China; 3. Wuxi Power Supply Company, Wuxi 214061; China)

Social economy has been developing rapidly, which leads to great power demand, and high voltage transmission lines have increased a lot. The terrain that lines spread over is complicated, therefore the information collection of high voltage transmission lines and sensitive targets by traditional artificial way is quite difficult. In this paper, we gave the brief introduction on early-stage preparations of unmanned plane remote sensing technology, and later data processing during the environmental impact assessment work of power transmission and transformation. We carried out the aerial photo experiment and made comparison with satellite maps in specific locations, the result of which indicated that accuracy, reliability and timeliness information from unmanned plane remote sensing technology could be used in environmental impact assessment to reduce the EIA cost and work time of power transmission and transformation project.

transmission line; environmental impact assessment; sensitive targets; unmanned aerial vehicle; remote sensing technology

2016-02-26

王文兵(1982—)，男，安徽合肥人，工程師，學士，從事輻射環境影響評價及監測，E-mail：wangwenbing@jsrepc.com

10.14068/j.ceia.2017.02.013

X820.3

A

2095-6444(2017)02-0048-04