無人機傾斜攝影技術的應用

文/陳科羽 陳鳳翔 曾華榮 石書山

由于輸電線路逐年快速增長、輸電線路人工巡檢效率低等問題，過去兩年電力系統輸電線路巡維計劃完成情況不理想，尤其是地處山區的貴州，近兩年主網線路差異化運維巡視計劃都未完成，無法全面做好線路運維工作。在諸多巡維工作中，架設在山地環境的架空輸電線路通道巡視尤其困難，樹障隱患嚴重危害設備健康水平，成為引起跳閘的主要原因之一。近年來，隨著無人機行業和相關測繪技術的高速發展，貴州電網輸電線路運維逐步進入機巡為主的全新模式。

目前無人機傾斜攝影技術在電力行業開始應用，前期采集后加以處理快速生成通道三維模型及危險點分析報告，已成為架空輸電線路通道巡視的一種重要手段。但是，行業內的傾斜攝影系統重量大、價格貴、操作復雜，仍以高性能無人機為載體，無法推廣至輸電線路運維班組，一線巡視人員無法開展傾斜攝影通道巡視工作，不能快速掌握準確的線路通道實時動態。因此本文主要從微型無人機傾斜攝影技術的技術路線、適用范圍和處理系統等方面進行討論研究，提出兩種微型無人機傾斜攝影系統，對進一步提高傾斜攝影技術在電網輸電線運維中的實用程度及普及力度提出建議和參考。

1 目的及背景

廣義的傾斜攝影技術指通過無人機搭載一個或多個高清可見光攝像頭，在被測物體正上方同時以不同的傾斜角度采集影像，后期結合每張影像圖片的POS（經緯度）信息，通過影像處理軟件進行空三解算后形成實景三維建模。目前常用設備是由一個垂直、四個傾斜五個不同的傳感器組成的五拼相機或者兩個不同角度放置的微單相機，通過輕型固定翼或多旋翼無人機搭載進行航測。由于飛行高度及電力線的線性結構，高像素的五拼相機采集的傾斜式攝影數據也無法還原出導線三維模型，數據分析人員需要通過在同時拍攝的多角度照片中選取控制點確認導線走勢，描繪出相對真實的導線位置，這種分析手段通過一定人工干預后得到的線路和樹木相對距離滿足巡視要求精度，符合架空輸電線路通道巡視要求。

但是，多相機的傾斜攝影數據采集設備價格貴、重量高、數據量大，且需要較大的無人機搭載，導致前期采集時設備在山區運輸組裝難度大，后期數據處理時間長，影響通道巡視效率。目前電力行業對于輕量化、價格實惠、操作簡便的無人機傾斜攝影系統需求迫切。貴州電網機巡作業中心在作業中將微型無人機掛載高清單鏡頭相機，從輸電線路通道兩側正上方以一定的重疊率飛行兩條航道，以垂直角度朝下拍攝兩條平行航道的傾斜攝影數據，同時導入影像處理軟件進行處理，生成線路通道的樹障危險點分析報告。

2 微型無人機傾斜攝影系統

2.1 微型多旋翼無人機傾斜攝影系統

貴州電網用于傾斜攝影數據采集的多旋翼無人機主要為大疆精靈系列，如圖1所示。其優勢在于經過市場及行業用戶長時間驗證，飛行性能及工作穩定性較好，再加之對起降點環境要求較低、續航能力適中且價格便宜，是作為飛行平臺的優質選擇，利于大范圍推廣至班組一線使用；精靈系列無人機自帶高清可見光三軸增穩云臺，在安全飛行高度采集的圖片質量滿足傾斜攝影處理要求；開放地面控制站開發權限，目前市場擁有多種針對該機型的電力定制化自動飛行軟件，可全面實現智能化通道巡視。

微型多旋翼無人機傾斜攝影系統主要包括飛行器平臺、可見光云臺、飛行控制系統及地面控制站，作業人員在巡視作業出發前應提前準備好巡視線路走向、交叉跨越情況、運行參數、以及線路周邊的環境情況等資料，然后將所需巡視桿塔段的坐標存導入地面控制站內。在完成無人機外觀檢查和通電檢查后，對定時拍照時間、照片比例、飛行高度及作業桿塔在飛行軟件中進行設置，如圖2(a)所示，確保其分辨率滿足傾斜攝影要求后自動規劃飛行任務，預覽航線無誤后，下達任務并執行任務，如圖2(b)所示，飛機將自動起飛并沿規劃好的航線自動飛行并作業。在飛行過程中，如遇到影響飛行安全或數據采集質量的狀況，可通過遙控器切回手動控制權，空中進行任務重規劃或手控回航降落。

2.2 微型固定翼無人機傾斜攝影系統

圖1：大疆精靈系列無人機

精靈系列無人機用于傾斜攝影作業，每個主網線路巡檢組日平均效率為10公里，雖對比人工巡視大大提升但仍遠低于固定翼無人機，而輕、小型固定翼體積重量大、結構復雜，飛行作業高度多在真高200米以上，對于操作人員及作業空域要求高，導致飛行作業難度偏大?，F今微型固定翼無人機在電力行業的應用處于起步階段，主要應用于電力走廊的視頻快速巡航及近距離災情普查。通過市場典型的微型固定翼無人機和小型高清可見光相機性能參數分析，與輸電巡檢工作實際運用中的微型多旋翼無人機及輕型固定翼無人機傾斜攝影系統對比，Parrot Disco無人機通過一系列改造，可滿足輸電線路傾斜攝影作業，且效率達到精靈系列的3倍以上。

（1）從飛行器平臺分析，Parrot Disco重量僅為750g，如圖3所式，在搭載官配容量電池時可以飛行45分鐘，飛行速度在23～80km/h之間，抗風等級為5級，滿足貴州山地環境作業要求。

（2）從任務載荷分析，須保證采集數據的質量滿足傾斜攝影技術要求，將無人機自帶的魚眼相機改造為2010萬像素的SONY QX1微單相機，如圖4所示，動力電池升級為3S 3300mAh鋰聚合物電池，可保持其續航能力不變，且采集數據的質量滿足傾斜攝影技術要求。

（3）從飛行控制系統及地面控制站分析，整個飛行過程要求安全、高效、智能，任務執行過程需要對重疊率80%的兩條航帶進行作業。Disco的飛行控制系統基于國際通用飛控APM（Ardu Pilot Mega）開發，是一種可供用戶定制開發的開源系統，將輸電線路傾斜攝影任務規劃模塊在飛行控制系統及地面控制站中進行簡單的二次開發，即可實現微型固定翼無人機傾斜攝影系統的合理化運行。

2.3 微型無人機傾斜攝影系統作業航線

微型無人機傾斜攝影系統作業的航線由兩條平行航線組成，其形狀主要由重疊度及GSD（地面分辨率）來決定。同一航線上兩相鄰照片的重疊比例稱為航向重疊度，相鄰的兩條航線之間的相鄰照片的重疊大小稱旁向重疊度；GSD是指照片每一個像素點對應實際地面的尺寸長度。

圖2

圖3：Parrot Disco固定翼無人機

圖4：SONY QX1微單相機

航空攝影測量作業一般規定航向重疊度標準為65%，旁向重疊度標準值35%，但此類標準值對于飛行器飛行作業穩定性及定位精度要求極高，僅適用于載人飛行器或大型無人機搭載專業多拼傾斜攝影相機。貴州電網根據作業效率、相片連接穩定性等指標不斷試驗測試，最終驗證微型無人機傾斜攝影系統的兩個重疊度設置80%時，作業效率及照片效果最優。

在國家空中交通管制委員會2018年起草的《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例（征求意見稿）》規定中將此類無人機適飛空域真高上限確定為120米。結合山區環境輸電線路起伏較大的走勢，確定在此飛行高度范圍內，GSD在3-4cm時照片質量最佳，可清晰顯示出桿塔及導線圖像。

根據以上兩點，結合微型無人機傾斜攝影系統在相片比例3：2時像素最佳，對應系統所配置的可見光相機各項參數，并根據公式：

可計算出相對航高在110米左右時飛行作業高度及地面GSD滿足要求。

3 傾斜攝影數據處理系統

利用微型無人機傾斜攝影系統完成數據采集后，巡檢人員將傾斜攝影照片按照每個架次為單位整理為若干文件夾，并逐一導入傾斜攝影影像處理軟件，利用GPS平差及影像匹配技術，解算影像空中位置和姿態，實現電力線通道地表高精度三維重建，獲取輸電線路通道高密度點云模型；隨后將空三模型導入樹障分析軟件，數據分析人員在系統的輔助中半自動提取電力線以及電力線弧垂，隨后通過計算地表三維點云與電力線之間的空間距離，自動識別電力線通道內的障礙物，生成通道危險點分析報告，為輸電線路通道檢修及樹障清理工作提供高精度數據支持，其整個運行流程如圖5所示。

目前全球應用最廣泛的無人機傾斜攝影照片數據處理軟件為ContextCapture和Pix4D兩種，但ContextCapture在模型效果理想，人工修復工作量低的同時，操作也相對復雜，不易上手。同時，該軟件最大缺點在于空三模塊成功率不高，導致后續建模失敗。Pix4D通過無人機獲取的影像自動處理剘影像內容，并利用其生成高質量的三維立體模型，該軟件安裝方便、操作簡單，但輸出格式相對較少、模型精細程度只屬中等，并且后處理工作量相對較大。

此類軟件電網都不具有自主知識產權，推廣應用成本較高，現有軟件數量無法滿足貴州電網所有傾斜攝影數據處理。故貴州電網總結此類軟件使用過程中發現的不足及更優目標，結合輸電線路通道巡視專業化需求，通過項目開發更加優化的、具有自主知識產權的傾斜攝影數據處理系統。如本文使用的貴州電網定制軟件PowerMatrix V2.0，目前已完成二階段研發，相對于第一階段，在空三解算部分增加了無控自由網平差解算，在導線匹配部分增加了基于核線影像匹配的電力線特征提取算法，在三維點云部分優化了點云的匹配精度，大幅降低了飛點的產生。根據各單位對傾斜攝影技術在輸電線路通道巡視中的需求，進一步改進完善后布設至輸電線路一線班組。

4 實驗結果精度評價

貴州電網機巡作業中心利用經緯儀、激光測高儀、絕緣繩測量等多種傳統測高方式對微型無人機傾斜攝影系統生成的報告中的近百處樹障危險點進行了驗證，本文列舉220kV索嵩Ⅰ、Ⅱ回線2018年1月重大缺陷凈空距離核實情況如表1所示，結果表明樹障距離測量精度亦滿足輸電線路通道巡視要求。故利用微型無人機單鏡頭進行傾斜攝影可以在保證數據質量的情況下，減小單臺設備投入成本，增加巡視及數據處理效率，并將該技術推廣至班組級應用，提高該項技術的適用范圍。

表1：220kV索嵩線2018年1月樹障核實表

圖5：傾斜攝影數據處理系統運行流程

5 多無人機協同應用模式

傾斜攝影技術在輸電線路通道巡視中的應用模式建議按照“兩主三同步”的模式進行，即以班組開展為主，使用常規配置的微型多旋翼無人機為主，微型固定翼無人機傾斜攝影系統同步推廣，機巡作業中心同步配合，高性能無人機同步開展。隨著遙感測量技術高速進步并大量推廣至電力行業，傾斜攝影逐步朝著普及化、輕便化、智能化方向發展，班組一線巡視人員可快速掌握通俗易懂的操作流程。以班組開展為主既可保證線路實際運維人員快速核實日常巡維過程中發現的疑似樹障區段，又可在所轄區域分布式、大面積開展傾斜攝影通道巡視；使用常規配置的微型多旋翼無人機為主可實現無人機設備合理化利用，減少資源浪費；微型固定翼無人機傾斜攝影系統同步推廣使得新技術、新思路在生產工作中不斷得到論證、發展，并穩步提升工作效率；最后，機巡作業中心根據實時計劃完成情況及各地區實際需求，利用未配置到班組的高性能無人機作出有效補充。

以貴州電網為例，按照南網“每350公里110kV及以上輸電線路3架無人機”的配置建議，截至2018年中旬貴州電網共配置482臺多旋翼作業無人機到各輸電班組，其中精靈占比達80%以上，24個主網線路運維班組可達到每個班組3架精靈4 Pro微型作業無人機；輸電線路機巡作業中心目前裝配了1臺垂直起降固定無人機。根據“兩主三同步”的建議原則，通道傾斜攝影巡視可采用如下模式：

（1）根據差異化巡視計劃，各輸電運維班組在年度首次無人機正常巡視過程中梳理疑似樹障區段，形成輸電線路樹（竹）林多生區臺賬，班組利用精靈4 Pro微型多旋翼無人機傾斜攝影系統對這些線路區段進行一次通道巡視，并完成樹障清理工作；

（2）機巡作業中心對本文微型固定翼無人機傾斜攝影系統進一步驗證改進，達到實用化后形成科學合理的作業規范，指導班組運維人員使用新設備，推廣配置到生產班組，并在生產實踐工作中不斷完善作業體系，提升工作效率；

（3）機巡作業中心利用直起降固定無人機傾斜攝影系統主要對關鍵重要線路、風險線路和保電線路的全線傾斜攝影巡視，必要時對其進行數字化建模，把握特維特護線路實時動態，并進行可視化管理。

6 結語

輸電線路通道巡視的核心是找出與導線距離過近的樹障隱患點，而傾斜攝影正是快速準確測量距離的一種遙感測量方式。本文論述了兩種微型無人機傾斜攝影系統在輸電線路通道巡視方面的技術路線和應用可行性，并提出了多種無人機協同配合的技術應用模式。這種模式的優點在于減少了傾斜攝影技術應用成本，使得線路運維單位更加高效、高質量的完成輸電線路通道巡視，提升線路健康水平；同時擴大了新技術在電力行業的應用范圍，以先進技術確保輸電線路的健康水平及供電可靠性。