低空無人機測繪技術在輸電通道巡檢中的應用

魯杰 龐博 侯力楓 劉陽

摘 要：隨著地方經濟的不斷發展和電網規模的逐步擴張，架空輸電線路通道走廊及周邊外力破壞隱患不斷增多，傳統人工巡檢方式已經無法滿足當前對于通道走廊快速排查和影像取證的需求，亟待尋找新的技術和方法予以解決。本文結合架空輸電線路通道走廊巡檢工作要求和低空無人機測繪技術應用現狀，通過試驗實例來分析和探討低空無人機測繪技術在輸電通道巡檢中的應用，實現無人機的自主飛行和自動對地測繪攝影，實現大比例尺下輸電通道照片的自動拼接和正射影像圖的自動化成像。

關鍵詞：低空;無人機測繪;輸電通道;自主巡檢;自動拼接;自動化成像

中圖分類號：TM755 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）20-0156-02

0 引言

隨著地方經濟的不斷增長，電網規模不斷擴大，架空輸電線路的空間分布也越來越廣泛，從高山大嶺到山谷溝壑，從壩上草原到丘陵平原，架空輸電線路所處地域廣袤、地理環境復雜。同時，由于市政工程建設和地方產業發展等多方面因素，修路、造橋、建房等情況不斷增多，架空輸電線路通道走廊及周邊存在著大量的外力破壞隱患。在傳統巡檢方式下，為弄清線路通道走廊及周邊各類隱患的分布、位置和距離，需要大量人力到現場進行摸排、攝影和測量作業。受技術條件、地形因素和人工作業水平限制，所需時間長、效率低，排查結果不全面、不直觀，效用有限。隨著無人機低空航空攝影研究的不斷深入，低空無人機測繪技術應運而生，由于其具備機動靈活、高效快速、價格低廉、安全可靠的特點，受到越來越多的關注和廣泛的應用。利用無人機自主飛行對架空輸電線路通道走廊進行自動化測繪攝影，然后通過專用攝影測量拼接軟件，自動化生成線路通道走廊區域內全景影像或正射影像圖，為架空輸電線路的運維單位制定有針對性的預防線路外力破壞事故措施，開展電力設施保護工作，提供直觀的影像依據。

1 低空無人機數字攝影測量系統

1.1 系統構成

低空無人機數字攝影測量系統主要包括無人機平臺、地面站、任務載荷、C2鏈路（Command and Control data link，指令與控制數據鏈路），以及影像數據處理與測繪成果制作子系統等五部分組成。其中，無人機飛行平臺需具備GPS模塊、RTK（Real time kinematic，實時動態載波相位差分）或PPK（Post processed kinematic，動態后處理）模塊。任務載荷可根據不同的任務類型配置相應的設備，可包括高分辨率數碼相機、多光譜成像儀、紅外成像儀和激光掃描儀等。影像數據處理與測繪成果制作子系統，采用在計算機或圖形工作站上，安裝行業專用的攝影測量拼接軟件，進行最終圖像處理和測繪成圖。

1.2 無人機平臺選擇

執行測繪任務時，選擇哪種類型的無人機必須綜合考慮無人機性能、測繪對象、測繪區域和測繪時限等因素[1]。根據輸電線路的長度、區域內地理環境特點、作業時間要求、以及制圖精度的不同要求，選用不同的無人機飛行平臺和任務載荷。在超長距離、通訊信號受限、地理環境極端復雜區域，一般采用搭載PPK技術的固定翼無人機在高空進行攝影測繪，同時需在地面設置基準站、移動站，以及若干地面控制點。在短距離、通訊信號良好、局部成像要求高時，可采用搭載RTK技術的多旋翼無人機在低空進行攝影。

1.3 適用性分析

開展架空輸電線路通道走廊巡檢的目的，主要是為了取得線路重要交跨區段及通道走廊周邊區域內的高清晰、大比例尺的可見光圖像，在圖像上能清晰反映出架空輸電線路通道走廊及周邊隱患信息。固定翼無人機測繪作業政策限制多、審批周期長、技術要求多，現場測繪作業地面基準站、移動站和控制點的布設過于復雜，實施難度相對較高;后期圖像處理周期長，成圖調整細節多、圖像清晰度和辨識度難以保證;固定翼無人機測繪技術的便捷性、時效性和實用性有限。利用搭載RTK技術和高像素可見光相機的多旋翼無人機在低空進行測繪拍照，政策限制小、技術簡單、便捷靈活、設備集成度高、影像成圖速度快，更適宜架空輸電線路運維單位使用。

2 低空無人機測繪試驗設計

2.1 試驗目的

通過試驗實例來驗證選擇的多旋翼無人機平臺和專業攝影測量拼接軟件系統等，是否能滿足架空輸電線路運維單位對于線路通道走廊運維巡查測繪作業便捷、作業周期短、影像成圖快速、圖像清晰精準的需求。主要為核實以下幾個問題：一是選用的無人機平臺及配套地面站是否能滿足自主飛行作業要求;二是自動測繪拍攝的照片能否滿足后期圖像處理和測繪成圖的要求;三是測繪拼接軟件自動化流程生成的圖像，其細節是否清晰可辨、成像精度和誤差是否在可接受范圍內;四是對人工手工操作拍攝和無人機自動拍攝成像效果進行對比。

2.2 試驗區域

經過現場勘查和篩選，選擇了承德市西部郊區一條220千伏同塔雙回輸電線路的一處重要交叉跨越區段作為試驗區域。該區段跨越高速公路和國道，線路通道走廊及周邊存在大量的樹木植被、民房、臨時建（構）筑物、施工場地及大型機械，同時周邊還有多條在運配電線路和通訊線路，跨越檔兩側鐵塔分別位于南北兩側的山頂上。測繪作業區域為880×270m的帶狀區域，試驗區域總面積約0.24平方公里。

2.3 無人機平臺的選擇

經過多方比選，最終選取集成度高、操作簡便的DJI Phantom4 RTK無人機平臺及配套地面站軟件作為試驗測試設備，該無人機系統集成了2000萬像素可見光相機和RTK GNSS（Global Navigation Satellite System，全球衛星導航系統）模塊，具備厘米級高精度定位、圖像位置補償、自主航線規劃、自動化飛行測繪作業、障礙物感知和自動避讓等功能。

3 低空數字影像的獲取

3.1 一般作業流程

無人機測繪包括外業工作和內業工作兩部分，外業工作包括現場勘查、任務規劃、航線規劃、參數計算、地面控制點布設、測繪航拍、設備回收等。內業工作包括圖像預處理、空中三角測量、定向建模、DLG（Digital Line Graphic，數字劃線圖）、DEM（Digital Elevation Model，數字高程模型）、DOM（Digital Orthophoto Map，數字正射影像）制作、快速全景圖拼接等。

3.2 測繪攝影流程

本次試驗用無人機設備自動化和智能化程度相對較高，外業作業現場勘查后，在地面站上完成飛行任務建立、參數設置、航點規劃、航線自動生成、任務數據上傳，點擊開始飛行后，無人機進行自主飛行、自動測繪攝影，任務完成后自動返航并降落。

3.3 主要參數設置

為滿足后期拼接處理對圖像重疊的要求，航向重疊度一般應為60～65%;個別最大不得大于75%，最小不得小于56%。相鄰航線的像片旁向重疊度一般應為30～35%，個別最小不得小于13%[2]。本次試驗飛行參數在地面站飛行任務規劃中設置，考慮到線路兩側鐵塔在山上，而中間為河谷平原，為得到更高的精度和更好的效果，主航線上重復率設置為80%、航線間重復率設為60%、主航線角度根據生成的航線做調整，飛行高度約140m，飛行速度7m/s，分辨率4.0CM/PX，拍攝時間間隔設置為3s。

3.4 航線設計優化

地面站上航點設置完畢后，在試驗區域內自動生成飛行航線，航線呈現形狀為之字形。為了讓無人機飛行時間更長，拍攝更多的圖像，原則上讓無人機盡量多的處于勻速飛行狀態，因此航線應盡量規則，折返飛行次數越少越好。

3.5 自主飛行及自動影像獲取

無人機起飛后，立即進行自主飛行模式，無人機飛行至任務區起點處后，所搭載的可見光照相機自動開始進行測繪攝影。自主飛行作業期間，地面站屏幕上能夠實時顯示無人機的位置、姿態、距離、飛行高度、圖傳、信號強度、剩余電量及飛行時間等信息。在自主飛行及自動攝影期間無需人工干預，無人機駕駛員做好設備狀態監控和應急相應準備即可。依據試驗設計，于2019年4月在試驗區域完成了無人機自主飛行測繪作業，獲取試驗區域高清晰度圖像90張，照片存儲在無人機本身安裝的存儲卡上，后續處理導出至計算機或圖形工作站上。一個架次無人機飛行測繪作業所用時間不超過20分鐘。

4 數字全景影像拼接和數字正射影像制作

4.1 數字全景影像拼接

全景影像是原始影像直接拼接的結果，不需要地面控制點等已知數據，只需要影像匹配獲得的同名點即可快速生成[3]。選用PTGui作為全景影像圖的拼接和處理軟件，該軟件能自動讀取照片的鏡頭參數，識別圖片重疊區域的像素特征，然后以控制點的形式進行自動拼合，并進行優化融合。在軟件的全景圖片編輯器支持多種視圖的映射方式，也可以手工添加或刪除控制點，從而提高拼接的精度。主要操作步驟包括三步：加載一組原始圖像、運行自動對準圖像、創建全景圖并保存。在試驗用計算機上完成試驗區域拍攝的90張圖像的自動化拼接，用時約10分鐘。

4.2 數字正射影像制作

選用PhotoScan作為正射影像的處理軟件，特點是無需設置初始值、無須相機檢校，根據最新的多視圖三維重建技術，對任意照片進行處理，無需控制點，可生成高分辨率正射影像（使用控制點可達5cm精度），也可生成真實坐標的三維模型[4]。該軟件完全自動化的工作流程，即使非專業人員也可以在一臺電腦上處理大量航空影像，生成專業級別的攝影測量數據。該軟件支持GPU加速運算，能夠進一步提高運算速度和圖像處理效率。主要操作步驟包括對齊照片、構建密集點云、生成網格、生成紋理、生成正射影像、導出圖像等。試驗區域正射影像的生成效率，受計算機或圖形工作站的性能限制，以及不同質量要求，可選擇高、中、低質量的成像參數，生成正射影像所需時間差異較大，生成高精度正射影像所需時間為幾十分鐘、甚至數十個小時;生成中精度正射影像需幾十分鐘;低精度正射影像需幾分鐘即可。在試驗用計算機上，通過圖像軟件自動化處理，生成一幅試驗區域高等質量正射影像，同步生成了密集點云模型和3D模型，用時約3個小時，還可以通過軟件中的標尺工具對區域內任意兩點空間距離進行測量。

5 影像成圖實例效果分析和對比

5.1 人工操作和無人機自動測繪對比

通過人工手動操作無人機設備開展測繪作業拍攝的圖像，由于人員技術技能水平參差不齊，存在無人機飛行航線誤差大、測繪攝影定位精度不足、拍攝高度和拍攝角度控制困難、圖像重疊度不滿足規范要求等原因，在后期進行圖像處理時，拼接和生成的圖像存在局部地物錯位、色調色彩差異過大、細節辨識性不足等情況，也存在圖像比例尺不一致造成無法生成正確圖像的問題，人工手動操作無人機拍攝的圖像基本無法用來制圖，即便制成成圖也無參考價值。

5.2 數字全景影像圖和數字正射影像圖對比

數字全景影像圖，是通過使用原始圖像直接拼接而成，主要優勢是成圖速度快，全景影像圖在需要快速成圖時具備極大優勢，可通過隨身攜帶的便攜式計算機或圖形工作站，在無人機測繪攝影完成后，在現場利用幾分鐘時間即可完成全部圖像處理。由于全景影像圖并不是嚴格基于共線方程生成，其相鄰影像間會出現明顯的接邊誤差[5]，部分圖像會出現地物錯位、重影、模糊等現象，不能滿足線路通道走廊巡檢對于隱患位置判定的要求。但是，仍可以通過全景影像圖拼接軟件，現場檢查和核實拍攝的圖像是否滿足正射影像對于圖像重疊度的要求。

數字正射影像圖，同時具有地圖的幾何精度和相片的影像特征[6]，其高精度成圖較一般拍攝的圖像優勢明顯，由于其投影方式為正射投影，不存在傾斜誤差、地面投影差，影像為無縫鑲嵌、拼接精確，無錯位及色彩突變，紋理清晰、色調一致、反差適中、細節清楚可辨，最終成圖的精度高、信息豐富、直觀真實。低精度正射影像主要問題是細節模糊、辨識困難，效用有限。中精度正射影像圖在制作周期、成圖精度、細節辨識等方面，能夠取得一個相對的平衡。具體需何種精度的正射影像圖，還需根據實際工作需要和圖像處理設備的軟硬件性能確定。

6 結語和展望

通過低空無人機測繪技術試驗實例，實現了無人機的自主飛行和自動對地測繪攝影，實現了大比例尺下架空輸電線路通道走廊全景照片的自動拼接和正射影像的自動化成像，給架空輸電線路通道走廊巡檢工作提供了一個的完整的技術解決方案。從最終成圖的效果來看，全景影像圖和正射影像圖均有其適用場景和使用價值，需要在具體的工作中靈活運用。同時，也看到隨著架空輸電線路通道走廊巡檢工作量不斷增長，運維單位工作壓力與日俱增，對于無人機測繪技術在線路通道走廊巡檢中的應用提出了更高的要求。在確保最終圖像精度能夠滿足需求的前提條件下，要求無人機設備和測繪攝影裝置更加集成、易用和便攜，測繪作業流程和圖像處理系統更加自動化、智能化，減少人工干預造成的誤差。相信隨著國家電網公司“三型兩網”建設的不斷推進，隨著泛在電力物聯網建設的不斷深入，將會大力促使無人機及測繪相關專業領域，在架空輸電線路通道走廊巡檢方面開展更深入的應用研究，不斷取得新的技術突破，從而誕生出更多更加先進的技術。

參考文獻

[1] 萬剛，余旭初，布樹輝，等.無人機測繪技術及應用[M].北京：測繪出版社，2015.

[2] GB/T 15661-2008，1：5000，1：10000，1：25000，1：50000，1：100000，地形圖航空攝影規范[S].

[3] 張永軍.無人駕駛飛艇低空遙感影像的幾何處理[J].武漢大學學報：信息科學版，2009，34（3）：284-288.

[4] 王慧.淺談利用PhotoScan與一鍵快拼軟件制作正射影像的區別[J].測繪與空間地理信息，2018，41（7）：120-125.

[5] 魯恒，李永樹，何敬，等.無人機低空遙感影像數據的獲取與處理[J].測繪工程，2011，20（1）：51-54.

[6] 姜淼，張麗霞，龔偉.正射影像地圖的制作方法與應用研究[J].測繪與空間地理信息，2009，32（5）：150-158.