基于礦山電力工程的微型旋翼無人機(jī)設(shè)備應(yīng)用研究

周 翔，岳 強(qiáng)，溫玉維

（中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長沙 410007）

1 概述

改革開放以來，我國的工業(yè)化建設(shè)發(fā)展快速加快，到2018年我國工業(yè)化水平達(dá)59.5%。礦山電力工程中老線路改造和新建線路也越來越多，此類工程規(guī)模小、路徑受限制、地物多且復(fù)雜、空域多為限制區(qū)、要求航攝地面分辨率高。采用較大無人機(jī)實(shí)施航攝較復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)較大、成本高。采用微型旋翼無人機(jī)超低空攝影測(cè)量技術(shù)剛好能彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，可高效地獲取路徑影像。

2 微型旋翼無人機(jī)特點(diǎn)及基本參數(shù)

微型旋翼無人機(jī)具有體積和重量小，便于攜帶，操作簡(jiǎn)單，起飛和降落不受場(chǎng)地限制。由于電池續(xù)航能力有限，微型旋翼無人機(jī)一般飛行高度在80～500之間，單架次飛行面積在 0.6km2～1km2。

圖1 大疆Phantom 4 Pro無人機(jī)組成及外觀

當(dāng)前無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在礦山電力線路工程中得到廣泛的應(yīng)用，但是由于微型旋翼無人機(jī)自身的特點(diǎn)，在線路工程中應(yīng)用不多[1]。隨著我國工業(yè)企業(yè)迅速發(fā)展，電力工程中老線路改造和新建線路工程越來越多。這類工程路徑受礦山工程規(guī)劃限制，路徑選擇較單一，因此在航飛帶寬不需要常規(guī)新建線路那樣寬；另外礦山工程區(qū)域內(nèi)的地物密集，對(duì)于選線精度要求高，需要提供高分辨率正射影像圖；區(qū)域工作區(qū)內(nèi)地物密集，起降場(chǎng)地受限。基于如此多條件限制，采用微型旋翼無人機(jī)超低空航攝技術(shù)能發(fā)揮其最大優(yōu)勢(shì)[2]。

選擇市面上最常見的大疆Phantom 4 Pro無人機(jī)作為本文的試驗(yàn)載體。該無人機(jī)外觀及組成如圖1所示。

該無人機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

表1 大疆Phantom 4 Pro基本參數(shù)

3 微型旋翼無人機(jī)外業(yè)作業(yè)流程

微型無人機(jī)外業(yè)作業(yè)流程大致分為四部分：任務(wù)設(shè)計(jì)及航線規(guī)劃、航攝實(shí)施、數(shù)據(jù)檢查、外業(yè)像控測(cè)量。

3.1 任務(wù)設(shè)計(jì)及航線規(guī)劃

根據(jù)線路工程路徑規(guī)劃好航線；對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)最高地形或地物點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形和地物特點(diǎn)選取起降點(diǎn)和確定飛行高度，確保不同架次間飛行高度差在30m以內(nèi)；根據(jù)規(guī)劃好的航線均勻預(yù)布設(shè)好野外像控點(diǎn)，在無明顯特征點(diǎn)區(qū)域需人工布設(shè)好像控標(biāo)志[3]。如圖2所示，為無人機(jī)一個(gè)架次的航線規(guī)劃，左下角還有預(yù)計(jì)飛行時(shí)間，由于電池容量的限制，一般一個(gè)架次飛行時(shí)間控制在20min以內(nèi)。

3.2 航攝實(shí)施

根據(jù)選取的起降點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施航飛。由于礦山地區(qū)線路路徑基本確定，因此航飛帶寬一般在路徑左右兩側(cè)各300m，每架次能航飛線路路徑長度大約1.5km。

圖2 大疆Phantom 4 Pro無人機(jī)航線規(guī)劃示意圖

3.3 數(shù)據(jù)檢查

利用ICE、AGISOFT等軟件快速生成全景圖檢查航飛的照片，包括利用影像pos檢查航飛影像是否覆蓋布設(shè)好的航線；影像的色彩是否飽滿，銳度清晰，反差適中；影像的分辨率是否滿足設(shè)計(jì)要求；航向重疊度不低于60%，旁向重疊度不低于30%，旋偏角小于15°。

3.4 野外像控測(cè)量

本文選取礦山工程區(qū)域內(nèi)邊一條約8km線路做為實(shí)例，根據(jù)線路路徑在奧維地圖上布設(shè)好像控點(diǎn)的大致位置，像控點(diǎn)采用延線路兩側(cè)成對(duì)均勻布設(shè)，每隔400m～500m布設(shè)一對(duì)，在路徑拐歪處需多布設(shè)一到兩個(gè)點(diǎn)[4]。根據(jù)地圖顯示情況，需要在無明顯像控點(diǎn)位置預(yù)先布置好像控點(diǎn)，布設(shè)像控點(diǎn)時(shí)需采用與地面顏色反差較大的材料。并在沿線均勻采集一定的數(shù)量的檢查點(diǎn)。如圖3所示。

圖3 像控點(diǎn)布設(shè)示意圖

4 航拍數(shù)據(jù)處理及精度分析

航拍數(shù)據(jù)處理流程如圖4。

圖4 數(shù)據(jù)處理流程圖

4.1 相機(jī)參數(shù)獲取及影像去畸變處理

大疆無人機(jī)的相機(jī)為非量測(cè)相機(jī)，相機(jī)鏡頭存在較大畸變差，如果對(duì)相機(jī)鏡頭進(jìn)行檢校需要建立試驗(yàn)場(chǎng)或者到專業(yè)機(jī)構(gòu)，而且還要每隔一定的時(shí)間要檢校一次。檢校后的參數(shù)隨著使用次數(shù)增多誤差會(huì)越來越大，并且該無人機(jī)的IMU和POS系統(tǒng)精度不高。通常采用的空三加密處理的inpho軟件，在進(jìn)行加密處理前，需要精確的相機(jī)參數(shù)、去畸變的影像和精確的IMU/POS數(shù)據(jù)。

考慮到非量測(cè)相機(jī)的這個(gè)特性，這里采用Pix4d軟件對(duì)原始影像進(jìn)行密集匹配處理，不僅能獲得精確相機(jī)參數(shù)，還能得到去畸變的影像和影像精確的IMU/POS數(shù)據(jù)。

在Pix4d空三處理完成后，得到相應(yīng)的DSM和DOM成果。

4.2 空三處理及嚴(yán)密平差

Inpho空三處理生產(chǎn)流程主要分為四個(gè)步驟。

4.2.1 新建工程

新建工程后，輸入相應(yīng)的工程名和文件保存路徑。導(dǎo)入經(jīng)過Pix4dmapper處理得到的去畸變影像、IMU/POS數(shù)據(jù)、相機(jī)參數(shù)和初步空三成果。然后定義航帶、編輯控制點(diǎn)文件、輸入測(cè)區(qū)平均高程、建立航帶等。

4.2.2 創(chuàng)建金字塔影像

為了提高效率，測(cè)區(qū)內(nèi)的每張影像都要?jiǎng)?chuàng)建金字塔影像，金字塔影像主要在像片放大和空三加密的迭代過程中使用，生成的金字塔影像要單獨(dú)保存。

4.2.3 控制點(diǎn)量測(cè)

控制點(diǎn)量測(cè)有兩種方式：第一種是先手工量測(cè)所有的地面控制點(diǎn)，然后啟動(dòng)空中三角測(cè)量進(jìn)行自動(dòng)連接點(diǎn)提取；第二種是先進(jìn)行自動(dòng)連接點(diǎn)的提取，再添加地面控制點(diǎn)。但如果在項(xiàng)目開始前就有大量的地面控制點(diǎn)，可以手工測(cè)量測(cè)區(qū)最外圍的4個(gè)控制點(diǎn)，這4個(gè)點(diǎn)的連線要盡量包住整個(gè)測(cè)區(qū)，平差計(jì)算后，預(yù)測(cè)剩余的控制點(diǎn)，通過微調(diào)便可將控制點(diǎn)快速添加完畢。

4.2.4 嚴(yán)密平差

第一次自動(dòng)提取連接點(diǎn)時(shí)要勾選“創(chuàng)建連接點(diǎn)區(qū)域后停止”按鈕，這樣如果空三計(jì)算失敗或者沒有找到連接點(diǎn)時(shí)，可以利用連接點(diǎn)區(qū)域檢查連接點(diǎn)匹配是否成功。

連接點(diǎn)成功提取后，便可以進(jìn)行平差計(jì)算，通過像控點(diǎn)位置說明不斷地調(diào)整控制點(diǎn)的平面位置和高程，直到計(jì)算的控制點(diǎn)平面中誤差和高程中誤差均小于限差要求，方可導(dǎo)出空三結(jié)果。

4.3 外業(yè)調(diào)繪

首先根據(jù)制作的高分辨率的DOM判讀可能會(huì)影響線路路徑的重要地物和交叉跨越等，如果DOM上不能準(zhǔn)確判讀，或者需要調(diào)查地物其他屬性的，則需要到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪。

4.4 三維立體優(yōu)化選線

將最終空三成果和外業(yè)調(diào)繪數(shù)據(jù)引入我公司自主研發(fā)的維邁多數(shù)據(jù)源輸電線路航測(cè)系統(tǒng)，則可進(jìn)行三維立體優(yōu)化選線。

該系統(tǒng)可以根據(jù)制作的DSM和DOM生成三維大場(chǎng)景視圖，在大場(chǎng)景視圖下，確定線路整體路徑走向并且優(yōu)化；然后再根據(jù)單模型立體，進(jìn)行局部?jī)?yōu)化，確保線路路徑方案達(dá)到最優(yōu)。并且大場(chǎng)景和局部三維可以隨意切換。

通過設(shè)計(jì)人員初步排塔定位，能夠使路徑得到及時(shí)優(yōu)化。采用多窗口模式，把線路路徑、采集的地物和排塔坐標(biāo)信息都放置到共享內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)每個(gè)窗口及時(shí)調(diào)用，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)協(xié)同。每個(gè)窗口都可以三維選線、平斷面量測(cè)，所有窗口都聯(lián)動(dòng)塔位預(yù)排位窗口，實(shí)現(xiàn)全方位、多角度和多維度選線設(shè)計(jì)。預(yù)排塔定位窗口排外完成后，實(shí)時(shí)反饋到各個(gè)數(shù)據(jù)源窗口，在單立體像對(duì)模型和大場(chǎng)景立體模型中，呈現(xiàn)出四邊形基礎(chǔ)在定位中心，其中心在定位中心，四個(gè)角點(diǎn)緊貼地面高程。

根據(jù)最終路徑方案，再進(jìn)行人工采集路徑平斷面圖，供電氣專業(yè)進(jìn)行排塔設(shè)計(jì)。

圖5 大場(chǎng)景及局部立體與平斷面聯(lián)動(dòng)

4.5 精度分析

精度分析分為平面精度和高程精度分析，分析數(shù)據(jù)主要包括野外檢查點(diǎn)和地物特征點(diǎn)的數(shù)據(jù)。檢查點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析方法是：根據(jù)檢查點(diǎn)描述的具體位置、航片號(hào)、實(shí)地照片，在立體模型中找到相應(yīng)點(diǎn)的位置，并測(cè)得這個(gè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程，通過與外業(yè)實(shí)測(cè)的坐標(biāo)差值，可以計(jì)算得到平面中誤差和高程中誤差。

地物特征點(diǎn)檢查方法與野外檢查點(diǎn)方法類似，具體步驟是：根據(jù)可研的線路路徑方案，在線路路徑中線附近均勻測(cè)量相應(yīng)的地物特征點(diǎn)。然后再根據(jù)外業(yè)描述情況和位置，在立體模型中采集相應(yīng)地物特征的坐標(biāo)和高程，并計(jì)算平面中誤差和高程中誤差。這里依托實(shí)際項(xiàng)目長沙東山變220kV送電線路工程，對(duì)相應(yīng)控制點(diǎn)和地物特征點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。控制點(diǎn)和地物特征點(diǎn)的精度統(tǒng)計(jì)情況分別見表2和表3。

表2 控制點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)表

表3 地物特征點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)以上兩個(gè)表格統(tǒng)計(jì)的平面、高程的中誤差，均小于《電力工程數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量規(guī)程》[1]中的精度要求。

5 結(jié)論

本文主要介紹了微型旋翼無人機(jī)在礦山電力工程中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)以及數(shù)據(jù)處理的流程和方法。微型旋翼無人機(jī)在礦山電力線路工程中能充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，減少人力、物力成本，降低風(fēng)險(xiǎn)。

在線路設(shè)計(jì)障礙物較多、地形地物變化頻繁的礦山工程區(qū)域，為電力線路路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)提供最新、高分辨的DEM和DOM，結(jié)合維邁多數(shù)據(jù)源輸電線路航測(cè)系統(tǒng)可以提供大場(chǎng)景三維立體視圖和局部三維立體，為線路選線提供便利。在微型無人機(jī)數(shù)據(jù)處理過程中的關(guān)鍵步驟是獲取相機(jī)的參數(shù)以及未畸變的影像，這樣才能保證在后續(xù)的空三加密處理過程中獲得高精度成果。并且結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，對(duì)空三成果進(jìn)行相應(yīng)的精度統(tǒng)計(jì)分析，成果精度滿足電力工程的設(shè)計(jì)要求。