無人機傾斜攝影技術在輸電線路運維中的應用

國網臺州供電公司 萬廣雷

早在2011年，中國電網規模已經位居世界第一，基于此，除了需要加快相關項目的建設外，還需要優化輸電線路運維工作。我國幅員遼闊，地形地貌復雜，輸電線路并不總是在城市范圍內，因此，其運維難免會受復雜地質條件的影響，導致數據測量精準性不高。無人機傾斜攝影技術具有靈活、操作方便、成本低、準確性高等優點，被廣泛應用于輸電線路的運行維護工作中。

1 輸電線路運維

1.1 輸電線路常見故障問題

雷擊、單相接地、鳥害、甚至人為因素都可以造成輸電線路故障，輸電線路運維和故障排除時必須特別注意上述要點。雷擊故障不但會使輸電線路正常工作受影響，而且還容易造成人員傷亡。單相接地故障的發生和天氣影響有著一定關系，單相電壓的數值會由于輸電線路單相接地而置零，因此所產生的不合理電壓將提高電力設備的受損機率，嚴重時還會導致輸電線路癱瘓。而鳥害則會導致輸電線路產生絕緣子串短接現象。人為因素影響則主要是指不法分子故意破壞電力輸電線路、偷盜輸電設備等，進而阻礙輸電線路正常運行。

1.2 輸電線路運維工作

隨著供電網絡建設施工規模的不斷擴大，輸電線路運維管理工作難度也逐漸加大。基于此，有必要深入探究輸電線路運維管理中出現的各類問題，并給出相對比較完善的處理對策。同時，應加大對輸電線路運維管理工作的監察力度，進而確保輸電線路運行安全穩定。

為確保管理運維工作得到更好推進，必須規范化輸電線路設計、針對性檢查周邊環境、嚴格檢查輸電線路經營現狀情況，上述工作的落實是管理運維工作開展的堅實基礎。另外，各地電力部門還必須注重研究、引進、運用新型現代化技術設備，以進一步提升輸電線路運維管理工作的效能與品質。

2 無人機傾斜攝影技術

2.1 傾斜攝影技術原理

傾斜攝影技術改變了過去僅僅從垂直視角攝取影像的局限，通過將多個感應器引入同一飛行平臺上，能夠從五個不同視角收集圖像（1垂直、4傾斜），使得數據的收集更加真實、直觀，便于更精確地構造出現場的三維模型，同時有效降低了三維建模的成本。圖1為傾斜攝影原理圖[1]。

圖1 傾斜攝影原理圖

2.2 無人機傾斜攝影技術原理

使用無人機傾斜拍攝測量對象，進而使用點云技術將各照片全方位模塊化地集成。之后再利用三維模型系統，自動生成1:1比例的三維模型影像，將現場情景原封不動地轉移到辦公室內。最后將三維模型輸入測距軟件中，測量必要的數據信息。原理路線如圖2所示。

圖2 無人機傾斜攝影技術原理路線

2.3 無人機地面站

無人機地面站作為整個無人機系統總體的指揮中心，能夠進行地面控制和無人機管理。地面站主體硬件部分包括了計算機系統、地面通信數據鏈路以及輔助控制設備等，并能夠與相關的軟件配套，以完成對整個無人機攝影過程的整體管控[2]。

2.4 無人機傾斜攝影技術的發展現狀

無人機傾斜攝影技術的應用，使得工程測量不再局限于模擬測量和手繪圖紙階段。其由計算機自動處理與分析數據，精度高且快捷，且能夠形成數據共享的信息化機制[3]。當然，目前中國的無人機傾斜攝影技術還沒有完全成熟，仍面臨著許多問題，但其巨大的潛能及需求正激勵著相關技術企業不斷創新和開拓。

3 無人機傾斜攝影技術在輸電線路運維中的應用

在輸電線路的運維過程中，必然會途經部分建筑物。當運維工作點的最佳位置無法避開居住建筑物時，實地檢測精度會產生巨大偏差，且工作量也會大增。基于此，現在通常會選用無人機傾斜攝影技術，來進行輸電線路運維的數據采集工作[4]。通過精準收集所需數據，并構建三維模型，可以正確探析輸電線路的運行狀態。圖3是正在執行傾斜攝影任務的無人機。

圖3 執行傾斜攝影任務的無人機

無人機傾斜攝影技術有很多優點，不僅有助于提高數據收集的準確度，還有助于降低三維建模成本、提高建模效率。另外，其系統操作比較簡單，對場地的要求不高。其優勢具體有以下幾點。

3.1 高真實性

無人機傾斜攝影技術在開展傾斜拍攝工作時，由無人機搭載傾斜的拍攝用云臺，在低空繞行。傾斜攝影云臺的信號捕獲裝置非常敏感，可以清楚地記錄下地面建筑和植物分布等有關數據，而且準確度極高。

3.2 高效率

無人機傾斜攝影技術在保證精度的前提下，能夠顯著減少輸電線路運維作業的工作量，實現非接觸測量，進而有效控制運維周期，提高運維效率。

3.3 低成本

圖像是最生動、最直接的表現形式，三維模型更是能夠給人與現實世界基本相同的體驗。因此，使用傾斜成像技術收集數據并構建三維模型是測量領域的新趨勢，相對較低的成本也加快了傾斜攝影技術的發展，最大限度地縮短了測繪分析周期，大大提高了工作效率。

3.4 可模擬地質災害

為最大限度地降低地質災害發生時對輸電網絡造成巨大的經濟損失，必須在線路建設時就模擬出可能產生的地質災害，并完成預控。利用無人機傾斜攝影技術建立輸電線路三維模型，能夠實現上述功能需要。

3.5 有利于把控運維工作細節部分

其一，利用無人機傾斜攝像技術對輸電線路范圍內進行數據采集，能夠獲得直觀可視的影像資料，進而便于測算區域內各項參數；其二，運用無人機傾斜攝像技術能夠精確地測定邊坡面積，以及與輸電線路桿塔的水平間距，便于后期運維時解決輸電線路邊坡塌方等問題；其三，在輸電線路運維工作中應用無人機傾斜攝像技術，有助于更清晰直觀地在計算機上測定出各細節部分參數。

3.6 發展趨勢

無人機傾斜攝影測量技術有助于快速完成輸電線路整體的三維建模工作，但細節部分仍有待進一步優化。同時，基于該技術構建出的三維建模是一個整體，如何實現結構單體化也是接下來的研究重點。

4 工程應用實例

以某新遷改桿塔運維工作為例。其位于丘陵地帶，區域范圍內地形復雜，給運維工作帶來了很大的不便。因此，運維工作中的信息收集環節，最終選擇用搭載高像素CMOS 傳感器和廣角鏡頭的微型多旋翼無人機來完成。

4.1 收集數據

選用微型多旋翼無人機，結合傾斜攝影測量技術，對輸電線路相關數據進行采集。多旋翼無人機的主要特點是機動性強、成本低、續航能力好。通過在多旋翼無人機的飛行平臺上搭載傾斜攝影相機，并與IMU 和高精度的GPS 接收機結合：傾斜攝影相機用于抓拍影像，GPS 和IMU 則為無人機提供定位和坐標信息。

傾斜攝影測量的飛行方案設計，設計底圖應基于高清影像圖，并按我國的有關標準要求和輸電線路運維需要，標繪其飛行范圍。同時，應用計算機軟件實現對無人機航線的自動設計。傳統航線設計通常設定66%的航線重合度和30%旁向重合度，但在航線設計軟件中，航線設計和旁向重疊率一般都設定為66%。此外，航線設計軟件還能夠按運維要求自動生成飛行計劃文件，文件內容包括：無人機飛行線路、巡檢點坐標位置信息、拍攝頻率等。在實際飛行過程中，傾斜攝影相機能夠基于飛行計劃文件自動進行拍攝曝光。

在試飛前還需要先進行地標點選擇工作，以便于后期影像數據處理。地標點選取的準則是不能在航線正下方布設，而是盡量布設在飛行范圍邊緣。地標點間距一般在一公里以內，與主要地區之間間隔一般在五百米以內。而每隔十公里，需采用雙電布設模式[5]。

4.2 建立三維模型

處理好傾斜攝影后所得到的建筑圖形，并通過專用測繪軟件，進一步獲得輸電線路的傾斜攝影建模。傾斜攝影建模可以分為建筑單體對象化模型與非建筑單體模型。同時，無人機傾斜攝影技術也可以用以豐富現有三維模型，補充細節數據，并在舊三維模型的基礎上利用紋理映射技術構建出全新的三維空間模型。

獲得影像數據后，需要先將相關數據信息導入計算機，再通過勻光勻色處理技術和專業化自動建模軟件進行三維建模的構建。這一過程是全自動化的，能夠顯著縮短建模周期且降低建模成本。并在圖像分析處理的基礎上，首先利用計算機產生影像，并將其轉換為基礎的超高密度點云。最后利用點云實現了TIN 模式的建立，進而得到了高分辨率傾斜攝影三維建模。確保了所建立的三維建模可以適應任意縮放、360°傾斜、多角度觀察等的需求，最后在屏幕或移動終端上展現出更加直觀真實的場景。

4.3 分析數據

為驗證無人機傾斜影像檢測的準確度，在三維模型上對桿塔根開進行了現場實測，無人機傾斜影像技術所得測量值是6.8m，實測值6.77m，在實測偏差容許范圍內。對現場跨度大，或傳統檢測困難的地方也進行了檢測，如坡高的測量值是58.23m，實測值為58.21m，同樣在實際誤差允許范圍內。由此可見，無人機傾斜影像檢測的準確度完全能夠滿足輸電線路運維需要。圖4為桿塔根開測量圖。

圖4 桿塔根開測量圖

5 優化無人機傾斜攝影技術在輸電線路運維中的應用

5.1 加強安全分級管控

輸電線路運維單位應遵循“安全第一、預防為主”的原則，對所轄無人機進行安全分級管控。安全分級管控的目的在于確保無人機飛行安全監控無死角，全方位保障人員與設備安全。

5.2 實行“N+4”巡視方法

在對桿塔進行常規運維時，缺少經過實踐驗證的可靠拍攝方法，導致運維作業時隨意性較大，采集到的圖片信息雜亂且有疏漏，不能保障巡檢質量。針對上述情況，通過實行“N+4”巡視方法可以有效提升巡視質量和巡檢效率。其中“N”是針對輸電線路中不同塔型應針對巡視的“N”個關鍵部位，“4”是指輸電線路桿塔中桿塔大小號側通道以及縱向左右側兩個方向共計4條通道的巡視工作。

5.3 優化無人機巡檢路徑

目前，無人機巡視主要采用高性能鋰電池作為動力來源。但由于鋰電池容量有限，且體積受限于無人機載荷，往往導致無人機續航能力較差。基于此,為了提升無人機巡檢效率與安全性，需要選定最合理的飛行路線，路線應滿足運維巡檢需要，確保在無人機電池續航時限內遍歷所有巡檢點。結合大量試驗結果分析，采用窮舉法進行路線規劃效果最佳，其能夠結合輸電線路實際情況將全部可行路線都列舉出來，進而比較確定運維巡檢路線。

隨著社會用電需求的擴大，輸電線路所面對的壓力陡增，因此，運維管理工作已成為重中之重。由于無人機的應用范圍正在逐步地由軍用領域延伸至民用領域，與傳統傾斜拍攝技術的融合也在不斷深入，這給其廣泛應用打下了堅實基礎。本文結合無人機傾斜攝影技術的工作原理和應用優勢，探討了其在輸電線路運行維護方面的應用實例。