韓文軍，雷遠(yuǎn)華，周學(xué)文

(國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 100052)

我國(guó)地域遼闊，各電壓等級(jí)電網(wǎng)遍布全國(guó)，為滿足智能電網(wǎng)建設(shè)要求，需要對(duì)現(xiàn)狀電網(wǎng)、在建電網(wǎng)和擬建電網(wǎng)在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行階段實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化管理，因此，需要大量的高分辨率遙感影像用于現(xiàn)有遙感影像的更新和新建電網(wǎng)工程的遙感影像獲取。

傳統(tǒng)航測(cè)系統(tǒng)主要面向國(guó)家基礎(chǔ)測(cè)繪，大范圍國(guó)土資源普查、長(zhǎng)距離輸電線路以及資源、生態(tài)環(huán)境調(diào)查、監(jiān)測(cè)與評(píng)估等領(lǐng)域的基礎(chǔ)性應(yīng)用，需要利用高空長(zhǎng)航程的中、大型飛機(jī)平臺(tái)，專用機(jī)場(chǎng)和昂貴的航攝儀，對(duì)天氣條件要求極高，相應(yīng)的成本也高，周期長(zhǎng)，機(jī)動(dòng)性差。受此制約，往往在一些城鎮(zhèn)、村莊、廠礦、重大工程等小面積區(qū)域，尤其是面積在50平方公里以下的面狀區(qū)域和長(zhǎng)度較短的線狀區(qū)域(輸電線路帶狀圖)難以實(shí)現(xiàn)快速、低成本、高分辨率遙感數(shù)據(jù)的獲取。

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)即利用無(wú)人機(jī)、無(wú)人飛艇等飛行高度在距離地面2000m以下的飛行器，搭載各類小型傳感器，低空航攝飛行獲取地面數(shù)據(jù)資料。低空攝影相對(duì)于傳統(tǒng)航空攝影來(lái)說(shuō)，具有快速機(jī)動(dòng)、成本低、能云下攝影，受天氣影響小，成像比例尺大，分辨率高等特點(diǎn)，目前已經(jīng)成為重要的遙感數(shù)據(jù)源。發(fā)展低空遙感產(chǎn)業(yè)，不僅能滿足一定范圍的數(shù)據(jù)獲取的需要，更重要的是能促進(jìn)完善我國(guó)航空遙感體系，改善我國(guó)地理空間數(shù)據(jù)的獲取、處理和分析能力，促進(jìn)高分辨率遙感數(shù)據(jù)在國(guó)家不同領(lǐng)域的應(yīng)用，減少對(duì)國(guó)外高分辨率遙感數(shù)據(jù)的過(guò)分依賴。

1 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)硬件組成

無(wú)人機(jī)測(cè)繪遙感系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)、傳感器、飛行控制系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)以及地面運(yùn)輸與保障系統(tǒng)五部分組成。

圖1 無(wú)人機(jī)測(cè)繪遙感系統(tǒng)組成圖

1.1.1 飛行平臺(tái)

國(guó)內(nèi)比較成熟的飛行平臺(tái)有以下幾種：“垂直尾”型無(wú)人機(jī)、“雙發(fā)”型無(wú)人機(jī)“倒桅尾”型無(wú)人機(jī)等。飛行平臺(tái)主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 飛行平臺(tái)主要技術(shù)指標(biāo)

1.1.2 傳感器系統(tǒng)

由于無(wú)人機(jī)有效載荷較輕，無(wú)法搭載專業(yè)航測(cè)相機(jī)，普遍搭載高端單反數(shù)碼相機(jī)，如Canon 5D Mark Ⅱ、Nikon D700等。

1.1.3 飛行控制系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)主要包括自動(dòng)駕駛儀、GPS導(dǎo)航儀、姿態(tài)控制儀、高度計(jì)、氣壓計(jì)等。關(guān)鍵技術(shù)為GPS導(dǎo)航控制的定點(diǎn)曝光技術(shù)和相機(jī)旋偏改正技術(shù)。

1.1.4 地面監(jiān)控系統(tǒng)

地面監(jiān)控系統(tǒng)主要包括通訊系統(tǒng)、監(jiān)控軟件系統(tǒng)和維護(hù)系統(tǒng)。

1.2 配套軟件

無(wú)人機(jī)航空攝影及影像處理比傳統(tǒng)航測(cè)復(fù)雜很多，為保證航攝質(zhì)量需進(jìn)行精確航攝規(guī)劃、航攝質(zhì)量快速檢查及影像快速預(yù)處理等，完成這些工作需配置相應(yīng)的軟件。

1.2.1 精確航攝任務(wù)規(guī)劃軟件

主要用于航攝任務(wù)規(guī)劃，功能包括：設(shè)計(jì)成果統(tǒng)計(jì)與制圖、自動(dòng)/半自動(dòng)航攝分區(qū)、自動(dòng)航線敷設(shè)、自動(dòng)調(diào)整曝光點(diǎn)間距、航線間距，保證立體觀測(cè)重疊度指標(biāo)、修改編輯曝光點(diǎn)、航線功能、構(gòu)架航線、基站布設(shè)功能、片數(shù)、航線長(zhǎng)度、距離等統(tǒng)計(jì)報(bào)告。

1.2.2 航攝質(zhì)量快速檢查軟件

航攝質(zhì)量檢查軟件包括以下技術(shù)內(nèi)容：快速瀏覽影像質(zhì)量、檢查重疊度指標(biāo)、檢查旋偏角指標(biāo)、自動(dòng)形成像片預(yù)覽索引圖、影像自動(dòng)批量打號(hào)、輸出航攝質(zhì)量檢查統(tǒng)計(jì)報(bào)表、快速檢查飛行數(shù)據(jù)覆蓋情況，以便決定補(bǔ)飛以及撤場(chǎng)事宜。同時(shí)直接關(guān)系到作業(yè)效率，飛行質(zhì)量檢查與評(píng)價(jià)。最核心的指標(biāo)是重疊度和旋偏角，必須滿足航測(cè)規(guī)范的要求。

兩張相鄰航片，通過(guò)一對(duì)同名點(diǎn)即可根據(jù)影像寬度計(jì)算重疊度和旋偏角，數(shù)字航片原始片像素?cái)?shù)固定，按照同樣方式重采樣后的預(yù)覽片也可計(jì)算重疊度。由于定點(diǎn)曝光只表示了曝光位置，并不反映姿態(tài)影響，只有通過(guò)航片同名點(diǎn)的檢查方法才能最終確定實(shí)際地面覆蓋的重疊度情況，應(yīng)此通過(guò)逐片選擇一對(duì)同名點(diǎn)的方法可以快速瀏覽檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量。

1.2.3 影像快速預(yù)處理軟件

預(yù)處理的主要目的是為了改正無(wú)人機(jī)航攝影像的畸變差，基于影像糾正變換的畸變差改正軟件就是為了提高攝影測(cè)量的精度，以便于后期處理時(shí)模型間的相對(duì)定向。軟件包括以下技術(shù)功能：

⑴ 批處理讀入TIF格式原始影像數(shù)據(jù)。

⑵ 讀入相機(jī)參數(shù)文件。

⑶ 自動(dòng)完成畸變差改正。

⑷ 對(duì)影像上像點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)誤差改正。

2 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量的特點(diǎn)

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)有其自身的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

⑴ 無(wú)需機(jī)場(chǎng)起降，一般有一段凈空條件稍好的平整公路或者草地即可；

⑵ 能低空作業(yè)、云下攝影，獲取的影像分辨率在0.05～0.5m范圍之間，分辨率高；

⑶ 整系統(tǒng)集成度高，裝載于運(yùn)輸車中，也可進(jìn)行鐵路和航空的托運(yùn)，方便在全國(guó)范圍內(nèi)執(zhí)行任務(wù)；

⑷ 整系統(tǒng)的維護(hù)、維修成本低，總體運(yùn)行成本低；

⑸ 無(wú)人機(jī)測(cè)繪遙感系統(tǒng)所攜帶的數(shù)碼相機(jī)幅面比傳統(tǒng)航攝相機(jī)的幅面小的多，因此單架次的航攝面積不能過(guò)大。

(6) 無(wú)人機(jī)測(cè)繪遙感系統(tǒng)地面監(jiān)控站的監(jiān)控范圍一般在20公里以內(nèi)，因此，飛行平臺(tái)盡量不要超過(guò)20公里的飛行范圍。

(7) 目前飛行平臺(tái)的最大滯空時(shí)間為2小時(shí)，為了保證能安全回到起飛點(diǎn)，應(yīng)預(yù)留20分鐘的滯空時(shí)間，實(shí)際的作業(yè)時(shí)間在1.5小時(shí)以內(nèi)。

3 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 應(yīng)用范圍

無(wú)人機(jī)測(cè)繪遙感系統(tǒng)主要是解決小區(qū)域、高分辨率影像的快速獲取問(wèn)題。主要的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋?/p>

⑴ 應(yīng)急測(cè)繪中的高分辨率影像快速獲取;

⑵ 小城鎮(zhèn)、新農(nóng)村測(cè)繪保障中的高分辨率影像獲取;

⑶ 石油、公路、水利、鐵路、電力等帶狀地區(qū)選線勘測(cè)中的高分辨率影像獲取;

⑷ 困難地區(qū)(雪域高原等高海拔地區(qū))高分辨率影像獲取。

3.2 作業(yè)流程

與傳統(tǒng)航攝相同，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量同樣需要進(jìn)行航線設(shè)計(jì)、航攝飛行、質(zhì)量檢查、補(bǔ)飛或重飛、像控測(cè)量等步驟。所不同的是，由于無(wú)人機(jī)自身的特點(diǎn)，無(wú)人機(jī)影像獲取流程及航飛作業(yè)模式與傳統(tǒng)航飛有較大區(qū)別，見(jiàn)圖2。

3.2.1 現(xiàn)場(chǎng)航線設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)數(shù)碼攝影一般都是執(zhí)行小區(qū)域的數(shù)碼航攝，與傳統(tǒng)航攝不同的是在航線設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需考慮地球曲率變化，也無(wú)需非常準(zhǔn)確地知道地面點(diǎn)高程。傳統(tǒng)航攝有明確的操作規(guī)范和流程，必須使用1∶10000或1∶50000地形圖或利用已有的DEM進(jìn)行基準(zhǔn)面的設(shè)計(jì)，必要時(shí)(高差大于1/6航高時(shí))需設(shè)定攝影分區(qū)，必要時(shí)也可設(shè)定加密分區(qū)。對(duì)于低空數(shù)碼航攝而言，一般情況下，已知攝區(qū)四角坐標(biāo)即可進(jìn)行航線設(shè)計(jì)。極特殊條件下才設(shè)定攝影分區(qū)。

圖2 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)影像獲取的總體流程

3.2.2 特殊情況下的航線設(shè)計(jì)

當(dāng)?shù)匦胃卟畲笥?/6航高時(shí)，原則上要設(shè)立攝影分區(qū)。對(duì)于無(wú)人機(jī)航攝來(lái)講，高程有所放寬，在攝區(qū)高程大時(shí)，盡量采取增大分辨率，加大重疊的方法來(lái)克服。此方法仍不奏效時(shí)，必須設(shè)立攝影分區(qū)。

3.2.3 飛行設(shè)備調(diào)試

無(wú)人機(jī)進(jìn)行航攝工作前，為確保航攝工作順利完成，需要對(duì)地面監(jiān)控站設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，主要工作內(nèi)容包括：

地面監(jiān)控站調(diào)試、起飛前檢查、俯仰檢查、滾轉(zhuǎn)檢查、偏航檢查、水平設(shè)置、空速檢查、高度計(jì)檢查、轉(zhuǎn)速檢查、GPS定位檢查、震動(dòng)測(cè)試、電池測(cè)試、數(shù)傳發(fā)射對(duì)傳感器的影響測(cè)試、動(dòng)態(tài)傳感器數(shù)據(jù)觀察、空速計(jì)系數(shù)、GPS控制相機(jī)測(cè)試等。

3.2.4 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)整理

航攝結(jié)束后，在保證原始影像每張都能打開(kāi)，每張存儲(chǔ)完整，影像清晰、曝光適中的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)整理。

⑴ 檢查曝光點(diǎn)數(shù)與影像數(shù)是否一致，若不一致應(yīng)及時(shí)查找原因。

⑵ 檢查每條航線的記錄值與實(shí)際飛行的影像數(shù)是否一致。比如第一航線地面站里記錄為20張影像，005號(hào)為第一張，則檢查是否005-024為第一航線。尤其要檢查024與025之間的關(guān)系。

⑶ 將影像按照航線數(shù)分別裝載于文件夾，每條航線的影像數(shù)量應(yīng)一致。

3.2.5 現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢查

⑴ 影像初步檢查

檢查影像的基本情況：包括影像數(shù)、航帶數(shù)、抽查影像質(zhì)量是否有云、霧、雪，影像是否發(fā)虛，影像命名是否正確。

⑵ 檢查資料是否完整

檢查飛行記錄表、曝光點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)等是否存在，填寫是否完整、規(guī)范。

⑶ 展繪曝光點(diǎn)坐標(biāo)

查看曝光點(diǎn)坐標(biāo)與實(shí)際飛行情況是否一致。當(dāng)出現(xiàn)有曝光點(diǎn)坐標(biāo)明顯偏離航線時(shí)，應(yīng)做好記錄，檢查影像。

⑷ 影像重采樣

在PS里進(jìn)行影像重采樣，目的是將影像數(shù)據(jù)量變小，便于檢查時(shí)操作。

⑸ 影像旋轉(zhuǎn)

按照飛行記錄表填寫的方式進(jìn)行影像旋轉(zhuǎn)，特別注意奇數(shù)條和偶數(shù)條航帶的旋轉(zhuǎn)是否相同。

⑹ 質(zhì)量檢查

輸出檢查記錄，不合格影像做好相應(yīng)記錄。

⑺ 通知補(bǔ)飛與重飛

3.2.6 現(xiàn)場(chǎng)預(yù)處理

將所有影像另存為TIF格式，將畸變參數(shù)改成軟件支持的格式，利用預(yù)處理軟件進(jìn)行畸變差改正，改正后影像有黑邊說(shuō)明已改正完成。

3.2.7 影像成果提交

⑴ 分航帶原始影像

⑵ 分航帶畸變差改正后影像

⑶ 飛行記錄表

⑷ 曝光點(diǎn)坐標(biāo)文件

⑸ 影像檢查記錄

⑹ 數(shù)據(jù)整理記錄

⑺ 相機(jī)參數(shù)文件

⑻ 畸變差改正后主點(diǎn)偏移文件

3.2.8 快速拼圖

像控測(cè)量作業(yè)流程與傳統(tǒng)航測(cè)類似，區(qū)別在于無(wú)人機(jī)航攝獲取的影像相幅較小、相片數(shù)多，一般情況下不適合利用沖印相片執(zhí)行像控測(cè)量工作。尤其是在應(yīng)急測(cè)繪條件下或雪域高原縣城區(qū)航攝時(shí)，條件艱苦，無(wú)法滿足照片沖印，甚至打印，必須利用現(xiàn)有筆記本計(jì)算機(jī)進(jìn)行像控測(cè)量工作。航攝外業(yè)隊(duì)伍能在所有檢查合格后現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行快速拼圖，利用簡(jiǎn)單鑲嵌的攝區(qū)影像圖查看攝區(qū)大致情況，選取合乎要求的控制點(diǎn)，并在整體影像圖上規(guī)劃好測(cè)量控制點(diǎn)的行進(jìn)路線，保證控制點(diǎn)量測(cè)工作順利進(jìn)行。

目前，市面上的快速拼圖軟件也有很多，最常用的應(yīng)該算是PhotoShop，該軟件必須人工拼接，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在局部地形起伏大的地方單靠人工拼接更是困難。PTGUI是德國(guó)數(shù)學(xué)教授Helmut Dersch研制的一款數(shù)碼影像全景拼圖軟件，它通過(guò)為全景制作工具(Panorama Tools)提供圖形用戶界面(GUI) 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的拼接，從而創(chuàng)造出高質(zhì)量的全景圖像。只要將需要拼接的影像導(dǎo)入軟件，設(shè)置參數(shù)，便可自動(dòng)拼接成攝區(qū)影像的全貌圖。無(wú)需人工選取特征點(diǎn)，軟件全自動(dòng)匹配同名點(diǎn)進(jìn)行影像鑲嵌，拼接耗時(shí)短，效果滿足像控測(cè)量查看攝區(qū)整體狀況的要求。

3.3 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量在電網(wǎng)工程建設(shè)中的應(yīng)用

以無(wú)人機(jī)為代表的輕小型航空遙感系統(tǒng)具有機(jī)動(dòng)靈活、響應(yīng)快、成本低、時(shí)效性強(qiáng)等特點(diǎn)，已形成與衛(wèi)星遙感和普通航空遙感并行發(fā)展的局面。尤其在電網(wǎng)重大自然災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)、陰云天氣低空光學(xué)影像獲取、輸電線路走廊規(guī)劃、廠(站)址影像和地形圖獲取及分布式日常低空遙感監(jiān)測(cè)等情況下，無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)擁有衛(wèi)星遙感和普通航空遙感不可取代的作用。

3.3.1 電網(wǎng)應(yīng)急救災(zāi)

我國(guó)屬于自然災(zāi)害多發(fā)國(guó)家，平均每年因?yàn)?zāi)造成直接經(jīng)濟(jì)損失近2000億元，災(zāi)害突發(fā)時(shí)，采取恰當(dāng)?shù)膽?yīng)急措施可以大幅降低經(jīng)濟(jì)損失。為應(yīng)對(duì)突發(fā)的自然災(zāi)害，減輕災(zāi)害對(duì)國(guó)家電網(wǎng)造成的損失，及時(shí)恢復(fù)、重建電網(wǎng)，國(guó)家電網(wǎng)公司建立了應(yīng)急救災(zāi)指揮中心，但應(yīng)急手段還須完善。

災(zāi)害發(fā)生時(shí)及時(shí)獲取災(zāi)區(qū)的高清晰影像，第一時(shí)間為應(yīng)急救災(zāi)指揮中心 提供現(xiàn)場(chǎng)影像資料至關(guān)重要。但是，災(zāi)害發(fā)生時(shí)往往伴隨惡劣的天氣狀況，如2008年南方冰災(zāi)，當(dāng)時(shí)的受災(zāi)地區(qū)受天氣影響，采用普通航飛、衛(wèi)星拍攝等方法無(wú)法及時(shí)獲取災(zāi)區(qū)的高分辨率影像，利用無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、無(wú)需機(jī)場(chǎng)起降、對(duì)天氣條件要求低等特點(diǎn)，可以及時(shí)、高效獲取高清晰影像，為國(guó)網(wǎng)公司應(yīng)急救災(zāi)指揮中心進(jìn)行災(zāi)害評(píng)估、制定救災(zāi)決策、制定電網(wǎng)重建方案提供先進(jìn)、可靠的技術(shù)手段。

3.3.2 輸電線路走廊規(guī)劃

在大工程或大型水電站出線走廊規(guī)劃中，利用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)航空攝影，可以對(duì)區(qū)域走廊通道進(jìn)行整體規(guī)劃，彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)視野受限的不足，充分考慮各種環(huán)境、規(guī)劃因素，協(xié)調(diào)各工程項(xiàng)目關(guān)系，充分利用有限的通道資源，使線路走向和區(qū)域規(guī)劃更加合理。

3.3.3 地形圖測(cè)量

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量適用于小比例尺的地形圖測(cè)量，成圖比例尺一般小于1∶2000，在電網(wǎng)工程的可研設(shè)計(jì)階段，可采取高程控制措施，如增加野外控制和利用野外測(cè)量數(shù)據(jù)改化航測(cè)高程等，測(cè)量1∶1000比例尺的地形圖。為站址布置及優(yōu)化提供影像、高程等詳細(xì)的基礎(chǔ)資料，減少勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量與傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量相比，具有無(wú)需機(jī)場(chǎng)起降、系統(tǒng)集成度高，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，轉(zhuǎn)場(chǎng)方便、快捷，對(duì)氣象條件要求不高，影像分辨率高，系統(tǒng)總體運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，可用于應(yīng)急救災(zāi)、廠址優(yōu)化、站址優(yōu)化、出線走廊規(guī)劃等電力工程建設(shè)應(yīng)用以及南方多雨地區(qū)的小面積區(qū)域航攝。但無(wú)人機(jī)存在飛行姿態(tài)不穩(wěn)定，飛行時(shí)間短，單架次的航攝面積小，相同面積航攝像片數(shù)多，相應(yīng)的像控點(diǎn)多，內(nèi)業(yè)處理工作量大的缺點(diǎn)。由于無(wú)人機(jī)搭載非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)，相機(jī)無(wú)法進(jìn)行精確校驗(yàn)，影像存在畸變，無(wú)法滿足輸電線路斷面圖的精度要求。

現(xiàn)階段無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量在電力行業(yè)應(yīng)用基本處于試驗(yàn)階段，沒(méi)有成熟的作業(yè)模式和技術(shù)規(guī)定，隨著無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，以上問(wèn)題會(huì)逐步得到解決，是常規(guī)航空攝影有效補(bǔ)充。

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