張政 竇杰 陳冀渝

摘 要：隨著無人機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，無人機(jī)在遠(yuǎn)程遙控、續(xù)航時間、飛行品質(zhì)上有了明顯的突破，從而為其在電力作業(yè)中的應(yīng)用提供了良好的發(fā)展前景。無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展為架空輸電線路巡檢工作提供了新的平臺，借助無人直升機(jī)，通過遙感技術(shù)應(yīng)用，采用多傳感器集成的方法，可實現(xiàn)電力線路安全巡檢工作的高效和全自動化開展。本文主要以多旋翼無人機(jī)為研究對象，通過分析以多旋翼無人機(jī)為飛行平臺的低空攝影測量技術(shù)的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)和處理系統(tǒng)，研究其在電力測繪，特別是在電力線路巡檢中的應(yīng)用，為在電力系統(tǒng)線路巡檢、維修等方面提供一定的技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：電力輸電線路巡檢；無人機(jī)；攝影測量；航空攝影數(shù)據(jù)處理

0 引言

隨著我國信息科學(xué)和相關(guān)應(yīng)用的快速發(fā)展，我國各行業(yè)對空間數(shù)據(jù)的需求也急劇增長。但目前，對于空間數(shù)據(jù)，特別是高分辨率空間數(shù)據(jù)的獲取渠道仍然局限于國外遙感衛(wèi)星影像、大飛機(jī)航拍等，造成數(shù)據(jù)重復(fù)采集，資金耗費大，數(shù)據(jù)處理工作復(fù)雜，時效性和靈活性也遠(yuǎn)不能滿足實際需求。無人駕駛飛機(jī)簡稱無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV），是一種有動力、可控制、能攜帶多種任務(wù)設(shè)備、執(zhí)行多種任務(wù)，并能重復(fù)使用的無人駕駛航空器[1]。無人機(jī)遙感（UAV remote sensing，UAVRS）是利用先進(jìn)的無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、通信技術(shù)、POS定位定姿技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)，具有自動化、智能化、專業(yè)化快速獲取國土、資源、環(huán)境、事件等空間遙感信息，并進(jìn)行實時處理、建模和分析的先進(jìn)新興航空遙感技術(shù)解決方案[2]。近年來，國內(nèi)外電力企業(yè)紛紛開展無人飛行器在電力系統(tǒng)線路巡視應(yīng)用的可行性研究，無人飛行器巡檢線路具有不受地形環(huán)境限制、費用與效率之比較高等優(yōu)勢，同時無需顧慮其意外墜毀可能導(dǎo)致的機(jī)上人員傷亡等問題，因此備受電力行業(yè)的歡迎[3-4]。無人機(jī)主要包括無人直升機(jī)、固定翼機(jī)、多旋翼飛行器、無人飛艇、無人傘翼機(jī)。廣義地看也包括臨近空間飛行器（20～100千米空域），如平流層飛艇、高空氣球、太陽能無人機(jī)等。從某種角度來看，無人機(jī)可以在無人駕駛的條件下完成復(fù)雜空中飛行任務(wù)和各種負(fù)載任務(wù)，可以被看做是“空中機(jī)器人”。在眾多類型的無人機(jī)中，多旋翼無人機(jī)能夠更有效、更自主、更廉價地進(jìn)行高分辨率空間數(shù)據(jù)采集，大大降低數(shù)據(jù)采集的經(jīng)濟(jì)代價和時間代價，填補(bǔ)了分散小面積高分辨率空間數(shù)據(jù)采集航空攝影專業(yè)的空白。與此同時，基于攝影測量技術(shù)空間數(shù)據(jù)管理軟件的使用，實現(xiàn)了無人機(jī)攝影測量一體化的整合集成，更加適應(yīng)規(guī)?；娏y繪生產(chǎn)需要。

1 多旋翼航空攝影測量

1.1 技術(shù)簡介

多旋翼低空攝影測量以多旋翼無人機(jī)為飛行平臺，是為電力輸電線路測繪提供更為準(zhǔn)確、快速、直觀的測繪方法。多旋翼無人機(jī)攜帶的高清攝像頭所獲取的目標(biāo)區(qū)域航拍影像（圖像）作為輸入，同時實現(xiàn)航跡的規(guī)劃和監(jiān)控，通過計算機(jī)視覺、航空測量學(xué)以及計算機(jī)圖形學(xué)等相關(guān)算法，快速、精確地對目標(biāo)區(qū)域場景進(jìn)行三維建模，基于構(gòu)建好的目標(biāo)區(qū)域三維模型，進(jìn)一步完成線路交跨、通道情況等數(shù)據(jù)的測繪[5]。經(jīng)過實際項目檢驗，可滿足不同航測項目需求。多旋翼無人機(jī)低空攝影測量作為一項空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段，具有輕小、續(xù)航時間長、影像實時傳輸、高危地區(qū)探測、成本低、高分辨率、機(jī)動靈活等優(yōu)點，是衛(wèi)星遙感與有人機(jī)航空遙感的有力補(bǔ)充，在國外已得到廣泛應(yīng)用[6]。而隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，無人機(jī)低空攝影平臺的研究 在無人機(jī)總體工業(yè)設(shè)計、計算機(jī)飛行控制系統(tǒng)、組合導(dǎo)航系統(tǒng)、中繼數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)、傳感器技術(shù)、圖像獲取及傳輸系統(tǒng)、計算機(jī)數(shù)據(jù)處理等諸多技術(shù)領(lǐng)域都有了長足的進(jìn)步，達(dá)到了實際應(yīng)用水平。

1.2 技術(shù)關(guān)鍵點

攝影測量技術(shù)的主要目的是獲取地物多個方位的信息并可供用戶多角度瀏覽，實時量測，三維瀏覽等獲取多方面的信息，利用小型化、高可靠性、通用性強(qiáng)的無人機(jī)航測系統(tǒng)，無人機(jī)拍攝的圖像，直接構(gòu)建目標(biāo)區(qū)域的三維模型，并提供多種量測功能；并能夠滿足應(yīng)急、定時定點監(jiān)測等無人機(jī)優(yōu)勢體現(xiàn)需求。多旋翼無人機(jī)系統(tǒng)，具有載重量大、續(xù)航時間長、體積小、重量輕、目標(biāo)特性小，使用快捷、機(jī)動靈活、操作使用及維修簡便等特點，自成體系獨立執(zhí)行飛行任務(wù)。需要解決以下3個關(guān)鍵技術(shù)問題：（1）穩(wěn)定的多旋翼無人機(jī)飛行平臺及操控系統(tǒng)。（2）高精度航拍攝像系統(tǒng)。（3）專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件處理航拍數(shù)據(jù)。

1.3 多旋翼飛行平臺

如圖1所示，無人機(jī)低空攝影測量系統(tǒng)主要由無人機(jī)飛行平臺（如圖2所示）、高分辨率數(shù)碼傳感器、定位與自動駕駛系統(tǒng)及影像處理系統(tǒng)等4個部分組成，提供同時配合無人機(jī)的運輸及操控的便利性還包括相應(yīng)的地面運輸及測控設(shè)備。（1）多旋翼選用自主駕駛飛控系統(tǒng)，大大提高飛控穩(wěn)定性。（2）可攜帶多種任務(wù)載荷。（3）可用于執(zhí)行資料收集、測量、檢測、偵查等多種空中任務(wù)，在航空測繪領(lǐng)域能發(fā)揮其高效、機(jī)動性強(qiáng)的特點，能對目標(biāo)物進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)視。

2 數(shù)據(jù)采集及處理

2.1 多旋翼無人機(jī)數(shù)據(jù)采集過程

多旋翼無人機(jī)在數(shù)據(jù)采集過程中主要通過飛行控制系統(tǒng)來進(jìn)行操作，如圖3所示，無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)主要是利用 GPS 等導(dǎo)航定位提供信號，并采集加速度計、陀螺等飛行器平臺的動態(tài)信息，通過INS/GPS 組合導(dǎo)航算法解算無人機(jī)在飛行中的俯仰、橫滾、偏航、位置、速度、高度、空速等信息，以及接收處理地面發(fā)射的測控信息，用體積小巧的嵌入式中央處理器形成以機(jī)載控制計算機(jī)為核心的電子導(dǎo)航設(shè)備，對無人機(jī)進(jìn)行數(shù)字化控制，使其具有自主智能超視距自主飛行、自動進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的能力。系統(tǒng)硬件平臺帶有高清照相機(jī)的小型無人機(jī)，主要負(fù)責(zé)完成目標(biāo)區(qū)域航空影像的拍攝任務(wù)。

2.2 專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件處理航拍數(shù)據(jù)

在獲取航拍數(shù)據(jù)后，如圖4所示，利用專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，軟件平臺為PHOTOSACN和CASSANDRA的基于序列影像的場景快速三維建模以及測量軟件，該軟件利用無人機(jī)拍攝的圖像，直接構(gòu)建目標(biāo)區(qū)域的三維模型，并提供多種量測功能。軟件主要功能如下：

（1）無需人工干預(yù)，系統(tǒng)可以根據(jù)航拍圖像自動完成三維建模任務(wù)。

（2）與激光雷達(dá)測距方法相比具有成本低廉，運行速度快（可以達(dá)到準(zhǔn)實時）、自動化程度高等特點。

（3）能夠精確獲取場景尺寸、高程、距離以及面積等信息。

（4）系統(tǒng)可擴(kuò)展性好，可以與現(xiàn)有任何具有圖像采集功能的無人飛行設(shè)備配合工作。

3 總結(jié)

無人機(jī)攝影測量技術(shù)不僅能夠真實地反映地物情況，而且可通過先進(jìn)的定位技術(shù)，嵌入精確的地理信息、更豐富的影像信息、更高級的用戶體驗，極大地擴(kuò)展遙感影像的應(yīng)用領(lǐng)域，使遙感影像的行業(yè)應(yīng)用更加深入。實現(xiàn)輸電線路地形數(shù)據(jù)的可視化，根據(jù)已知的電力資產(chǎn)信息建立資產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫，增加三維模型的拓?fù)潢P(guān)系和詳細(xì)的資產(chǎn)信息，實現(xiàn)電力資產(chǎn)的三維可規(guī)化管理[7]。根據(jù)電塔上的監(jiān)控設(shè)備傳回的數(shù)據(jù)，在三維數(shù)字化電網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行各種專業(yè)電力分析，如預(yù)測模擬溫度、風(fēng)速、冰雪覆蓋條件下弧垂發(fā)生情況，模擬樹木生長情況，為線路管理決策提供有力支撐。

參考文獻(xiàn)

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