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        免像控航測(cè)技術(shù)在山區(qū)線路通道復(fù)查中的應(yīng)用

        2023-12-05 12:47:22林,陳
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2023年34期
        關(guān)鍵詞:復(fù)查線路測(cè)量

        姚 林,陳 旭

        (中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)云南省電力設(shè)計(jì)院有限公司,昆明 650051)

        特高壓輸電線路工程跨度大、范圍廣、工程建設(shè)周期長(zhǎng),從施工圖設(shè)計(jì)到施工建設(shè)跨越時(shí)間較長(zhǎng)[1]。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展,輸電線路通道情況變化速度快、數(shù)量多,這將嚴(yán)重影響輸電線路的設(shè)計(jì)可行性、工程建設(shè)周期及成本造價(jià),需要在工程施工前對(duì)輸電線路通道現(xiàn)狀進(jìn)行復(fù)查。傳統(tǒng)的線路通道現(xiàn)狀復(fù)查方式是多個(gè)專業(yè)的設(shè)計(jì)人員在野外對(duì)通道情況進(jìn)行實(shí)地踏勘,調(diào)查線路通道的地物、地形的變化,實(shí)測(cè)對(duì)工程建設(shè)有影響的變化因素。輸電線路工程多位于山區(qū),地形起伏大,交通情況差,實(shí)地復(fù)查技術(shù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力,作業(yè)效率低,勞動(dòng)強(qiáng)度高,安全隱患大,并且存在視覺(jué)盲區(qū)多、復(fù)查不詳盡等問(wèn)題。

        近年來(lái),無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速,軟硬件技術(shù)不斷突破,制造工藝、飛行性能、操控技術(shù)與安全指標(biāo)趨于成熟。相較于傳統(tǒng)大飛機(jī)航測(cè)與遙感技術(shù),無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)具有機(jī)動(dòng)靈活、高效快速、操作簡(jiǎn)便、作業(yè)成本低、分辨率高、適用范圍廣和生產(chǎn)周期短[2]等眾多優(yōu)勢(shì),在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)諸多領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。

        文章將CW-10C 免像控?zé)o人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于山區(qū)輸電線路通道復(fù)查中,解決輸電線路通道現(xiàn)狀復(fù)查困難的問(wèn)題,總結(jié)航測(cè)技術(shù)在通道復(fù)查應(yīng)用中的工作流程和作業(yè)方法,探討免像控航測(cè)技術(shù)在山區(qū)線路通道現(xiàn)狀復(fù)查中應(yīng)用的可行性。

        1 CW-10C 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)特點(diǎn)

        CW-10C 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)是成都縱橫公司和武漢訊圖公司聯(lián)合研發(fā)的1∶500 免像控?cái)?shù)據(jù)獲取及處理的航測(cè)系統(tǒng)[3],是國(guó)內(nèi)首個(gè)免像控航測(cè)系統(tǒng),其特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下方面。

        1.1 免像控技術(shù)

        CW-10C 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)集成了CW-10C 無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)、后差分GPS,以及天工免像控?zé)o人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。高精度的差分GPS 提供了厘米級(jí)的定位精度,改變了傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量需要大量布設(shè)地面像控點(diǎn)的作業(yè)方法[4]。天工免像控航測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在免像控?cái)?shù)據(jù)處理算法、復(fù)雜地形地貌影像匹配,以及無(wú)人機(jī)GPS 與姿態(tài)信息輔助空三解算等方面獲得關(guān)鍵性技術(shù)突破。CW-10C 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了免像控?cái)?shù)據(jù)獲取、處理的目標(biāo),大大提高了航測(cè)的工作效率。

        1.2 復(fù)合翼機(jī)型,實(shí)現(xiàn)垂直起降

        CW-10C 無(wú)人機(jī)采用常規(guī)固定翼結(jié)合四旋翼的復(fù)合翼布局形式,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠,兼具固定翼無(wú)人機(jī)航時(shí)長(zhǎng)、速度快、距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)和旋翼無(wú)人機(jī)垂直起降的便捷性[5]。CW-10C 無(wú)人機(jī)不需要起降跑道和復(fù)雜笨重的發(fā)射、回收輔助設(shè)備,大幅降低了起降場(chǎng)地條件的要求,解決了固定翼無(wú)人機(jī)快速、便捷起降的難題,保證山區(qū)、叢林等復(fù)雜地形和建筑物密集區(qū)域航攝工作順利實(shí)施,極大擴(kuò)展了無(wú)人機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景[6]。

        1.3 智能實(shí)用的飛行控制

        無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)通過(guò)先進(jìn)的數(shù)據(jù)融合、控制與導(dǎo)航算法,實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)智能、專業(yè)、一體化的指揮與控制,保證無(wú)人機(jī)全過(guò)程自主飛行,實(shí)現(xiàn)垂直起降、巡航、飛行狀態(tài)轉(zhuǎn)換等過(guò)程的自主操作[5]。地面站軟件實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)與自動(dòng)駕駛儀之間人機(jī)實(shí)時(shí)交互,通過(guò)合理地設(shè)置控制器參數(shù)與應(yīng)急參數(shù),嚴(yán)謹(jǐn)?shù)剡M(jìn)行飛前檢查,飛行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控和各項(xiàng)指令的實(shí)時(shí)發(fā)送,實(shí)現(xiàn)飛機(jī)安全自主飛行。

        1.4 簡(jiǎn)單便捷的航線設(shè)計(jì)

        無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)通過(guò)高度集成化的無(wú)人機(jī)地面指揮控制軟件,實(shí)現(xiàn)測(cè)區(qū)航線智能規(guī)劃。根據(jù)測(cè)區(qū)形狀和成圖比例尺,設(shè)置對(duì)應(yīng)的相機(jī)類型、地面分辨率、重疊度等航攝設(shè)計(jì)參數(shù),自動(dòng)生成適宜的航線路徑與設(shè)置合理的航路點(diǎn)飛行參數(shù)。軟件提供的高程預(yù)覽、航線高度檢驗(yàn)等功能,方便檢查規(guī)劃航線的安全合理性,保證航攝工作順利實(shí)施。

        2 工程應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

        文章以雅中-江西±800 kV 特高壓直流輸電線路工程為研究對(duì)象,開(kāi)展免像控航測(cè)技術(shù)在山區(qū)輸電線路通道復(fù)查中的應(yīng)用試驗(yàn)。通道復(fù)查工作的主要目的是對(duì)線路設(shè)計(jì)路徑內(nèi)通道現(xiàn)狀情況進(jìn)行調(diào)查,與施工圖設(shè)計(jì)階段通道內(nèi)的地物、地形情況進(jìn)行對(duì)比,對(duì)新增地物進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì),為后續(xù)設(shè)計(jì)方案的調(diào)整和工程造價(jià)變化量的計(jì)算提供準(zhǔn)確的地理信息依據(jù)。

        文章通過(guò)CW-10C 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)獲取線路通道的航測(cè)資料,構(gòu)建線路通道的三維模型,分析免像控航空攝影的測(cè)量精度,總結(jié)免像控技術(shù)在線路通道現(xiàn)狀復(fù)查應(yīng)用中的技術(shù)方法和工作流程。研究?jī)?nèi)容主要包括無(wú)人機(jī)航攝、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、航測(cè)成果制作、精度分析、通道現(xiàn)狀復(fù)查應(yīng)用等,工作流程如圖1 所示。

        圖1 航測(cè)通道復(fù)查工作流程圖

        2.1 工程概況

        雅中線路工程是國(guó)家實(shí)施“西電東送”戰(zhàn)略的重要骨干通道,對(duì)于落實(shí)“碳達(dá)峰、碳中和”工作,促進(jìn)四川清潔能源基地開(kāi)發(fā),滿足中東部綠色發(fā)展需求均具有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益[7]。文章研究區(qū)域位于云南省昭通市境內(nèi),線路路徑長(zhǎng)度約106 km,線路路徑海拔在950~3 100 m 之間,線路通道內(nèi)植被茂密,地形起伏大,交通情況差,通道現(xiàn)狀復(fù)查工作困難。

        2.2 航線規(guī)劃與航攝實(shí)施

        航攝任務(wù)按照1∶1 000 地形圖攝影測(cè)量作業(yè)技術(shù)要求進(jìn)行規(guī)劃,地面分辨率為6~8 cm,設(shè)計(jì)航線的相對(duì)航高約為500 m,航向重疊度為75%,旁向重疊度為60%。航攝系統(tǒng)搭載索尼α7R II 數(shù)碼相機(jī),圖像分辨率為7 952×5 304 像素。

        根據(jù)輸電線路路徑走向和地形起伏的特點(diǎn),航攝技術(shù)設(shè)計(jì)按照帶狀航線規(guī)劃,以提高航攝工作的效率。航線規(guī)劃設(shè)計(jì)采用CW-10C 無(wú)人機(jī)地面指揮控制軟件,沿著線路路徑走向布設(shè)3 條航線,在線路通道高程變化大和線路路徑轉(zhuǎn)彎大的地方布設(shè)不同的航攝分區(qū),全部復(fù)查區(qū)域共規(guī)劃37 個(gè)航測(cè)分區(qū)。線路復(fù)查航攝幅寬大于400 m,相鄰航攝分區(qū)重疊范圍大于200 m,確保復(fù)查區(qū)域覆蓋整條線路通道,沒(méi)有航攝漏洞。航線規(guī)劃示例如圖2 所示,圖2 中灰色實(shí)線為線路路徑走向,白色實(shí)線為規(guī)劃航線,數(shù)字圓圈為航路點(diǎn),74 號(hào)航路點(diǎn)為飛機(jī)起降位置。

        圖2 航線規(guī)劃示例圖

        山區(qū)無(wú)人機(jī)航攝工作受山區(qū)地形起伏、飛行氣象環(huán)境影響較大,容易出現(xiàn)各種安全、質(zhì)量事故。為保證無(wú)人機(jī)飛行安全和航攝數(shù)據(jù)質(zhì)量,航攝作業(yè)時(shí)充分了解了測(cè)區(qū)的地形特征,合理選取飛機(jī)的起降位置,特別注意無(wú)人機(jī)起降、轉(zhuǎn)彎及返航時(shí)的航高檢校。按照航攝技術(shù)設(shè)計(jì)要求合理設(shè)置重疊度、分辨率及相機(jī)等參數(shù),在山頂影像的重疊度和山底影像的分辨率之間進(jìn)行綜合取舍,保證航攝數(shù)據(jù)的航飛質(zhì)量和影像質(zhì)量滿足要求。

        本次無(wú)人機(jī)航攝工作分3 d 9 個(gè)架次完成,飛行總時(shí)間約620 min。航攝時(shí)段天氣晴朗,能見(jiàn)度高,飛行質(zhì)量良好。航攝作業(yè)共獲取3 692 張影像及對(duì)應(yīng)原始數(shù)據(jù),影像清晰、色彩鮮明,滿足內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的要求。

        2.3 航測(cè)數(shù)據(jù)處理及成果制作

        航測(cè)數(shù)據(jù)處理內(nèi)容包括POS 數(shù)據(jù)差分解算、空中三角測(cè)量、DEM 和DOM 數(shù)據(jù)生產(chǎn)等。依托于CW-10C無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的智能化處理功能,工程用時(shí)2 d 時(shí)間即完成航測(cè)數(shù)據(jù)處理及地理信息成果制作,數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率較高。

        POS 數(shù)據(jù)差分解算采用航測(cè)系統(tǒng)配套的JoPPS 后差分GPS 解算軟件,讀入基站、POS、GPS 等原始數(shù)據(jù)后,自動(dòng)解算像片曝光瞬間準(zhǔn)確的位置參數(shù),解算速度快、精度高。

        空中三角測(cè)量使用訊圖GodWork-AT 軟件,在讀入原始數(shù)據(jù),設(shè)置合適的空三平差參數(shù)后,通過(guò)軟件的“一鍵空三”功能實(shí)現(xiàn)空三數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理。考慮山區(qū)地形起伏、航攝影像重疊度大小不同的特點(diǎn),空三數(shù)據(jù)處理前應(yīng)根據(jù)無(wú)人機(jī)飛行質(zhì)檢軟件生成的檢查報(bào)告,對(duì)影像重疊度大的區(qū)域進(jìn)行抽片處理,保證航攝數(shù)據(jù)的基高比滿足技術(shù)要求,從而更好保障空三平差處理的質(zhì)量。空三平差結(jié)束后,需輸出平差計(jì)算結(jié)果和旋轉(zhuǎn)糾正影像,制作核線影像模型,以便在第三方軟件中進(jìn)行線路通道內(nèi)地形、地物信息的判讀及影響因素三維坐標(biāo)的立體量測(cè)。

        DEM 和DOM 數(shù)據(jù)制作使用訊圖GodWork-EOS軟件,讀入GodWork-AT 空三平差數(shù)據(jù),自動(dòng)生產(chǎn)DEM、DOM 數(shù)據(jù)。山區(qū)影像拍攝環(huán)境差異性大,影像之間的色彩、亮度有所不同。DOM 數(shù)據(jù)生產(chǎn)鑲嵌前,應(yīng)選取合適的影像模板,在EOS 軟件中對(duì)原始影像進(jìn)行勻光勻色處理,以便制作DOM 成果的色彩、亮度對(duì)比度適中。結(jié)合線路路徑信息,通過(guò)DEM、DOM 數(shù)據(jù)可以制作線路通道影像地形圖(圖3),方便對(duì)通道信息進(jìn)行全局判讀。

        圖3 線路通道影像地形圖

        2.4 精度分析

        為驗(yàn)證CW-10C 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)免像控作業(yè)的測(cè)量精度,本文在施工圖測(cè)量控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上,通過(guò)GPS RTK 技術(shù)實(shí)地采集檢查點(diǎn)的三維坐標(biāo),測(cè)量方法按照像控點(diǎn)測(cè)量技術(shù)要求執(zhí)行。檢查點(diǎn)主要布設(shè)在明顯地物的特征點(diǎn)上,如道路交叉口、道路標(biāo)志線角點(diǎn)、房角點(diǎn)及點(diǎn)狀地物中心點(diǎn)等,每個(gè)航測(cè)分區(qū)布設(shè)2~3 個(gè)檢查點(diǎn),復(fù)查區(qū)域一共測(cè)量82 個(gè)檢查點(diǎn)。在測(cè)圖軟件中立體量測(cè)檢查點(diǎn)的三維坐標(biāo),并與野外實(shí)測(cè)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比,統(tǒng)計(jì)外業(yè)實(shí)測(cè)點(diǎn)與內(nèi)業(yè)量測(cè)點(diǎn)的平面和高程較差,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

        表1 檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)表

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,CW-10C 免像控?zé)o人機(jī)航測(cè)技術(shù)測(cè)量成果精度較高,平面和高程較差均可滿足1∶2 000地形圖測(cè)量精度要求,可以用于輸電線路勘測(cè)設(shè)計(jì)工作。

        2.5 線路通道復(fù)查應(yīng)用

        在Ecan-PLStation 架空輸電線路選線設(shè)計(jì)與平斷面成圖系統(tǒng)中,利用線路路徑的DEM、DOM 數(shù)據(jù)制作線路通道三維模型場(chǎng)景。電氣、結(jié)構(gòu)、地質(zhì)和測(cè)量等相關(guān)專業(yè)設(shè)計(jì)人員在三維模型中對(duì)線路通道地形地貌、地物信息進(jìn)行綜合判讀,并與施工圖階段設(shè)計(jì)圖紙、正射影像圖等資料進(jìn)行對(duì)比,判別塔位及通道范圍內(nèi)的現(xiàn)狀變化信息。通過(guò)多專業(yè)綜合論證,判斷通道變化對(duì)線路路徑及塔位安全的影響程度,制定設(shè)計(jì)技術(shù)調(diào)整以及投資量增加的解決方案。在Ecan-PLStation 軟件中采集新增或變化地形地物的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù),將測(cè)量成果輸出為DWG 文件,用于完善技術(shù)方案設(shè)計(jì)和變化內(nèi)容統(tǒng)計(jì)。

        工程花費(fèi)2 d 時(shí)間完成線路通道復(fù)查論證工作,本次復(fù)查工作共發(fā)現(xiàn)新增房屋8 戶14 間,新增水泥道路2 處,在建35 kV 高壓輸電線路1 回、10 kV 輸電線路2 回、光纜1 回,地形開(kāi)挖和降雨沖刷塔位2 處。經(jīng)多專業(yè)論證,通道變化對(duì)設(shè)計(jì)路徑?jīng)]有顛覆性的影響,無(wú)需進(jìn)行線路路徑和桿塔位置的調(diào)整,但需要通過(guò)房屋拆遷、塔腿加固等技術(shù)措施進(jìn)行處理,并增加對(duì)應(yīng)處理工作的工程預(yù)算。

        3 結(jié)束語(yǔ)

        免像控?zé)o人機(jī)航測(cè)技術(shù)的發(fā)展給輸電線路勘測(cè)設(shè)計(jì)工作提供了新的技術(shù)手段,其在保證測(cè)量精度的同時(shí),減少了像控點(diǎn)的布設(shè)工作量,對(duì)于山區(qū)工程具有更好的實(shí)用性。相較于全野外輸電線路通道現(xiàn)狀復(fù)查技術(shù),航測(cè)復(fù)查技術(shù)在作業(yè)效率、勞動(dòng)強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)性上具有較大的優(yōu)勢(shì),主要體現(xiàn)在如下方面。

        作業(yè)效率大幅度提高。對(duì)于雅中線路工程的山區(qū)通道現(xiàn)狀復(fù)查工作,傳統(tǒng)的野外復(fù)查技術(shù)需要花費(fèi)20 d 以上時(shí)間;而航測(cè)復(fù)查技術(shù)可以內(nèi)外業(yè)同步開(kāi)展工作,從航攝作業(yè)、數(shù)據(jù)處理到通道現(xiàn)狀變化分析,共用了7 d,大幅度縮短了工程工期。

        經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)。傳統(tǒng)的野外復(fù)查技術(shù),需要電氣、結(jié)構(gòu)、地質(zhì)和測(cè)量等專業(yè)人員參與整個(gè)外業(yè)工作過(guò)程,人力資源投入數(shù)量較大;航測(cè)復(fù)查技術(shù)投入2 名航測(cè)技術(shù)人員即可完成大部分外業(yè)工作,其他專業(yè)人員只需在內(nèi)業(yè)參與后期的通道現(xiàn)狀對(duì)比分析工作,大大降低了人力資源及配套成本。

        人員勞動(dòng)強(qiáng)度降低。傳統(tǒng)的野外復(fù)查技術(shù)需作業(yè)人員在野外完成所有工作,山區(qū)受地形、植被等情況影響,交通情況較差,作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度極高;航測(cè)復(fù)查技術(shù)采用免像控?zé)o人機(jī)航測(cè)技術(shù),外業(yè)工作人員只需定點(diǎn)進(jìn)行無(wú)人機(jī)航攝工作,數(shù)據(jù)處理及分析工作都在內(nèi)業(yè)完成,作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低。

        產(chǎn)品成果豐富。傳統(tǒng)的野外復(fù)查技術(shù)通過(guò)GPS 等測(cè)量設(shè)備測(cè)量坐標(biāo)數(shù)據(jù),產(chǎn)品形式單一;航測(cè)成果可提供豐富的影像數(shù)據(jù)和三維模型成果,為數(shù)字化設(shè)計(jì)、三維展示及成果移交提供了豐富的地理信息數(shù)據(jù),并可方便后期的施工管理和運(yùn)行維護(hù)工作。

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