无人机低空摄影测量在配网电力施工工程中的应用

胥晶 徐勇生 周峰 王振

[摘    要]随着我国经济和科技的发展，电力系统的建设和运维技术日益完善。电力工程建设中，往往需要使用摄影测量技术对施工现场进行勘测，以对工程建设提供基础数据支持。目前有关无人机低空摄影测量技术在配网电力工程施工应用方面的研究较少，需要加强分析无人机低空摄影测量技术特点，通过开展场地实验，对无人机完成输配电线路航摄数据获取技术、采集精度、应用可行性进行评价。

[关键词]无人机低空摄影;测量技术;配网电力施工

[中图分类号]TM75 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）01–00–03

[Abstract]With the development of my country's economy and science and technology， the construction and operation and maintenance technology of the power system is becoming more and more perfect. In the construction of electric power projects， it is often necessary to use photogrammetry technology to survey the construction site to provide basic data support for the construction of the project. At present， there is little research on the application of UAV low-altitude photogrammetry technology in the construction of distribution network power engineering. It is necessary to strengthen the analysis of the characteristics of UAV low-altitude photogrammetry technology， and carry out field experiments to complete aerial photography of UAV transmission and distribution lines. Evaluation of data acquisition technology， acquisition accuracy， and application feasibility.

[Keywords]UAV low-altitude photography; measurement technology; power distribution network construction

近年来我国电网建设實现跨越式发展，今后是智能电网加快发展重要时期。通常，输电线路工程空间地理信息数据通过航天遥感等手段获取，卫星遥感数据在输电线路工程可行性研究等方面已广泛应用。但航天遥感具有灵活性不足的问题，而常规的有人机航空摄影需要专用机场审批及航空限制，存在作业周期长等问题。无人机航摄系统是以UAV为平台，借助导航技术实现低空航摄飞行，系统具有外部环境影响小等优势，无人机航摄系统可以满足局部应急工程建设需要。本文通过研究无人机航摄数据获取技术，评价低空摄影测量在配网电力工程施工中应用的可行性，为无人机航摄技术推广提供参考。

1 无人机摄影测量技术研究

地理空间技术的发展为电网建设提供详细资料，近年来高分辨率成像RS技术得到很大发展，美国空间成像公司1999年发射升空首颗商用卫星后，QuickBird，EROS-B，GeoEye-1等卫星相继发射。卫星大多搭载多光谱传感器，为获取详细地形土地利用信息等提供先进技术手段[1]。航摄技术已有百余年历史，是基础测绘等各行业完成空间地理数据采集的主要手段，目前已进入数字摄影测量阶段。

无人机最早出现在20世纪20年代，早期无人机研制用于训练靶机，随着技术的发展，逐渐应用于民用遥感飞行平台[2]。80年代后各种数字化小体积新型传感器问世，无人机应用范围不断扩展，在地球物理勘探、土地利用调查等民用领域发挥重要作用。目前各种性能的无人机类型达数百种。90年代后无人机通过无线电通信网络可实现到达指定空域，返回机场降落等操作。无人机具有低空获取高分辨率清晰影像，用户自主拥有等优点，在救灾和应急等方面显示独特优越性。航空遥感飞行控制系统的不断研制改进，任务载荷系统的不断变化升级，以及飞行平台、信息传输系统等方面的不断推陈出新，都推动着中国无人机遥感技术的进步。

在无人机航测国内外研究方面，Annen探讨用无人机平台实验结果，论证高分辨率微型无人机具有较好应用潜力。美国是无人机航摄系统发展速度最快的国家，在硬件装备等方面具有系列标准。美国Andrea等采用无人机航摄系统对爱华达州西南部牧场进行监测。Peter综合无人机系统等技术应用于地表模型制作。日本环境省利用YAMAHA加载核生化传感器进行核污染探测。近年来国内无人机技术迅速发展，无人机航摄系统已用于数字城市建设、突发事件实时监测等领域。

2 无人机低空摄影测量技术特点

近年来GIS技术取得迅速发展，轻小型航摄成为航空遥感领域的亮点。无人机航测技术提供高效的测绘方式，解决了普通航摄手段在大比例尺数据方面存在成本高等问题。低空无人机摄影可快速获取高质量航空影像，轻小型低空遥感逐步成为立体监测体系的重要技术手段。

低空无人机航摄系统优点体现在可实现适应地形导航与摄像控制，用以支持构建城市三维景观模型;使用成本低，对操作员培养周期短，易于成为用户自主拥有设备。小面积大比例尺地形测量任务受天气限制较多，无人机遥感系统进行实用化开发，可在阴天获取合适彩色影像，提高作业技术水平与精度。无人机航摄是以无人驾驶飞机为空中平台，通过无线遥控技术设备操作不载人飞行器，以完成有人驾驶飞机所执行的任务。无人机低空摄影系统包括相机控制系统、无线电遥感测控系统等。

无人机航摄流程与常规航摄有所差别，应注意根据测区地形条件选择合适起降场，飞行前应检查通讯电源等。无人机航摄数据检查包括检查曝光点数据、检查飞行轨迹等。无人机遥感数据处理与传统航摄过程相似，会出现由于需要适用特殊载荷要求导致的后期数据处理等新的技术难题，主要包括系统要支持自动化数据处理，传统航摄姿态角控制要求，无人机遥感系统航偏角大，对影像特征点相对定位难度增加等。无人机遥感数据处理要实现稀少地面控制空三解算，但获取影像像幅较小，后期数据处理体量较大，因此无人机遥感数据处理首先要解决空中三角测量的问题。无人机搭载非量测相机，直接使用原始影像进行空三加密计算，计算外方位元素精度差，对原始影像进行纠偏处理。

无人机航摄技术应用于配网电力工程施工方面，具有产品丰富、响应快速、可真实再现实时三维状态、可获得最新项目区域地理空间信息等优势。采用无人机摄影测量技术可提高工程选线准确性，有效提高工作效率，减少大量野外作业量。无人机航测技术可在输配电线路工程建设中发挥很大作用，对无人机航摄数据进行无约束空三加密，开展外业控制工作，在立体选线平台进行精密路径优化选线，采用GPS完成线路杆塔施工放样，如图1所示。

3 无人机摄影测量技术关键问题

3.1 摄影测量问题

无人机搭载非量测数码相机，数码相机分辨率提高同时辐射性能加大，CCD芯片不平度达到微米级。非量测数码相机用于摄影测量需要获取内方位元素，国内常用的佳能EOS 5D MarkII搭载24 mm焦距镜头，畸变差达到10个像素以上。镜头畸变分为径向与切向，切向畸变使像点沿径向偏离正确位置。畸变系数与相机内方位元素同时获取，通过拍摄检校场已知坐标控制点求解参数，如表1所示。

无人机航摄方案设计要根据高程精度要求确定镜头焦距等技术指标，影像有效分辨率为标称分辨率乘以比例因子，数字影像有效分辨率较高，航空数字影像具有更高的平面精度。数字航摄测绘1∶500地形图GSD要求为5 cm。像点量测精度为1/k像素，对应高程量测精度mz=GSD/（k×b/f）坐标mxy=GSD/k，f为摄影焦距，b为像方基线长度;b/f为基高比。立体量测地面点高程精度低于平面，GSD小基高比大。GSD由航高决定，无人机行高可以低至100 m以下。需要选择合适的行高，首先根据航摄目的确定GSD指标，确定航高与镜头焦距。假设像点量测精度k=2，焦距小地面高程精度高，目前常规地区航摄采用35 mm焦距。

3.2 外业控制测量问题

无人机航测利用数码相机镜头焦距小，而专用航摄仪常用焦距153 mm的镜头，常规航摄比例尺为1∶8 000左右，全面幅相机飞思P45相机像幅为36mm×48 mm。无人机航摄像片数量为常规航摄的几十倍，研究控制点布设方案是无人机航摄技术应用关键问题。

按地形图航摄外业规范规定执行，野外控制点距离约为6条基线，采用佳能5DII相机拍摄地面分辨率20 cm，小于常规航摄的4～5 km。数据按照常规航摄条件推算，重叠度65%，应用无人机数字摄影系统要根据实际参数估算推导。1∶500成图比例尺航摄地面分辨率按0.05 m计算，得到像片基线长度b=8.39 mm。得出无人机区域网控点基线对应精度估算满足控制点布设方案，高程中误差0.35 m，平高控制点间基线数不超过5条。国外学者对光线束法提出不同精度估算公式，平面控制方案采用四角法，密周边布点法平面精度为σx，y/σ0=0.53，σ0为像点观测中误差，σx，y衡量区域网平面精度。无人机进行GPS/IMU辅助空中三角测量是当前研究热点，GPS/IMU设备小型化问题制约在无人机领域的应用。

3.3 数据处理问题

无人机航测相比常规航摄具有一些优势，但同时也存在一些难点。无人机大多采用单个数码相机为影像数据获取仪器，存在倾斜度大等问题。国内有些单位研制双拼相机，存在传感器重量增加等问题。不同子影像具有不同投影中心，可能存在明显的系统误差。小像幅无人机航摄数据后期处理关键问题表现为获取影像存在旋偏角过大等问题，数据量比传统航摄仪获取大。因此，寻求自动化程度高的摄影测量软件非常必要。

目前常见数字摄影测量软件中国内软件有JX4等，像素工厂适用于数码影像，具有强大自动化处理功能，可迅速生成正射影像等产品。INPHO采用模块化设计，优点是以平稳工作流程保证高效生产能力，可为空中三角测量计算主要工具。DP-Grid是国产推出新软件，支持基于刀片式服务器计算。JX4采用人眼观测立体像对方式工作强度大，可改进现有数字影像测量软件，以测区为单位进行立体测图。目前影像匹配算法集中于空间域，频率域法对尺寸缩放敏感。有学者研究提出针对无人机影像自动隐健匹配算法，保证提纯后特征点数据进行点变换估计，把核心任务移交给特征点过滤策略，这是一种有效的无人机影像匹配算法。

4 无人机低空摄影测量在配网工程施工中的应用

结合电网科技部门基于航空摄影测量技术的配电选线采集技术研究与应用，项目实施包括调研分析、无人机系统测试等阶段。调研分析阶段工作包括与无人机航测领域专家沟通，论证项目技术思路。系统测试阶段完成数码相机内方位元素检测，委托第三方检测机构对航摄使用数码相机进行内方位元素检定，按指标要求进行测试飞行。无人机控制系统存在曝光点定位不准确等问题，重新配置控制系统，后期测试结果符合摄影测量数据处理要求。

项目以解决实际施工复勘中的问题为目的，遵循实用性原则，采用成熟技术方案，建立试验场研究不同无人机航摄技术方案对成果精度影响，检测无人机与相机性能，开展控制精度对空三精度的影响等方面研究。试验区测设188个野外控制点，从像片上可清晰辨认。场地实验采用精灵4RTK无人机，通过空三加密计算证实数据成果精度符合理论推算结论。大重叠度模式拥有更高精度。选择4条配电线路项目进行无人机摄影测量计算试验，进行立体优化选线等工作，通过外业RTK-GPS测量数据进行验证。

应用实例项目为浙江省湖州市，航攝方案按线路区域网设计，使用设备委托专业检测机构进行检测。同时进行外业控制点采集，采用不同计算方案，控制点与检查点平面与高程测量精度优于5 cm。采用不同个数控制点的平差方案，野外控制点数量增加，空三精度提高不明显。控制点航向跨度20基线精度满足地形图测绘要求。试验在现场采集20个明显地物点，比较实地测量成果与立体模型人工测量成果。项目可证明无人机摄影测量技术对配电工作施工图设计复勘等应用提供实用的解决方案。

5 结束语

随着我国经济和科技的发展，电力系统的建设和运维技术日益完善。电力工程建设中，使用摄影测量技术对输配电线路施工现场进行复核勘测，为工程建设单位提供基础数据支撑，可在一定程度上保证施工顺利进行。传统摄影测量方法受外界环境制约较大，采用无人机低空测量技术测量辅助电力工程施工，可以降低电力系统施工成本，并实现全天候作业，极大提升工作效率。采用无人机低空摄影测量技术可以快速获取区域影像，成果精度满足输配电线路平断面图测量和杆塔优化配置的要求，同时无人机低空摄影测量技术对天气条件要求较低，可作为有效替代常规航摄的技术手段，在配网工程施工中具有推广应用价值。

参考文献

[1] 王巍，吴卫军.探究分析无人机低空摄影测量在电力工程中的应用[J].中国房地产业，2017（3）：256.

[2] 李世兴，莫江涛.无人机摄影测量技术应用于电力配网改造项目中的研究[J].建筑施工，2019，41（6）：1116-1117，1132.