多旋翼无人机的航空摄影测量技术在电力测绘中的应用

张政 窦杰 陈冀渝

摘 要：随着无人机技术的飞速发展，无人机在远程遥控、续航时间、飞行品质上有了明显的突破，从而为其在电力作业中的应用提供了良好的发展前景。无人机技术的发展为架空输电线路巡检工作提供了新的平台，借助无人直升机，通过遥感技术应用，采用多传感器集成的方法，可实现电力线路安全巡检工作的高效和全自动化开展。本文主要以多旋翼无人机为研究对象，通过分析以多旋翼无人机为飞行平台的低空摄影测量技术的数据获取系统和处理系统，研究其在电力测绘，特别是在电力线路巡检中的应用，为在电力系统线路巡检、维修等方面提供一定的技术保障。

关键词：电力输电线路巡检；无人机；摄影测量；航空摄影数据处理

0 引言

随着我国信息科学和相关应用的快速发展，我国各行业对空间数据的需求也急剧增长。但目前，对于空间数据，特别是高分辨率空间数据的获取渠道仍然局限于国外遥感卫星影像、大飞机航拍等，造成数据重复采集，资金耗费大，数据处理工作复杂，时效性和灵活性也远不能满足实际需求。无人驾驶飞机简称无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV），是一种有动力、可控制、能携带多种任务设备、执行多种任务，并能重复使用的无人驾驶航空器[1]。无人机遥感（UAV remote sensing，UAVRS）是利用先进的无人驾驶飞行器技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、通信技术、POS定位定姿技术、GPS差分定位技术和遥感应用技术，具有自动化、智能化、专业化快速获取国土、资源、环境、事件等空间遥感信息，并进行实时处理、建模和分析的先进新兴航空遥感技术解决方案[2]。近年来，国内外电力企业纷纷开展无人飞行器在电力系统线路巡视应用的可行性研究，无人飞行器巡检线路具有不受地形环境限制、费用与效率之比较高等优势，同时无需顾虑其意外坠毁可能导致的机上人员伤亡等问题，因此备受电力行业的欢迎[3-4]。无人机主要包括无人直升机、固定翼机、多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机。广义地看也包括临近空间飞行器（20～100千米空域），如平流层飞艇、高空气球、太阳能无人机等。从某种角度来看，无人机可以在无人驾驶的条件下完成复杂空中飞行任务和各种负载任务，可以被看做是“空中机器人”。在众多类型的无人机中，多旋翼无人机能够更有效、更自主、更廉价地进行高分辨率空间数据采集，大大降低数据采集的经济代价和时间代价，填补了分散小面积高分辨率空间数据采集航空摄影专业的空白。与此同时，基于摄影测量技术空间数据管理软件的使用，实现了无人机摄影测量一体化的整合集成，更加适应规模化电力测绘生产需要。

1 多旋翼航空摄影测量

1.1 技术简介

多旋翼低空摄影测量以多旋翼无人机为飞行平台，是为电力输电线路测绘提供更为准确、快速、直观的测绘方法。多旋翼无人机携带的高清摄像头所获取的目标区域航拍影像（图像）作为输入，同时实现航迹的规划和监控，通过计算机视觉、航空测量学以及计算机图形学等相关算法，快速、精确地对目标区域场景进行三维建模，基于构建好的目标区域三维模型，进一步完成线路交跨、通道情况等数据的测绘[5]。经过实际项目检验，可满足不同航测项目需求。多旋翼无人机低空摄影测量作为一项空间数据获取的重要手段，具有轻小、续航时间长、影像实时传输、高危地区探测、成本低、高分辨率、机动灵活等优点，是卫星遥感与有人机航空遥感的有力补充，在国外已得到广泛应用[6]。而随着我国科学技术的不断进步，无人机低空摄影平台的研究 在无人机总体工业设计、计算机飞行控制系统、组合导航系统、中继数据链路系统、传感器技术、图像获取及传输系统、计算机数据处理等诸多技术领域都有了长足的进步，达到了实际应用水平。

1.2 技术关键点

摄影测量技术的主要目的是获取地物多个方位的信息并可供用户多角度浏览，实时量测，三维浏览等获取多方面的信息，利用小型化、高可靠性、通用性强的无人机航测系统，无人机拍摄的图像，直接构建目标区域的三维模型，并提供多种量测功能；并能够满足应急、定时定点监测等无人机优势体现需求。多旋翼无人机系统，具有载重量大、续航时间长、体积小、重量轻、目标特性小，使用快捷、机动灵活、操作使用及维修简便等特点，自成体系独立执行飞行任务。需要解决以下3个关键技术问题：（1）稳定的多旋翼无人机飞行平台及操控系统。（2）高精度航拍摄像系统。（3）专业数据处理软件处理航拍数据。

1.3 多旋翼飞行平台

如图1所示，无人机低空摄影测量系统主要由无人机飞行平台（如图2所示）、高分辨率数码传感器、定位与自动驾驶系统及影像处理系统等4个部分组成，提供同时配合无人机的运输及操控的便利性还包括相应的地面运输及测控设备。（1）多旋翼选用自主驾驶飞控系统，大大提高飞控稳定性。（2）可携带多种任务载荷。（3）可用于执行资料收集、测量、检测、侦查等多种空中任务，在航空测绘领域能发挥其高效、机动性强的特点，能对目标物进行远距离监视。

2 数据采集及处理

2.1 多旋翼无人机数据采集过程

多旋翼无人机在数据采集过程中主要通过飞行控制系统来进行操作，如图3所示，无人机飞行控制系统主要是利用 GPS 等導航定位提供信号，并采集加速度计、陀螺等飞行器平台的动态信息，通过INS/GPS 组合导航算法解算无人机在飞行中的俯仰、横滚、偏航、位置、速度、高度、空速等信息，以及接收处理地面发射的测控信息，用体积小巧的嵌入式中央处理器形成以机载控制计算机为核心的电子导航设备，对无人机进行数字化控制，使其具有自主智能超视距自主飞行、自动进行数据采集的能力。系统硬件平台带有高清照相机的小型无人机，主要负责完成目标区域航空影像的拍摄任务。

2.2 专业数据处理软件处理航拍数据

在获取航拍数据后，如图4所示，利用专业的数据处理软件对数据进行处理，软件平台为PHOTOSACN和CASSANDRA的基于序列影像的场景快速三维建模以及测量软件，该软件利用无人机拍摄的图像，直接构建目标区域的三维模型，并提供多种量测功能。软件主要功能如下：

（1）无需人工干预，系统可以根据航拍图像自动完成三维建模任务。

（2）与激光雷达测距方法相比具有成本低廉，运行速度快（可以达到准实时）、自动化程度高等特点。

（3）能够精确获取场景尺寸、高程、距离以及面积等信息。

（4）系统可扩展性好，可以与现有任何具有图像采集功能的无人飞行设备配合工作。

3 总结

无人机摄影测量技术不仅能够真实地反映地物情况，而且可通过先进的定位技术，嵌入精确的地理信息、更丰富的影像信息、更高级的用户体验，极大地扩展遥感影像的应用领域，使遥感影像的行业应用更加深入。实现输电线路地形数据的可视化，根据已知的电力资产信息建立资产管理数据库，增加三维模型的拓扑关系和详细的资产信息，实现电力资产的三维可规化管理[7]。根据电塔上的监控设备传回的数据，在三维数字化电网的基础上进行各种专业电力分析，如预测模拟温度、风速、冰雪覆盖条件下弧垂发生情况，模拟树木生长情况，为线路管理决策提供有力支撑。

参考文献

[1]吕厚谊.无人机发展与无人机技术[J].世界科技研究与发展，1998（6）：113-116.

[2]李德仁，李明.无人机遥感系统的研究进展与应用前景[J].武汉大学学报-信息科学版，2014，39（5）：504-513.

[3]于德明，武艺，陈方东，等.直升机在特高压交流输电线路巡视中的应用[J].电网技术，2010，34（2）：29-32.

[4]邵允临，曹晋恩，尚大伟.直升机巡检华北电网超高压输电线路[J].中国电力，2003，36（7）：35-38.

[5]杨宁，李平，杨旭红.地面无线测控网在电力巡检中的应用[J].上海电力学院学报，2009，25（1）：4-6.

[6]张柯，李海峰，王伟.浅议直升机作业在我国特高压电网中的应用[J].高压电技术，2006，（6）：45-46.

[7]穆超.基于多种遥感数据的电力线走廊特征物提取方法研究[D].武汉大学，2010.