四旋翼无人机在输变电工程环评中的应用

王文兵，曹文勤，李立

(1.江苏省辐射环境保护咨询中心，江苏南京 210019；2.江苏省电力公司，江苏南京 210024;3.无锡供电公司，江苏无锡 214061)

四旋翼无人机在输变电工程环评中的应用

王文兵1，曹文勤2，李立3

(1.江苏省辐射环境保护咨询中心，江苏南京 210019；2.江苏省电力公司，江苏南京 210024;3.无锡供电公司，江苏无锡 214061)

社会经济的快速发展导致电力需求不断增加，高压输电线路不断增多。线路穿越地区往往地形复杂且变化较大，使用传统人工方式进行输电线路及周边敏感目标等信息的现场勘察难度较大。对无人机(UVA)遥感技术在输变电环评前期准备及后期资料处理中的应用进行了简要介绍，同时选择特定地点进行航拍实验并与卫星地图相对比。结果显示，无人机遥感技术获得的准确、可靠、具有时效性的现场资料能够被环评使用，降低输变电工程环评成本及工作时间。

输电线路；环评；敏感目标；无人机；遥感技术

输变电工程可研阶段的环境影响评价与实际运行阶段的生态验收调查，可统称为输变电工程环评。此类项目的特点是多分布在野外、点多面广、所处地形复杂，且输电线路一般长达几公里、几十公里甚至上百公里，并可能跨越农村、城市生态保护区等不同地区及平原、山区、林地等多种地貌，人员难以进入整条线路进行现场勘察，耗时耗力。在工作中，要确保环境基础数据、影像等资料的精确性、可靠性和时效性，往往需要调查单位投入大量人力物力，急需利用高科技、新技术来提高工作效率，降低工作成本[1-2]。

无人机低空遥感系统(UAVRS)采用无人机为飞行平台，搭载相机等数字遥感设备进行拍摄和记录，通过遥感数据处理技术进行影像传输，以实现对地理信息的实时调查与监测[3]。作为一项有潜力的新兴技术，无人机遥感在过去几十年里得到了快速发展，在诸如地理测绘、城市规划、环境监察、土地和资源勘探、军事侦察和考古等多个领域中发挥着无可替代的作用[4-5]。本文以无人机尤其是四旋翼无人机在江苏某县的应用为例，研究、探讨无人机航测技术在输变电线路环境影响评价中的应用。

1 前期准备及后期数据处理

1.1 无人机种类

无人机具有重量轻、体积小、成本低、机动灵活、能够通过地面运输快速到达指定区域、定点起飞降落且对起降场地要求低等优势[6]。目前，在输变电工程环境管理中，常用的无人机主要分为固定翼及多旋翼[2]，多旋翼又以四旋翼最为常见。多旋翼无人机飞行灵活、操控灵敏、飞行稳定性高、抗风性能好、无须起降场地、可悬停、可获得高质量影像，但其续航能力较差，适用于短距离拍摄，可以用来拍摄各个输电线路铁塔的详细资料等。固定翼无人机具有速度快、滞空时间长、飞行半径大等优势，能够满足长距离作业要求，可用作长距离巡线及视频拍摄[7]。考虑到输变电工程环评一般不需要进行大范围、远距离的航拍作业，仅在环境情况较复杂、敏感目标较多或穿越生态保护区等情况下才需要使用无人机作为辅助手段，因此使用四旋翼无人机的情况较为多见。

1.2 航拍前期准备

做好充分的准备工作是获得优质航拍数据的前提，因此拟定一套可行的飞行方案尤为重要。

(1)航拍区域的确定：通过卫星地图软件对航拍区域的地形地貌进行初步了解，了解该区域是否为空管区，根据《民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》，重量小于等于7 kg的微型无人机，飞行范围在目视视距内半径500 m、相对高度低于120 m的范围内，无须证照管理，这也是优先选用四旋翼无人机开展工作的理由之一。

(2)航拍目的的确定：获得输变电工程所在区域高清影像资料。

(3)无人机型号及拍摄设备的选定：可根据航拍所要获得的输变电线路现场资料，如两座输电线路铁塔周边及输电线下方的建筑物数量、距离等，来确定此次航拍需何种性能的无人机(包括大小、续航能力以及载重能力等)及搭载的拍摄设备型号等。

(4)航线的设定：结合航拍目标设定飞行航线。其中，旋翼无人机主要拍摄短距离目标，航线可根据现场情况确定；固定翼无人机航拍距离远，以起始点及转角点坐标设置航线。与此同时，待航线确定完成后，准备相应距离最大(如逆风、起始飞行盘旋耗电等)电源消耗数量。

(5)航拍时间的确定：天气作为影响航拍的主要因素，航拍时间应定在晴好天气(风速小、能见度高、地面有无积雪等)进行外出作业。

在实际工作中，若航拍的主要对象为变电站项目或较短的线路工程，优先选用四旋翼无人机；若航拍对象为较长的线路工程或穿越较大区域的生态区，为保证续航能力，提高工作效率，避免发生事故，优先选用固定翼无人机。

1.3 遥感数据后处理

由于成像设备的限制，无法一次性获取一整片区域的高清图像，因此需要利用图像拼接技术[8]，将多组单张照片拼接为该区域的全景照。目前常用的照片拼接方法主要有图像灰度法、变换域法及图像特征法[9]。具体处理步骤如下：

(1)整理所获得的正确影像资料。选取清晰照片，每张照片都有与之对应的GPS坐标信息和拍摄高度。

(2)使用软件进行图片特征运算及匹配。将图片和坐标点导入PIX4D软件，进行特征识别、匹配。选择默认的3D地图选项，通过初步处理得到一些点云数据，再抽样检查各个点位置是否正确、是否存在错位，并对错位的地方进行手动修正。

(3)人工修正连接点和加密点云数据。找到连接点的正确点位，在图1中标记，随着点数的增加而更加精确。对于高压线的图像拼接，会存在错位，进而导致线路断线，因此需要寻找足够多的特征点进行人工连接。图2中线塔的各个顶点都需作为人工连接点。完成对塔位置的修正之后，再对断线的地方进行修正，但线路修正有个难点，即线路上的点位置不能准确定位，需要多次尝试修正点位直至线路完全吻合。

图1 软件修正截图Fig.1 Screenshots fixed by software

图2 人工连接点选择Fig.2 Selection of manual connection points

(4)正摄影像图的生成。点云加密运算完成之后，检查点位准确无误则可进行正摄图镶嵌，镶嵌结束后经过重复错位纠正，即可得到正摄影像图。

2 四旋翼无人机实践应用分析

2.1 航拍前期准备

为了解无人机航拍在输变电线路中的拍摄效果能否为环评所服务，以调查苏南某县级市两条道路交叉口已建成的两座高压铁塔间的环境现状为例，进行航拍实验。

(1)航拍区域：苏南某县级市两条道路交叉口。

(2)航拍目的：准确收集输变电线路两侧下方及铁塔周边敏感点的数量、相对位置、距离等信息。

(3)设备选择：两座铁塔之间距离较短，因此选择四旋翼无人机搭载高清相机。其中，云台为3-轴(俯仰、横滚、偏航)，可控转动范围为俯仰-90°至+30°，相机镜头为FOV 94° 20 mm (35 mm格式等效)f/2.8对焦点无穷远，传感器1/2.3英寸CMOS。

(4)航线设定：以两座铁塔连线为中心线，在高于铁塔50 m处的两侧进行航拍。

(5)作业时间：2015年10月19日，天气状况为微风(地面10 m高度风速为3.5～5.4 m/s)、多云、能见度高。

2.2 航拍结果分析

2.2.1 航拍照片分析

通过调节高压线不同的高度参数，将航拍所得部分照片进行糅合，结果如图3所示。

图3(a)为该段线路航拍的部分源照片，从图中可以看出，每张照片所涵盖范围较小，但是能够高清呈现出地面信息；图3(b)为第一次采用本实验方法进行拼接后的照片，从图中白色椭圆中可以清楚看出，输电线路出现断线现象；图3(c)与图3(b)为同一铁塔、相同的源照片，经过调整合适的高压线高度参数后，拼接形成的效果图，能够看出输电线没有出现断线的情况；图3(d)为该段线路全景图，图中红圈为两座钢铁塔，图中能够清晰看到6条输电线未出现断痕，两座铁塔周边、输电线路下方的地形地貌及建筑情况清楚地反映在全景图中。

将实验中采用四旋翼无人机航拍获得的效果图与常用卫星地图在相同地点的截图进行对比，结果如图4所示。

图3 拼接前后效果Fig.3 Effect picture before and after joining together

图4 各图拍摄效果对比Fig.4 Comparison between different images

江苏省苏南某县级市两条道路交叉口附近的两座铁塔百度卫星地图、天地图卫星地图分别如图4(a)、(b)所示，其图中红色圆圈分别为该段线路中的两座铁塔。将航拍所得全景图与该段线路的百度地图、天地图进行比对可见，天地图与百度地图中只能模糊看见输变电设施中的铁塔，并不能看清线路，天地图较百度地图分辨率高，但两者的分辨率都不及航拍全景图；图4(a)、(b)中的白色矩形区域与图3(d)相比，存在准确性及时效性等问题，例如图4(b)中，右下角白色矩形区域房子在建，而最新航拍结果显示已建成。

图4(c)、(d)、(e)分别同一个铁塔航拍、百度地图及天地图中的放大效果图。将图4(c)、(d)、(e)进行对比，可以看出无论是百度卫星地图还是天地图，其分辨率都远低于航拍，并且百度卫星地图中只能看见铁塔的影子，天地图中只能看见铁塔模糊的样子，并不能看出有输电线的存在，因此相比于卫星地图，采用无人机遥感技术航拍的照片具有更高的信息准确性、时效性。

2.2.2 应用前景分析

(1)在环评中的应用。环评工作需要进行前期现场勘查，考察线路走向、变电站站址以及线路周边的敏感目标。通过前期航拍全景图，不仅能够确定输变电设施周边敏感目标，确定需要进行本底值监测的目标点位，而且在敏感目标较多的情况下，如图3(d)线路下的敏感目标，能够轻易得到敏感目标的数量，无须人员进行挨个细数，大大节约工作时间和成本且不易出错。当项目与生态保护区，尤其是一级管控区位置可能有所重合时，可借用无人机航拍技术明确项目与保护区位置关系，为建设单位、环评单位及环保部门选所选线、科学评价提供帮助。

(2)在环评验收中的应用。在项目后期验收中，无人机遥感技术能够进行整条输变电线路的视频航拍，从而观察线路建设是否与环评相符，以及对重要敏感目标区域进行定点拍摄，观察线路下方是否有违建等情况。摸清项目周围环境敏感目标分布情况，可以为调查单位合理安排工作计划提供帮助，也可以作为现场调查的第一手资料。

3 总结及展望

3.1 总结

输变电工程大多分布在野外，点多面广，所处地形复杂，使用传统人工方式进行现场勘察往往耗时耗力。无人机遥感技术在输变电工程项目环评、环评验收等工作中能够发挥巨大作用：

(1)在距离地面约60 m的飞行高度，无人机航拍能够清晰地获取输变电线路下方及周边地形地貌、敏感目标等详细情况，通过软件可以将航拍照片进行无缝拼接，反映整个输变电工程的最新情况。

(2)无人机遥感技术获得现场全景图与常用卫星地图截图相比，具有更高的清晰度，可信度更强。因此无人机遥感技术获得的资料具有准确、可靠、时效性强等特点，能够为输变电项目环评及验收工作服务，将会大大降低工作成本和缩短工作时间。

(3)将无人机遥感技术与现有卫星地图结合，利用卫星地图了解输变电线路中人员较难到达或敏感目标较多且不易确定的区域，继而采用无人机对特定区域进行航拍，可获得准确、实时的信息资料，为环评及验收工作服务。

(4)虽然无人机航拍前需要进行详细周密的前期准备，但整体上仍然可以大大提高工作人员的调查效率与调查准确度，减少时间成本，是减轻环评工作负担的有效手段。

3.2 展望

目前，推进无人机遥感技术在输变电环保管理中的应用普及，还需从3个方面着手:首先，需要研发出体积小、质量轻、拍摄分辨率更高的拍摄设备；其次，需要从无人机载重能力、续航能力以及抗风抗震性能等几个方面逐渐优化和提升；最后，将无人机与监测仪器结合，进行远程操控现场监测等。

随着科技的进步，无人机遥感技术的分辨率及计算机对照片的处理能力不断提高，未来可以利用无人机搭载具有更高分辨率、更强防震能力的摄像设备，结合现有常用卫星影像，将拍摄的整个输变电线路视频制作成一个三维动态视频，可以从中测量输变电线路周边的各个敏感目标数据，包括建筑高度、建筑物与输变电线路的距离等环评中所需要的数据信息。

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[2] 武晟, 许光照, 雷佳明, 等. 超低空航拍技术在输变电环评工作中的应用研究[J]. 电力科技与环保, 2015, 31(4): 15- 16.

[3] 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): 505- 513, 540.

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[8] Boykov Y, Kolmogorov V. An Experimental Comparison of Min-cut/Max-Flow Algorithms for Energy Minimization in Vision[J]. IEEE Transactions on Pattern Analysis & Machine Intelligence, 2004, 26(9): 1124- 1137.

[9] 毛家好. 无人机遥感影像快速无缝拼接[D]. 成都: 电子科技大学, 2010.

The Application of Quadrotor UAV in Environmental Impact Assessment of Power Transmission and Transformation Projects

WANG Wen-bing1, CAO Wen-qin2, LI Li3

(1.Jiangsu Radiation Environmental Protection Consultation Center, Nanjing 210019, China; 2.Jiangsu Electric Power Company,Nanjing 210024, China; 3. Wuxi Power Supply Company, Wuxi 214061; China)

Social economy has been developing rapidly, which leads to great power demand, and high voltage transmission lines have increased a lot. The terrain that lines spread over is complicated, therefore the information collection of high voltage transmission lines and sensitive targets by traditional artificial way is quite difficult. In this paper, we gave the brief introduction on early-stage preparations of unmanned plane remote sensing technology, and later data processing during the environmental impact assessment work of power transmission and transformation. We carried out the aerial photo experiment and made comparison with satellite maps in specific locations, the result of which indicated that accuracy, reliability and timeliness information from unmanned plane remote sensing technology could be used in environmental impact assessment to reduce the EIA cost and work time of power transmission and transformation project.

transmission line; environmental impact assessment; sensitive targets; unmanned aerial vehicle; remote sensing technology

2016-02-26

王文兵(1982—)，男，安徽合肥人，工程师，学士，从事辐射环境影响评价及监测，E-mail：wangwenbing@jsrepc.com

10.14068/j.ceia.2017.02.013

X820.3

A

2095-6444(2017)02-0048-04