基于三维GIS的无人机巡检管控系统

樊志强

摘  要：本文设计了基于三维GIS的无人机巡检管控系统。系统根据地形数据和三维线路实现航线规划、巡检任务、三维导航、状态监控等功能;系统实现与不同无人机型飞控系统、中继设备、避障系统的数据通讯;系统实现智能化预警功能，其中包括遥测参数预警、测控半径预警、逼近线路预警等;系统建立历史数据库，实现对三维基础数据、航迹数据、巡检成果数据、飞机设备状态参数、飞行日志等进行管理;系统结合实际需求并创新应用，实现定点拍摄、图像识别分析、高端仪器设备搭载等;系统实现拓展应用，根据具体应用需求实现三维高级空间分析功能。

关键词：三维GIS无人机  巡检管理系统  图像识别  系统

中图分类号：P208                              文獻标识码：A                    文章编号：1674-098X（2020）10（a）-0126-03

Abstract： This paper designs a UAV patrol control system based on 3D GIS. According to terrain data and three-dimensional lines， the system realizes route planning， patrol task， three-dimensional navigation， status monitoring and other functions; realizes data communication with flight control system， relay equipment and obstacle avoidance system of different unmanned aircraft; realizes intelligent early warning function. It includes telemetry parameter early warning， measurement and control radius early warning， approach line early warning， etc.; the system establishes a historical database to manage the three-dimensional basic data， track data， inspection results data， aircraft equipment status parameters， flight logs， etc.; the system combines the actual needs and innovative applications to achieve fixed-point shooting， image recognition and analysis， high-end instrument and equipment carrying， etc.; the system unified implementation of the expansion of applications， according to the specific application needs to achieve three-dimensional advanced spatial analysis function.

Key Words： 3D GIS UAV; Patrol management system; Image recognition; System

随着国家电网的发展，输电线路电压等级的不断提高，线路的巡线作业对维护区域的安全、稳定、高效运行越来越重要。无论传统地面巡线方式还是有人直升机巡线方式在效率、安全、成本等方面已经满足不了现代电网发展的广泛需求。而无人机作为有人直升机巡线的有效补充，提高了巡检效率，更大程度上避免了当前载人直升机巡线员的人身安全隐患。

无人机巡检作为智能化机器巡检的重要技术手段，已在国家电网系统开展了较多应用。而开发基于电网GIS无人机精细化航线管理与测控导航系统，为无人机在电力线路巡视和大范围防灾减灾巡视提供了有力的辅助工具。这也是智能化电网建设的亮点，也是电网监控手段的重大革新。因此本文设计了基于三维GIS的无人机巡检管控系统，提高了巡检工作效率。

1  系统需求分析

本系统可以完成无人机的航迹规划、数据链管理、机载任务设备控制，同时以数字和图形形式提供飞机飞行状态、图像侦查信息，实现对全系统的监控。基于三维空间地理信息的无人机精细化航线管理与测控导航技术将为无人机系统的飞行操纵、指挥控制等提供空间可视化的操纵平台，本项目将以三维地图为背景设计无人机地面导航监控软件，实现三维航路的规划、生成和执行;自主起降点的规划与确认;地理信息、电网信息、飞机状态信息、通信链路信息的集成展示;与飞控系统的数据交互接口。

2  系统功能设计

2.1 系统功能架构

系统包含功能有：工具箱、参数设置、飞行控制、参数展示、中继管理、避障管理、预设预警、三维空间分析、数据库管理、外部接口管理。

巡检管理系统功能架构图工具箱中包含功能有：测量工具、三维操作栏、坐标查询、定位器;参数设置中包含功能有飞行参数设置、预警参数设置;飞行控制中包含功能有航线规划、航线发送、航迹回放;参数展示包含功能有飞行参数、中继参数、避障参数;中继管理包含功能有设备自检管理、休眠唤醒管理、链路模式管理、中压电量管理;避障管理包含功能有雷达开关管理、场强仪管理、设备状态管理;预设预警管理包含功能有飞行参数预警、逼近线路预警、测控半径预警;三维空间分析包含功能有至高点分析、二点透视分析、信号盲区分析、剖面图分析;数据库管理包含功能有航线管理、航迹管理、日志管理;外部接口管理包含功能有与飞控接口、与中继接口、与避障接口。

系统配置三维模型库、三维地图库以及巡检业务库，用于数据存储。系统开发使用C++编程语言实现。系统数据库为ORACLE10g，三维平台为3d earth express，开发模式为C/S模式。

本系统基于二三维GIS技术和无人机通讯控制技术，在功能设计上以空间关系数据库为基础构建服务端和客户端应用功能。服务端具备遥感影像等数据的采集、分析处理、辅助决策等功能，客户端充分考虑用户实际需求定制了巡检任务、航迹规划、状态监控、三维导航等应用模块。具体功能设计构建见图1。

2.2 数据库管理设计

（1）航线管理，数据库管理模块实现对用户规划的无人机飞行航线可以进行导出、删除、查询、备份管理功能。

（2）航迹管理，数据库管理模块实现对无人机历史飞行的航迹数据可以进行导出、删除、查询、备份管理功能。

（3）历史任务，提供历史任务数据的查询和统计功能。

（4）巡检数据，对机载设备（红外、紫外、可见光、高清相机等）采集的历史图片和历史数据提供查询和统计入口。

（5）日志管理。数据库管理模块的日志管理，日志包括航线日志、中继日志、航迹日志三种，可以对三种日志进行查询、删除、备份、导出功能操作。

2.3 系统关键功能设计与实现

2.3.1 定点拍摄

系统结合不同类型无人机硬件和操控系统，考虑实地气流、机身和摄像设备姿态等因素设置无人机飞行轨迹自动识别杆塔方位，从而实现高准确度定点拍摄采集。以多旋翼无人机对单基杆塔巡检为例：单回路直线塔巡检。

控制无人机安全稳定上升到杆塔的左斜上方，先对左半部分的地线支架0进行拍照检测，再依次对如图2所示的1、2、3绝缘子串进行拍照，最后对右半部分地线支架检测。在此过程中同时对跳线、各类线夹以及固定装置的状态进行检测，可见光相机和红外热像仪同时工作。在无人机上升和下降的过程中对杆塔塔材和零部件进行拍照检测。

2.3.2 双回路直线塔巡检

双回路直线杆塔模型和巡检顺序图如图3所示。

为了确保无人机坠下时不会对输电线路安全造成威胁，在所有的巡检过程中，無人机都不得位于导线正上方或从导线上方飞过。双回路直线塔中绝缘子串拍摄角度与单回路直线塔中1绝缘子串和3绝缘子串角度相同。相机和红外热成像仪所拍摄检测的对象也相同。在无人机上升和下降的过程中对杆塔进行拍照检测。

2.3.3 图像识别分析

系统对采集的图像可根据参数设定自动进行识别筛选，过滤掉模糊不清的图像。其次对清晰的图像进行分析处理，计算该点故障特征值发现疑似故障受损图，并对故障图按不同的类型设定进行分类存储。

系统可结合不同类型无人机型搭载可见光成像设备、红外热成像仪、紫外成像仪、激光成像仪等，采集的不同类型数据系统可实现识别分类自动传送分析处理。

3  结语

“基于电网GIS平台的无人机综合巡检控制系统”在实现与无人机飞控系统、中继设备、避障系统通讯的前提下，实现无人机电力线路巡视业务功能和定点巡视业务功能的定制与开发;实现航线自动规划、模拟飞行巡检、三维展示、状态监测、测控导航和数据管理等功能，提高无人机巡检系统易用性，降低系统使用难度和门槛，提高无人机巡检的智能化水平。为无人机在电力行业应用提供辅助决策的工具，真正意义上提高电网及设备的巡视工作效率、降低运营成本，提高维护工作效率。

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