基于矿山电力工程的微型旋翼无人机设备应用研究

周 翔，岳 强，温玉维

（中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，湖南 长沙 410007）

1 概述

改革开放以来，我国的工业化建设发展快速加快，到2018年我国工业化水平达59.5%。矿山电力工程中老线路改造和新建线路也越来越多，此类工程规模小、路径受限制、地物多且复杂、空域多为限制区、要求航摄地面分辨率高。采用较大无人机实施航摄较复杂、风险较大、成本高。采用微型旋翼无人机超低空摄影测量技术刚好能弥补这一缺点，可高效地获取路径影像。

2 微型旋翼无人机特点及基本参数

微型旋翼无人机具有体积和重量小，便于携带，操作简单，起飞和降落不受场地限制。由于电池续航能力有限，微型旋翼无人机一般飞行高度在80～500之间，单架次飞行面积在 0.6km2～1km2。

图1 大疆Phantom 4 Pro无人机组成及外观

当前无人机摄影测量技术在矿山电力线路工程中得到广泛的应用，但是由于微型旋翼无人机自身的特点，在线路工程中应用不多[1]。随着我国工业企业迅速发展，电力工程中老线路改造和新建线路工程越来越多。这类工程路径受矿山工程规划限制，路径选择较单一，因此在航飞带宽不需要常规新建线路那样宽；另外矿山工程区域内的地物密集，对于选线精度要求高，需要提供高分辨率正射影像图；区域工作区内地物密集，起降场地受限。基于如此多条件限制，采用微型旋翼无人机超低空航摄技术能发挥其最大优势[2]。

选择市面上最常见的大疆Phantom 4 Pro无人机作为本文的试验载体。该无人机外观及组成如图1所示。

该无人机基本参数如表1所示。

表1 大疆Phantom 4 Pro基本参数

3 微型旋翼无人机外业作业流程

微型无人机外业作业流程大致分为四部分：任务设计及航线规划、航摄实施、数据检查、外业像控测量。

3.1 任务设计及航线规划

根据线路工程路径规划好航线；对测区内最高地形或地物点进行现场踏勘；根据现场地形和地物特点选取起降点和确定飞行高度，确保不同架次间飞行高度差在30m以内；根据规划好的航线均匀预布设好野外像控点，在无明显特征点区域需人工布设好像控标志[3]。如图2所示，为无人机一个架次的航线规划，左下角还有预计飞行时间，由于电池容量的限制，一般一个架次飞行时间控制在20min以内。

3.2 航摄实施

根据选取的起降点，现场实施航飞。由于矿山地区线路路径基本确定，因此航飞带宽一般在路径左右两侧各300m，每架次能航飞线路路径长度大约1.5km。

图2 大疆Phantom 4 Pro无人机航线规划示意图

3.3 数据检查

利用ICE、AGISOFT等软件快速生成全景图检查航飞的照片，包括利用影像pos检查航飞影像是否覆盖布设好的航线；影像的色彩是否饱满，锐度清晰，反差适中；影像的分辨率是否满足设计要求；航向重叠度不低于60%，旁向重叠度不低于30%，旋偏角小于15°。

3.4 野外像控测量

本文选取矿山工程区域内边一条约8km线路做为实例，根据线路路径在奥维地图上布设好像控点的大致位置，像控点采用延线路两侧成对均匀布设，每隔400m～500m布设一对，在路径拐歪处需多布设一到两个点[4]。根据地图显示情况，需要在无明显像控点位置预先布置好像控点，布设像控点时需采用与地面颜色反差较大的材料。并在沿线均匀采集一定的数量的检查点。如图3所示。

图3 像控点布设示意图

4 航拍数据处理及精度分析

航拍数据处理流程如图4。

图4 数据处理流程图

4.1 相机参数获取及影像去畸变处理

大疆无人机的相机为非量测相机，相机镜头存在较大畸变差，如果对相机镜头进行检校需要建立试验场或者到专业机构，而且还要每隔一定的时间要检校一次。检校后的参数随着使用次数增多误差会越来越大，并且该无人机的IMU和POS系统精度不高。通常采用的空三加密处理的inpho软件，在进行加密处理前，需要精确的相机参数、去畸变的影像和精确的IMU/POS数据。

考虑到非量测相机的这个特性，这里采用Pix4d软件对原始影像进行密集匹配处理，不仅能获得精确相机参数，还能得到去畸变的影像和影像精确的IMU/POS数据。

在Pix4d空三处理完成后，得到相应的DSM和DOM成果。

4.2 空三处理及严密平差

Inpho空三处理生产流程主要分为四个步骤。

4.2.1 新建工程

新建工程后，输入相应的工程名和文件保存路径。导入经过Pix4dmapper处理得到的去畸变影像、IMU/POS数据、相机参数和初步空三成果。然后定义航带、编辑控制点文件、输入测区平均高程、建立航带等。

4.2.2 创建金字塔影像

为了提高效率，测区内的每张影像都要创建金字塔影像，金字塔影像主要在像片放大和空三加密的迭代过程中使用，生成的金字塔影像要单独保存。

4.2.3 控制点量测

控制点量测有两种方式：第一种是先手工量测所有的地面控制点，然后启动空中三角测量进行自动连接点提取；第二种是先进行自动连接点的提取，再添加地面控制点。但如果在项目开始前就有大量的地面控制点，可以手工测量测区最外围的4个控制点，这4个点的连线要尽量包住整个测区，平差计算后，预测剩余的控制点，通过微调便可将控制点快速添加完毕。

4.2.4 严密平差

第一次自动提取连接点时要勾选“创建连接点区域后停止”按钮，这样如果空三计算失败或者没有找到连接点时，可以利用连接点区域检查连接点匹配是否成功。

连接点成功提取后，便可以进行平差计算，通过像控点位置说明不断地调整控制点的平面位置和高程，直到计算的控制点平面中误差和高程中误差均小于限差要求，方可导出空三结果。

4.3 外业调绘

首先根据制作的高分辨率的DOM判读可能会影响线路路径的重要地物和交叉跨越等，如果DOM上不能准确判读，或者需要调查地物其他属性的，则需要到现场进行外业调绘。

4.4 三维立体优化选线

将最终空三成果和外业调绘数据引入我公司自主研发的维迈多数据源输电线路航测系统，则可进行三维立体优化选线。

该系统可以根据制作的DSM和DOM生成三维大场景视图，在大场景视图下，确定线路整体路径走向并且优化；然后再根据单模型立体，进行局部优化，确保线路路径方案达到最优。并且大场景和局部三维可以随意切换。

通过设计人员初步排塔定位，能够使路径得到及时优化。采用多窗口模式，把线路路径、采集的地物和排塔坐标信息都放置到共享内存，实现每个窗口及时调用，实现联动协同。每个窗口都可以三维选线、平断面量测，所有窗口都联动塔位预排位窗口，实现全方位、多角度和多维度选线设计。预排塔定位窗口排外完成后，实时反馈到各个数据源窗口，在单立体像对模型和大场景立体模型中，呈现出四边形基础在定位中心，其中心在定位中心，四个角点紧贴地面高程。

根据最终路径方案，再进行人工采集路径平断面图，供电气专业进行排塔设计。

图5 大场景及局部立体与平断面联动

4.5 精度分析

精度分析分为平面精度和高程精度分析，分析数据主要包括野外检查点和地物特征点的数据。检查点统计分析方法是：根据检查点描述的具体位置、航片号、实地照片，在立体模型中找到相应点的位置，并测得这个点的平面坐标和高程，通过与外业实测的坐标差值，可以计算得到平面中误差和高程中误差。

地物特征点检查方法与野外检查点方法类似，具体步骤是：根据可研的线路路径方案，在线路路径中线附近均匀测量相应的地物特征点。然后再根据外业描述情况和位置，在立体模型中采集相应地物特征的坐标和高程，并计算平面中误差和高程中误差。这里依托实际项目长沙东山变220kV送电线路工程，对相应控制点和地物特征点进行统计和分析。控制点和地物特征点的精度统计情况分别见表2和表3。

表2 控制点精度统计表

表3 地物特征点精度统计表

根据以上两个表格统计的平面、高程的中误差，均小于《电力工程数字摄影测量规程》[1]中的精度要求。

5 结论

本文主要介绍了微型旋翼无人机在矿山电力工程中应用的优势以及数据处理的流程和方法。微型旋翼无人机在矿山电力线路工程中能充分发挥其优势，减少人力、物力成本，降低风险。

在线路设计障碍物较多、地形地物变化频繁的矿山工程区域，为电力线路路径优化设计提供最新、高分辨的DEM和DOM，结合维迈多数据源输电线路航测系统可以提供大场景三维立体视图和局部三维立体，为线路选线提供便利。在微型无人机数据处理过程中的关键步骤是获取相机的参数以及未畸变的影像，这样才能保证在后续的空三加密处理过程中获得高精度成果。并且结合实际工程项目，对空三成果进行相应的精度统计分析，成果精度满足电力工程的设计要求。