摘要：本文首先介绍了近年来小型无人机在输电线路工程的应用现状，对急需解决的问题提出了解决方案，然后通过一系列工程航测实验进行可行性验证，同时对无人机航测整个流程进行论述，相关解决方案可在其他输电线路工程中进行推广应用。
关键词：输电线路：无人机航测；平断面
一、引言
输电线路工程是跨越大地理区域的工程，具有明显的地理特征，在进行输电线路设计时，为了选取安全、经济、合理的路径走向和杆塔位置，测绘与地理信息技术的应用十分重要。
随着数据采集技术的进步以及遥感技术的发展，利用航空飞行器，特别是小型无人机快速获取有效数据已经成为可能。当前，无人机航空摄影测量技术在我国航测遥感领域蓬勃发展，已广泛应用于农业、林业、水利、国土资源、交通等国民经济各领域，是国家测绘局重点推广支持的科研新技术。随着需求日益增大和技术设备日趋成熟，该技术应用于输电线路设计已取得初步成效。因此，为进一步深化应用并服务于坚强智能电网建设，有必要进行无人机航空摄影测量应用技术的研究探索。
随着我国现代化建设进程加快，工业与民用电量不断增加，电力工程建设力度也随之加强。除超高压、特高压和跨区电网等大型工程快速建设外，一些局部改线、π接或T接线路、换流站接地极线路工程也越来越多，此类工程规模虽小、路径较短、但工期要求特紧。如采用常规工测技术，不仅劳动强度大、作业周期长、生态环境破坏大，而且无法满足整体电网工程的信息化建设及智能电网建设的长远要求；如采用传统航测技术，由于空域管制办理手续繁琐、机动性差，导致周期较长、成本较高。然而，近年来随着无人机、数码相机技术及无人机航测数据处理软件的快速发展，无人机航测技术已基本成熟，正好符合了这一要求，因此，在输电线路工程设计中，无人机航测技术必将得到广泛的应用。
二、研究背景
近年来，一是输电线路可研阶段工作越来越细，时间越来越紧，需要投入大量的人员和精力；二是高电压等级线路终勘时，往往由于各种不确定因素，导致线路路径发生变化，部分路径会偏出航带，此时若采用传统航测或者激光雷达技术，都需要较长的数据采集时间，不能满足工程需要；如何在较短时间内获取有效数据且数据精度满足要求，将是一个急待解决的问题。在输变电工程中，无人机一般用于通道走廊论证，线路巡检等，大多是定性研究，在站址测量、线路测绘等定量方面应用很少，本研究是在定性研究的基础上探索定量研究的方法，将小型无人机应用于输变电工程定量研究，辅助于变电站、升压站等厂址测量、输电线路平断面测绘等。特别是工程紧的变电站厂址测量，能大大减少外业工作量，提高工作效率。
随着GPS和摄影测量与遥感技术在电网工程勘测设计工作中的广泛应用，我国的电网勘测设计的精细化程度和效率有了显著的提高，作业模式也发生了深刻的变化。目前，在220kV及以上电压等级的输电线路工程勘测设计中，利用航空摄影测量数据或者机载激光雷达数据进行线路路径优化和定线、定位测量已经成为常态。但是，上述两种数据采集手段存在以下问题：一是受天气条件制约很大，符合飞行和摄影标准的天气很少，在我国西南地区或者空气污染严重的局部地区甚至整年都等不到合适的天气；二是常规航空摄影和机载激光雷达都受严格的空中管制，常常因为不能及时取得批文而影响工程进度；三是常规航飞和激光雷达的费用都较高，限制了应用范围和深度，目前在短距离输电线路和发电、变电工程中基本不采用航空摄影测量或者机载激光雷达手段。
目前，国内无人机主要运用在输电线路巡检，大多用于定性研究，拍照摄像取证等，且所用无人机大多是工业级无人机，价格较昂贵，费用高。目前小型航拍无人机在输变电工程中做定量研究较少，若本研究成果理想，将会在行业内得到广泛应用。
三、研究内容
本研究是利用小型无人机平台，搭载高分辨率相机，采集地面图像数据，辅以若干地面控制点，制作出数字地表模型和数字正射模型，可应用于地形图测绘和输电线路平断面测绘等。
本研究共有三个目标：一是研究如何快速获取输电线路走廊视频影像资料，可用于内外业数据检查、施工公证等；二是探索如何利用小型无人机平台获取数据，制作1：1000地形图的技术方案和作业流程；三是研究如何利用成果数据进行输电线路平断面测绘。
四、技术方案与作业流程
小型无人机航空摄影流程与常规航空摄影流程基本一致，但又与常规航空摄影测量有所差别，需特别注意以下事项：
（1）航带设计：根据成图比例尺，确定影像地面分辨率（Ground Sampling Distance，GSD），确定航片摄影比例尺和飞行高度，根据航向旁向重叠度设计，确定基线距离和航线距离；
（2）选择起降场地：根据测区地形条件、通讯距离选择合适起降场；
（3）飞行前检查：确定航时，航程，进行飞行架次设计；检查空速、通讯、电源、电压、相机、图传等；
（4）飞行监控：1.对航高，航速，以及飞行轨迹的监测；2.对电池消耗量进行监控及评估；3.随时检查照片拍摄数量；4.检查通讯连接状况。
（5）数据检查：数据备份下载，检查曝光点数据，更改影像文件名，检查叠片率，检查飞行轨迹，检查重叠度，检查飞行姿态，确定姿态正常，有无摄影漏洞。提交数据成果到后工序。
图1 小型无人机数据采集及处理流程
4.1 输电线路走廊影像视频资料获取技术方案
输电线路走廊视频资料获取可按以下方案进行：首先根据转角对线路进行分段，将整条线路分成若干小段；其次，按分段沿线路方向进行航飞，边飞边录像，飞行高度根据所需视频范围以及清晰度确定；最后将所有视频资料按转角编号分类，方便后续查阅。
输电线路走廊影像资料获取可按以下方案进行：若仅需图片资料，可同视频资料获取方案一致，只是将录像模式改为拍照模式；若需要制作成正射影像，则需按照正射影像制作流程进行。
4.2 制作1：1000地形图技术方案
该方案主要包括三个部分：
（1）数据获取方案，可按上述小型无人机数据采集及处理流程进行，不过需要注意以下几点：一是飞行高度，设置在100米至150米航高范围内，航高过低则数据量大，内业处理时间较长，航高过高则影响数据精度，不能满足1：1000地形图精度要求；二是地面控制点宜选择标靶，飞行前将标靶放于指定位置，标靶宜采用水平间隔放置，间距可根据测区大小确定，一般以100米左右间距为宜。
（2）数字地表模型和数字正射模型制作及矢量化，目前，无人机航飞数据处理软件较多，比较知名的有Inpho、Pix4d Mapper以及photoscan等，这些软件各有优缺点，但数据处理流程基本一致。本文采用Pix4d Mapper来进行数据处理，这款软件自动化程度较高，且无需进行相机检校，特别适合于处理消费级小型无人机相机获取的影像。
在测绘画图软件中对测区地物进行矢量化，高程点可通过数字地表模型提取。
（3）外业调绘与补测，对高层房屋、树下高程、树种以及其他影像难以识别地物进行现场调绘与补测。
4.3 输电线路平断面测绘技术方案
输电线路平断面测绘技术方案同地形图测绘方案类似，不同点在于：（1）数据采集时航线设计为条带状，需保证各航带间有重叠区域；（2）地面控制点可现场采集也可飞行前制作，标靶间距可按每800米到1000米一组两个标靶；
图6 安徽某220kV变电站1：1000地形图
3、安徽某输电线路工程优化选线，路径长度约26公里。
图9 平面检查点对比图（部分）
六、成果与总结
本研究分别就输电线路走廊视频影像资料获取、1：1000地形图制作、输电线路平断面绘制三个方面进行了深入的探索，得出了三套行之有效的技术方案和作业流程，且在工程实践中取得了良好的效果，解决了具体的工程问题，节约了大量的人力和物力成本，可推广应用于其他输电线路工程。
通过多个工程实践，我们也发现了些问题：对于地形图绘制，由于获取的数据为数字地表模型，所以对于植被茂密地区，高程误差较大，且跟随树高变化，较难处理，故植被茂密地区，不推荐使用小型无人机进行数据采集；在输电线路平断面绘制方面，由于小型无人机与专业航测平台相比，在续航方面有较大差距，这直接影响航测的作业效率，以大疆精灵系列为例，在理想航高下，一个飞行架次飞行范围大概约0.5平方公里，在通常光照条件下，一天的飞行的架次一般不超过10个，所以难以完成较大区域的航测成图。因此，小型无人机航测适用于较小测区（输电线路长度30公里以内为宜）或作为传统航测的备用手段。
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[5]小型无人机航测技术在水利工程中的应用[J].蔺全奎，李伟哲.西北水电. 2016（05）
论文作者:郑大鹏
论文发表刊物:《防护工程》2018年第32期
论文发表时间:2019/2/21
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