摘要：雷电作为自然界中影响人类活动的严重灾害之一，不仅会造成人员伤亡，也会给航空航天、国防、通讯、电子工业、化工石油、邮电、交通、森林等行业造成严重的经济损失。无人机航拍遥感技术作为一种空间数据获取主要措施，具备机动灵活、成本低、高危区域探测及影像实时传输等优势，逐渐应用于防雷工作中，防雷领域的应用，尤其在防雷检测方面具有极好应用前景。基于此，本文主要对无人机航拍技术在雷电防护中的应用进行分析探讨。
关键词：无人机航拍技术；雷电防护；应用
1、前言
无人机航拍技术是指借助于通讯技术、飞行器技术、图像技术及GPS差分定位技术共同结合所实现的技术。将无人机航拍技术用于防雷工作中，能够较好处理某些人工防雷工作中没有办法解决的问题，如高塔、坡屋顶建筑外部防雷装置检查、建筑物结构尺寸估测及雷击灾害调查等。
2、小型航拍无人机系统构成
在防雷检测中应用比较多的为小型航拍系统，航拍无人机系统主要由载机平台、飞行控制系统、云台摄像系统及影像传输系统共同组成。
（1）载机平台。载机平台属于无人航拍系统中特别重要一部分。结合环境差异，当前航拍无人机系统载机平台一般可挑选四旋无人机（AEROEVE-650型）或抗风性较好的八旋翼无人机（AEROEVE-1000型）。这种多旋翼无人机是近年来广泛流行载机机型，在实际使用中具备一些优势：机械结构比较简单、噪音小、低速相对稳定、操作便捷，同时对起飞场地要求较低。
（2）飞行控制系统。飞行控制系统主要涵盖飞行控制器、GPS定位系统及姿态传感器构成，能够做到对无人机姿态、高度及航向等参数自动控制。借助GPS定位系统，可让无人机依据提前所设置的航线自主飞行，操作简便，具备较高精度。
（3）云台摄像系统。一般可以利用精度较高数字增稳云台给摄像、摄影设备给予较稳定拍摄平台，确保在相对安全距离下拍摄较清楚图像。在对目标物拍摄中，云台控制器能够对相机旋转及倾斜角实时调整，确保目标位于图像平面中心位置。事实上，云台增稳系统内部配置三轴陀螺仪，采取先进的姿态算法，能在无人机机身姿态做出改变时自动进行反向补偿摄像仪器姿态，确保无人机拍摄画面不受高空强风、大风等外界因素影响。同时可以采用佳能、尼康等分辨率较高单相机或单反相机配合运用，提升拍摄画面清晰度。
（4）图像传输系统。图像传输系统在无人机器航拍系统中起到特别关键作用，能够对摄像设备所拍摄的画面实时回传，为地面实时操作给予重要参考依据。也就是说无人机图像传输系统切实取得“所见即所得”效果。实际运行中，图像传输系统发射频主要采取5.8GHz，这是因为5.8GHz频段在运用中具备3大优势：一是不会对GPS信号产生干扰，确保无人机航拍平稳性和可靠性；二是传输信息量很大，确保影像传输实时性；三是具备2.4g遥控频率优势。
2、无人机航拍技术的应用
虽说当前技术还无法达到借助无人机替代人工直接对建筑物防雷装置检测，但凭借挂载高分辨率照相机、摄像能够对建筑物顶部各类接闪器虚接、倒伏、锈蚀等情况详细观察。从最为直观角度对防雷装置检测，提升检测工作质量和效率，弥补人工检测缺陷。如在某个雷电多发区，借助无人航拍机查看详情，地面对无人航拍机器操控，确保其在某个商业用楼顶部展开航拍操作，凭借航拍图像资料能够发现在该楼虽说在放散管边上装设接闪杆，但接闪杆高度欠缺，会致使被保护物无法获取全方位保护。
此外，在无人机所传输资料中还可知，该区域建筑楼顶部均未布设接闪带。结合我国防雷装置相关规定要求，防雷装置装设无法达到相关标准时，防雷工程不合格。总的来说，利用无人机航拍技术能够对区域建筑物防雷装置展开检测，查看其是否存在缺陷，进而给雷电防护工作开展及完善提供科学合理参考。因而，无人机航拍技术在防雷检测工作具有极大利用价值。
试验采用８旋翼无人机挂载全画幅佳能５Ｄｍａｒｋ３相机，并配合２４ｍｍ广角定焦镜头，视角为８４°，相机有效像素为２２.３ＭｅｇａＰｉｘｅｌ，最高分辨率达到５７６０×３８４０ｐｉｘｅｌ。相机在飞行安全距离５ｍ处的可视范围宽度ｄ＝２×５ｔａｎ４２°≈９（ｍ），平均每厘米分配到的像素个数ｎ＝５７６０／９００＝６.４。在后期图像资料中完全可以分辨接闪器（如避雷针、避雷带）或引下线的使用状况，发现损坏、锈蚀的位置。对于顶部坡度较大，检测人员攀爬存在安全隐患的建筑物，利用无人机进行接闪器的检查可以在保证人员安全的前提下，提高工作效率。
图1为北京市某小区的商业楼顶部的航拍图像，根据ＧＢ５００５７－２０１０中规定该建筑群均属于第三类防雷建筑物。ＧＢ５００５７－２０１０中４.１.１规定“各类防雷建筑物应设防直击雷的外部防雷装置”，４.４.１规定“第三类防雷建筑物外部防雷的措施宜采用装设在建筑物上的接闪网、接闪带或接闪杆，也可采用由接闪网、接闪带或接闪杆混合组成的接闪器”。但是从图中可以清晰地看出，该小区的楼顶均未装设避雷带。此外，屋顶一些放散管旁装设了避雷针，但是避雷针普遍高度不够，放散管的一些位置无法得到保护。
图2为北京市气象局科技楼楼顶避雷针的航拍图像，通过细节照片可以清晰地看出避雷针针尖及其底座的氧化和锈蚀情况，为判断是否需要维修、更换提供了参考。采用航拍的方式获取防雷资料相对于人工获取更为安全、高效，并且在例如避雷针顶端位置的防雷资料，以其他方式是难以获取的。由于试验环境的限制，地面控制端远离被摄避雷针，为保证安全降低风险，无人机未达到最佳拍摄位置，并且本实验采用的广角镜头在实际应用中对被摄物体细节的获取不具优势。如果控制端更接近被摄物体，例如在建筑物顶端平台操作，并且无人机配备更长焦段的镜头就可以达到更好的拍摄效果，获得更具体的细节资料。
图1某商业楼顶航拍图像 图2
4、前景
未来无人机在防雷工作的应用可从３个方面进行，除外部防雷装置的检查和雷击灾害现场的调查外，还可以利用ＧＰＳ系统记录的飞行轨迹进行建筑物结构尺寸的估测。
4.1明敷引下线的检查
在防雷检测工作中，明敷引下线的外观检查，一般只在建筑物顶端和地面附近进行。对于较高的建筑物，引下线中间部分的锈蚀情况人工无法检查，而利用无人机航拍的方法可以快速、准确地获得这些位置的图像资料。此外，无人机记录的ＧＰＳ信息还可以用来估测引下线间距，取代人工应用卷尺测量的传统方法，判断间距是否达到规范要求。
4.2雷击灾害调查
《全国雷电灾害汇编》（以下称《汇编》）是由中国气象局雷电防护管理办公室编写的关于全国各省市雷灾事件的汇编，其中雷击地点的记录是雷击事件记录的重要组成部分（例如，机场、学校、厂房、旅游景点），但对于雷击的具体位置，由于一些区域人工很难取证（如楼顶电梯间、古树顶、建筑物顶端等位置），在《汇编》中也少有记录。如果在雷击灾害调查中可以准确地了解雷击位置，就可以为分析闪电接闪规律和雷电灾害的成因、特征提供数据资料，为雷电灾害预防措施的研究提供参考。利用无人机可以快速地获取雷击区域的图像资料，通过处理和分析高分辨率图像，准确地判断具体雷击位置。
5、结语
利用无人机航拍技术不但可以弥补人工防雷检测缺陷，降低检测工作不安全性，而且还提升了防雷检测工作质量和效率，确保防雷装置安全可靠性。未来还需对无人机航拍技术在防雷检测中应用进一步分析探讨，确保无人机航拍技术优化，推动其在防雷检测工作广泛普及应用，为社会公众提供更加有效的防雷检测服务保障。
参考文献
[1]逯曦，任晓毓，张华明，等.无人机航拍技术在雷电防护中的应用[J].气象科技，2015，（6）.
[2]刘佼，肖稳安，陈红兵.全国雷电灾害分析及雷灾经济损失预测[J].气象与环境科学，2010，33（4）：22-26.
论文作者:万超,王俞
论文发表刊物:《电力设备》2018年第17期
论文发表时间:2018/11/13
标签：无人机论文; 防雷论文; 航拍论文; 建筑物论文; 雷电论文; 技术论文; 图像论文; 《电力设备》2018年第17期论文;