无人机技术在电力勘测设计中的工程应用研究

于君（中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西 太原 030001）



无人机技术在电力勘测设计中的工程应用研究

于君（中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西 太原 030001）

1　引言

随着信息化、工业化、城市化进程的发展，电力能源的需求深度和广度逐步延伸，电力传输网络作为连接电力生产环节与用户的纽带在智能电网中具有重要作用，其中长距离输送电线路的勘察测量和规划设计成为了保障电力能源安全稳定输送的关键环节，电力勘测设计成为了电网建设的重要组成部分和运维基础。

电力勘测设计不仅包括电力生产、传输等环节的区域地质测量和勘察，而且涵盖电力设施（供电、配电等）的设计和规划。电力勘测设计是电力建设的基础，其奠定了电力行业的良性健康和持续发展。

2　电力勘测关键支撑技术

由于长距离输送电线路一般位于人烟稀少、偏僻且交通不便的地区，其勘察测量存在较高的危险性和技术难度，因此，电力勘测关键支撑技术成为了保障勘测任务的重要手段。

（1）全球定位系统（GPS，Global Position System）

GPS技术最初源于美国军方于1958年研制的子午仪卫星定位系统（Transit），并由美国联合计划局于1988年修改形成了GPS卫星工作模式，即：21颗工作卫星和3颗备用卫星围绕地球形成互成60度的6条运行轨道。以GPS导航系统为例，其包括三个部分：地面控制（主控站、地面天线、监测站、通讯辅助系统）、空间部分（24颗卫星分布于6个轨道平面）、用户装置部分（GPS接收机、卫星天线）[1]。

2000年10月31日中国第一颗北斗导航卫星成功发射[2]，我国开始逐步建立北斗卫星定位系统（BDS，Bei Dou Navigation Satellite System）。2013年12月27日，北斗卫星导航系统正式提供区域服务一周年新闻发布会在国务院新闻办公室新闻发布厅召开，正式发布了《北斗系统公开服务性能规范（1.0版）》和《北斗系统空间信号接口控制文件（2.0版）》两个系统文件[2]。BDS具备了区域导航、定位和授时能力，定位精度优于20m，授时精度优于100ns，实现了继美国全球卫星定位系统（GPS，GlobalPositioning System）和俄罗斯全球卫星导航系统（GLONASS，Global Navigation Satellite System）之后，自主知识产权的全球定位技术突破。

RTK（RTK，Real Time Kinematic）是一种基于载波相位动态实时差分方法的实时动态GPS测量技术[3]，该技术能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，可达到厘米级的精度，因此该技术有效提高了电力工程地形勘测效率和准确度。

（2）遥感系统（RS，Remote Sensing system）

RS技术是通过人造卫星上的遥测设备实现了远距、非接触探测功能，其利用物体自身所特有的电磁波信息（电磁场、地震波等）进行探测，可实施感应遥测和资源管理等探测监控分析。一个完整的遥感系统包括信息源（探测目标自身所反射、吸收、透射及辐射电磁波）、信息感知（利用遥感探测装置获取目标电磁波）、信息处理（通过光学理论、计算机技术对遥测数据进行校正处理和解译呈现）、信息应用（将遥感信息与应用领域相结合形成个性化信息挖掘、信息可视化等）。RS技术具有观测面积广阔、数据时效性强、数据信息量全面、受限因素少等特点，因此经常应用于应急灾害监测、农业态势监测、环境污染监管、电力勘测设计等领域[4]。从地理信息数据获取方法角度而言，GPS关注地理位置数据，而RS获得的是地理本身特征数据。

图1　卫星遥测图像

如图1所示，采用民用高分辨率立体测绘卫星遥测数据与Google Earth、百度等卫星遥测数据相结合以提高图像分辨率，同时融合GPS技术可实现在电力勘测工程阶段的应用设计[5、6]。

（3）地理信息系统（GIS，Geographic Information System）

GIS技术依托计算机技术（如多维数据存储、分布式系统架构、数据高速传输等）、地理数据处理方法（如空间分析技术、环境数字化与模拟技术、大数据可视化技术等模型算法），实现了地理信息数据的综合应用，其功能包括数据格式解析处理、数据存储挖掘、数据展示呈现、数据分析应用等[7]。

GIS技术数据来源包括GPS数据和RS数据，这些数据包括了空间位置属性（经纬度、相对位置与绝对位置等）、属性表征信息（土壤材质、长度宽度等）和时间变化特征（记录时间、测量时刻等）。GPS数据和RS数据蕴含着巨大的信息量和分析价值，结合电力勘测设计需求对上述数据信息的充分挖掘和科学融合是GIS技术应用的技术难点和价值点。

3　无人机勘测技术及数据处理方法

无人机（UAV，Unmanned Aerial Vehicle）是通过无线电遥控装置或者预先设定巡航程序操纵控制的无人驾驶飞行器。UAV最初用于军事靶机应用（地面防空或者空战训练等），随着航空技术的发展，逐步在航空材料、续航能力、承载重量、航线控制、远距通信、抗干扰等方面有了提高，并提升了图像数据的传输速率及传输质量[8]。

如图2所示，典型的航测无人机由设备机身、动力引擎、自动驾驶仪、信号天线等构成。动力引擎包括电动模式和油动模式；航行起落包括抛掷模式、弹射模式、直升模式等方式。无人机的发射和回收可根据所处环境，适用于多种承载平台（地面、车辆、舰船、航空器、亚轨道飞行器和卫星）。为了保证航测的准确性，可以实时跟踪监测航行高度和航行方向并且及时调整其所搭载的航摄装置、GPS设备等测绘仪器[9]。

图2　无人机（UAV，Unmanned Aerial Vehicle）

较卫星遥测（RS）而言，无人机勘测技术具有人力物力资源集约化、勘测手段方式灵活、数据获取及时、数据处理自主化、勘测目标适应性强、外部环境影响因素少等特点。在恶劣紧迫的电力勘测抢险环境中，可以采用在云层下方低空飞行的方式，该方式合理规避了云层遮挡等环境因素导致的图像模糊、航拍空洞、数据异常等问题[10]。无人机勘测技术可以实现“一村一图”、“百镇千村测图”的精准电力勘测大数据资源。

随着能源存储技术和光学技术的发展，无人机可以在更大区域内实时捕获更高分辨率的图像[11、12]。无人机勘测与GPS技术、GIS技术的相互融合可以更加便于进行三维数据的控制采集和处理分析。由于其飞行高度低，因此图像分辨率可以达到二厘米至五厘米级；无人机勘测周期可以按照小时计算，大大优于传统方式的几天甚至几个月[13、14]。

无人机勘测技术在电力勘测设计工程实践中的应用价值正在逐步突显，然而在实际工程应用中仍有相关技术环节需要特别注意：在电力工程航测前须对图像采集装置进行校准（焦距、像元大小、主点偏移等）；尽量采用较高的定位精度和定姿精度；图像数据应采用TIFF 格式（文件扩展名为.tif或者.tiff等），该格式图像文件可以显示上百万种颜色，较GIF或者JPEG格式图像文件而言，其在压缩过程中能够保存的信息量更完备。

通过无人机航拍获得的图像数据，需要选择相应的工程图像处理软件进行畸变校正、空三加密、正射纠正、镶嵌匀色等一系列后处理环节进行分析处理。无人机勘测数据处理方法如下：

（1）对无人机勘测图像数据进行几何畸变校正[15]，几何畸变主要来自传感器自身性能指标偏移和外部因素（无人机的姿态、高度、速度以及地球自转等）导致的勘测图像数据的扭曲、拉伸和偏移等。

（2）导入无人机勘测数据影像（航线方向、飞行高度、焦距像素、航带间重叠度等），调整勘测区并形成POS数据信息（该数据包括数据编号、图像采集时间、经纬度、飞行高度、飞行姿态数据、航向等）。

（3）导入无人机勘测设备参数、数据影响及POS数据信息，采用逐层放大的近似高斯滤波器对输入影像的积分图像进行重采样操作（双线性插值、最临近像元法、三次卷积法）形成影像金字塔。金字塔从底层开始将每四个相邻的像素重采样生成新的像素，重复迭代直至金字塔的顶层。三种重采样的方法中最临近像元法速度最快，三次卷积法由于需考虑参考点数较多、运算较复杂等原因导致速度最慢,但是其处理后图像的灰度效果较好。

（4）通过空三加密对具有重叠的无人机勘测影像进行自动匹配连接点，获取每张影像的相对姿态位置并使得自动匹配的连接点在整个测区具有密集的分布。

（5）基于空三成果形成匹配3D点云，其密度可达到一个像素一个高程点，进一步将提取的数字表面模型（DSM，Digital Surface Model）/数字地面模型（DTM，Digital Terrain Model）进行彩色化、镶嵌匀色等操作流程后可形成勘测地理图像[16]。

（6）利用立体匹配片原理将正射影像（DOM）和数字地面模型（DEM）有机地结合，就可以建立具有量测功能的三维可视化立体模型。建立大场景三维立体模型，在三维可视化环境中选线，使设计人员更容易进行地形、地物、地貌的判读。

4　结语

电力建设在国家战略规划、区域经济发展、行业基础支撑等方面具有关键性作用，其工程勘测设计的手段和方法起到了重要的辅助功能。无人机勘测技术体现出了科学技术发展所带来的高效性和便捷性。随着新技术、新模式、新需求的提升，群体智能控制理论、大数据挖掘技术、互联网技术将逐步渗透并为电力勘测技术注入新鲜且持续的发展动力，新测试测量方式和整体解决方案将赋予电力勘测全新的机遇和挑战。

参考文献：

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于君（1985-），女，河南周口人，工程师，硕士，现就职于中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，主要研究方向为智能电网技术、电力勘测设计技术。

摘要：伴随着光学技术、航空技术、地理信息技术的发展与应用，电力勘测技术也由传统的卫星遥测逐步向无人机勘测阶段探索实践。本文首先介绍了电力勘测技术中“3S技术（GPS技术、RS技术、GIS技术）”，然后探讨了无人机（UAV）技术的特点与优势，分析了UAV技术在电力勘测设计中的价值作用和工程应用，并讨论了无人机勘测数据处理流程方法。

关键词：电力勘测技术；GPS技术；RS技术；GIS技术；无人机勘测技术

Research on Engineering Application of Unmanned Air Vehicle Technique in Electric Power Survey & Design

Abstract:The traditional satellite telemetry has been changed to the UAV(Unmanned Air Vehicle)technique in electric exploration and design,with the development and application of optical technology,aviation technology,and geo-information technology.The article first discusses “3S technology(global positioning system,remote sensing,and geographic information system)”,and the advantages and characteristics of UAV technique has then been discussed.The application value and function of unmanned air vehicle technique has been analyzed,UAV exploration data processing methods were also discussed.

Key words:Electric power survey & design; GPS technique; RS technique; GIS technique; Unmanned air vehicle electric power survey & design

作者简介

文献标识码：B

文章编号：1003-0492(2016)02-0080-03

中图分类号：TP242.6