无人机倾斜摄影技术的应用

文/陈科羽 陈凤翔 曾华荣 石书山

由于输电线路逐年快速增长、输电线路人工巡检效率低等问题，过去两年电力系统输电线路巡维计划完成情况不理想，尤其是地处山区的贵州，近两年主网线路差异化运维巡视计划都未完成，无法全面做好线路运维工作。在诸多巡维工作中，架设在山地环境的架空输电线路通道巡视尤其困难，树障隐患严重危害设备健康水平，成为引起跳闸的主要原因之一。近年来，随着无人机行业和相关测绘技术的高速发展，贵州电网输电线路运维逐步进入机巡为主的全新模式。

目前无人机倾斜摄影技术在电力行业开始应用，前期采集后加以处理快速生成通道三维模型及危险点分析报告，已成为架空输电线路通道巡视的一种重要手段。但是，行业内的倾斜摄影系统重量大、价格贵、操作复杂，仍以高性能无人机为载体，无法推广至输电线路运维班组，一线巡视人员无法开展倾斜摄影通道巡视工作，不能快速掌握准确的线路通道实时动态。因此本文主要从微型无人机倾斜摄影技术的技术路线、适用范围和处理系统等方面进行讨论研究，提出两种微型无人机倾斜摄影系统，对进一步提高倾斜摄影技术在电网输电线运维中的实用程度及普及力度提出建议和参考。

1 目的及背景

广义的倾斜摄影技术指通过无人机搭载一个或多个高清可见光摄像头，在被测物体正上方同时以不同的倾斜角度采集影像，后期结合每张影像图片的POS（经纬度）信息，通过影像处理软件进行空三解算后形成实景三维建模。目前常用设备是由一个垂直、四个倾斜五个不同的传感器组成的五拼相机或者两个不同角度放置的微单相机，通过轻型固定翼或多旋翼无人机搭载进行航测。由于飞行高度及电力线的线性结构，高像素的五拼相机采集的倾斜式摄影数据也无法还原出导线三维模型，数据分析人员需要通过在同时拍摄的多角度照片中选取控制点确认导线走势，描绘出相对真实的导线位置，这种分析手段通过一定人工干预后得到的线路和树木相对距离满足巡视要求精度，符合架空输电线路通道巡视要求。

但是，多相机的倾斜摄影数据采集设备价格贵、重量高、数据量大，且需要较大的无人机搭载，导致前期采集时设备在山区运输组装难度大，后期数据处理时间长，影响通道巡视效率。目前电力行业对于轻量化、价格实惠、操作简便的无人机倾斜摄影系统需求迫切。贵州电网机巡作业中心在作业中将微型无人机挂载高清单镜头相机，从输电线路通道两侧正上方以一定的重叠率飞行两条航道，以垂直角度朝下拍摄两条平行航道的倾斜摄影数据，同时导入影像处理软件进行处理，生成线路通道的树障危险点分析报告。

2 微型无人机倾斜摄影系统

2.1 微型多旋翼无人机倾斜摄影系统

贵州电网用于倾斜摄影数据采集的多旋翼无人机主要为大疆精灵系列，如图1所示。其优势在于经过市场及行业用户长时间验证，飞行性能及工作稳定性较好，再加之对起降点环境要求较低、续航能力适中且价格便宜，是作为飞行平台的优质选择，利于大范围推广至班组一线使用；精灵系列无人机自带高清可见光三轴增稳云台，在安全飞行高度采集的图片质量满足倾斜摄影处理要求；开放地面控制站开发权限，目前市场拥有多种针对该机型的电力定制化自动飞行软件，可全面实现智能化通道巡视。

微型多旋翼无人机倾斜摄影系统主要包括飞行器平台、可见光云台、飞行控制系统及地面控制站，作业人员在巡视作业出发前应提前准备好巡视线路走向、交叉跨越情况、运行参数、以及线路周边的环境情况等资料，然后将所需巡视杆塔段的坐标存导入地面控制站内。在完成无人机外观检查和通电检查后，对定时拍照时间、照片比例、飞行高度及作业杆塔在飞行软件中进行设置，如图2(a)所示，确保其分辨率满足倾斜摄影要求后自动规划飞行任务，预览航线无误后，下达任务并执行任务，如图2(b)所示，飞机将自动起飞并沿规划好的航线自动飞行并作业。在飞行过程中，如遇到影响飞行安全或数据采集质量的状况，可通过遥控器切回手动控制权，空中进行任务重规划或手控回航降落。

2.2 微型固定翼无人机倾斜摄影系统

图1：大疆精灵系列无人机

精灵系列无人机用于倾斜摄影作业，每个主网线路巡检组日平均效率为10公里，虽对比人工巡视大大提升但仍远低于固定翼无人机，而轻、小型固定翼体积重量大、结构复杂，飞行作业高度多在真高200米以上，对于操作人员及作业空域要求高，导致飞行作业难度偏大。现今微型固定翼无人机在电力行业的应用处于起步阶段，主要应用于电力走廊的视频快速巡航及近距离灾情普查。通过市场典型的微型固定翼无人机和小型高清可见光相机性能参数分析，与输电巡检工作实际运用中的微型多旋翼无人机及轻型固定翼无人机倾斜摄影系统对比，Parrot Disco无人机通过一系列改造，可满足输电线路倾斜摄影作业，且效率达到精灵系列的3倍以上。

（1）从飞行器平台分析，Parrot Disco重量仅为750g，如图3所式，在搭载官配容量电池时可以飞行45分钟，飞行速度在23～80km/h之间，抗风等级为5级，满足贵州山地环境作业要求。

（2）从任务载荷分析，须保证采集数据的质量满足倾斜摄影技术要求，将无人机自带的鱼眼相机改造为2010万像素的SONY QX1微单相机，如图4所示，动力电池升级为3S 3300mAh锂聚合物电池，可保持其续航能力不变，且采集数据的质量满足倾斜摄影技术要求。

（3）从飞行控制系统及地面控制站分析，整个飞行过程要求安全、高效、智能，任务执行过程需要对重叠率80%的两条航带进行作业。Disco的飞行控制系统基于国际通用飞控APM（Ardu Pilot Mega）开发，是一种可供用户定制开发的开源系统，将输电线路倾斜摄影任务规划模块在飞行控制系统及地面控制站中进行简单的二次开发，即可实现微型固定翼无人机倾斜摄影系统的合理化运行。

2.3 微型无人机倾斜摄影系统作业航线

微型无人机倾斜摄影系统作业的航线由两条平行航线组成，其形状主要由重叠度及GSD（地面分辨率）来决定。同一航线上两相邻照片的重叠比例称为航向重叠度，相邻的两条航线之间的相邻照片的重叠大小称旁向重叠度；GSD是指照片每一个像素点对应实际地面的尺寸长度。

图2

图3：Parrot Disco固定翼无人机

图4：SONY QX1微单相机

航空摄影测量作业一般规定航向重叠度标准为65%，旁向重叠度标准值35%，但此类标准值对于飞行器飞行作业稳定性及定位精度要求极高，仅适用于载人飞行器或大型无人机搭载专业多拼倾斜摄影相机。贵州电网根据作业效率、相片连接稳定性等指标不断试验测试，最终验证微型无人机倾斜摄影系统的两个重叠度设置80%时，作业效率及照片效果最优。

在国家空中交通管制委员会2018年起草的《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例（征求意见稿）》规定中将此类无人机适飞空域真高上限确定为120米。结合山区环境输电线路起伏较大的走势，确定在此飞行高度范围内，GSD在3-4cm时照片质量最佳，可清晰显示出杆塔及导线图像。

根据以上两点，结合微型无人机倾斜摄影系统在相片比例3：2时像素最佳，对应系统所配置的可见光相机各项参数，并根据公式：

可计算出相对航高在110米左右时飞行作业高度及地面GSD满足要求。

3 倾斜摄影数据处理系统

利用微型无人机倾斜摄影系统完成数据采集后，巡检人员将倾斜摄影照片按照每个架次为单位整理为若干文件夹，并逐一导入倾斜摄影影像处理软件，利用GPS平差及影像匹配技术，解算影像空中位置和姿态，实现电力线通道地表高精度三维重建，获取输电线路通道高密度点云模型；随后将空三模型导入树障分析软件，数据分析人员在系统的辅助中半自动提取电力线以及电力线弧垂，随后通过计算地表三维点云与电力线之间的空间距离，自动识别电力线通道内的障碍物，生成通道危险点分析报告，为输电线路通道检修及树障清理工作提供高精度数据支持，其整个运行流程如图5所示。

目前全球应用最广泛的无人机倾斜摄影照片数据处理软件为ContextCapture和Pix4D两种，但ContextCapture在模型效果理想，人工修复工作量低的同时，操作也相对复杂，不易上手。同时，该软件最大缺点在于空三模块成功率不高，导致后续建模失败。Pix4D通过无人机获取的影像自动处理剘影像内容，并利用其生成高质量的三维立体模型，该软件安装方便、操作简单，但输出格式相对较少、模型精细程度只属中等，并且后处理工作量相对较大。

此类软件电网都不具有自主知识产权，推广应用成本较高，现有软件数量无法满足贵州电网所有倾斜摄影数据处理。故贵州电网总结此类软件使用过程中发现的不足及更优目标，结合输电线路通道巡视专业化需求，通过项目开发更加优化的、具有自主知识产权的倾斜摄影数据处理系统。如本文使用的贵州电网定制软件PowerMatrix V2.0，目前已完成二阶段研发，相对于第一阶段，在空三解算部分增加了无控自由网平差解算，在导线匹配部分增加了基于核线影像匹配的电力线特征提取算法，在三维点云部分优化了点云的匹配精度，大幅降低了飞点的产生。根据各单位对倾斜摄影技术在输电线路通道巡视中的需求，进一步改进完善后布设至输电线路一线班组。

4 实验结果精度评价

贵州电网机巡作业中心利用经纬仪、激光测高仪、绝缘绳测量等多种传统测高方式对微型无人机倾斜摄影系统生成的报告中的近百处树障危险点进行了验证，本文列举220kV索嵩Ⅰ、Ⅱ回线2018年1月重大缺陷净空距离核实情况如表1所示，结果表明树障距离测量精度亦满足输电线路通道巡视要求。故利用微型无人机单镜头进行倾斜摄影可以在保证数据质量的情况下，减小单台设备投入成本，增加巡视及数据处理效率，并将该技术推广至班组级应用，提高该项技术的适用范围。

表1：220kV索嵩线2018年1月树障核实表

图5：倾斜摄影数据处理系统运行流程

5 多无人机协同应用模式

倾斜摄影技术在输电线路通道巡视中的应用模式建议按照“两主三同步”的模式进行，即以班组开展为主，使用常规配置的微型多旋翼无人机为主，微型固定翼无人机倾斜摄影系统同步推广，机巡作业中心同步配合，高性能无人机同步开展。随着遥感测量技术高速进步并大量推广至电力行业，倾斜摄影逐步朝着普及化、轻便化、智能化方向发展，班组一线巡视人员可快速掌握通俗易懂的操作流程。以班组开展为主既可保证线路实际运维人员快速核实日常巡维过程中发现的疑似树障区段，又可在所辖区域分布式、大面积开展倾斜摄影通道巡视；使用常规配置的微型多旋翼无人机为主可实现无人机设备合理化利用，减少资源浪费；微型固定翼无人机倾斜摄影系统同步推广使得新技术、新思路在生产工作中不断得到论证、发展，并稳步提升工作效率；最后，机巡作业中心根据实时计划完成情况及各地区实际需求，利用未配置到班组的高性能无人机作出有效补充。

以贵州电网为例，按照南网“每350公里110kV及以上输电线路3架无人机”的配置建议，截至2018年中旬贵州电网共配置482台多旋翼作业无人机到各输电班组，其中精灵占比达80%以上，24个主网线路运维班组可达到每个班组3架精灵4 Pro微型作业无人机；输电线路机巡作业中心目前装配了1台垂直起降固定无人机。根据“两主三同步”的建议原则，通道倾斜摄影巡视可采用如下模式：

（1）根据差异化巡视计划，各输电运维班组在年度首次无人机正常巡视过程中梳理疑似树障区段，形成输电线路树（竹）林多生区台账，班组利用精灵4 Pro微型多旋翼无人机倾斜摄影系统对这些线路区段进行一次通道巡视，并完成树障清理工作；

（2）机巡作业中心对本文微型固定翼无人机倾斜摄影系统进一步验证改进，达到实用化后形成科学合理的作业规范，指导班组运维人员使用新设备，推广配置到生产班组，并在生产实践工作中不断完善作业体系，提升工作效率；

（3）机巡作业中心利用直起降固定无人机倾斜摄影系统主要对关键重要线路、风险线路和保电线路的全线倾斜摄影巡视，必要时对其进行数字化建模，把握特维特护线路实时动态，并进行可视化管理。

6 结语

输电线路通道巡视的核心是找出与导线距离过近的树障隐患点，而倾斜摄影正是快速准确测量距离的一种遥感测量方式。本文论述了两种微型无人机倾斜摄影系统在输电线路通道巡视方面的技术路线和应用可行性，并提出了多种无人机协同配合的技术应用模式。这种模式的优点在于减少了倾斜摄影技术应用成本，使得线路运维单位更加高效、高质量的完成输电线路通道巡视，提升线路健康水平；同时扩大了新技术在电力行业的应用范围，以先进技术确保输电线路的健康水平及供电可靠性。