无人机航测系统可行性分析

无人机航测系统可行性分析陕西省电力设计院2014-08-18无人机航测系统技术说明随着我国经济的快速发展，对电力能源的需求日益增大，与之相应的电力工程建设的力度也在不断加强。目前我国的电网规模已经超过美国，居世界第一。已经建成东北、华北、华中、华东、西北和南方共六个跨省区电网，其中110KV以上的输电线路超过51.4万公里，而500KV输电线路已成为各大电网的主力。由于我国国土辽阔，地形复杂，平原少，丘陵及山区较多，气象条件复杂，对于特高压和跨区电网等大型工程的初期规划建设，到建成后的日常巡查维护，现有的常规测试和检查手段已不能满足其快速高效的要求。而随着自动控制技术、GPS定位导航技术、航空遥感测绘技术以及无线电通信等技术的发展，无人机的使用已从军事领域拓展到许多民用领域，如地形测绘、灾情监测、林业调查、农作物监测等。其中利用无人机航空摄影测量能够搞笑完成电力建设规划及巡查任务。1.无人机摄影测量技术概述无人机(unmannedaerialvehicle)是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。近年来地理空间信息技术取得了飞速的发展，尤其是灵活机动、具有快速响应能力的轻小型航空，更是在最近几年迅速成长，成为航空遥感领域一个引人注目的亮点。无人机航测技术体现了无人机与测绘的紧密结合同时也提供了更高效的测绘方式。经实验证明，无人机航测技术完全可以达到1:1000国家航空摄影测量规范的要求。1.1无人机航测特点由于航空遥感平台及传感器的限制，普通的航空摄影测量手段在获取小面积、大比例尺数据方面存在成本高、性价比差等问题。具有低成本和机动灵活等诸多优点的低空无人机遥感能在小区域内快速获取高质量遥感影像，是国家航空遥感监测体系的重要补充，是航空遥感的未来发展方向。在当今卫星遥感和普通航空遥感蓬勃发展的形势下，轻小型低空遥感是粗中细分辨率互补的立体监测体系中不可缺少的重要技术手段。低空无人机遥感系统，作为卫星遥感与普通航空摄影不可缺少的补充，它有如下优点：无人机可以超低空飞行，可在云下飞行航摄，弥补了卫星光学遥感和普通航空摄影经常受云层遮挡获取不到影像的缺陷；由于低空接近目标，因此能以比卫星遥感和普通航摄低得多的代价得到更高分辨率的影像；能实现适应地形和地物的导航与摄像控制，从而得到多角度、多建筑面的地面景物影像，用以支持构建城市三维景观模型，而不局限于卫星遥感与普通航摄的正射影像常规产品；使用成本低，无人机体形小,耗费低,对操作员的培养周期相对较短。系统的保养和维修简便,同时不用租赁起飞和停放场地，可以无需机场起降，因而灵活机动，适应性强，容易成为用户自主拥有的设备；回避了飞行员人身安全的风险；比起野外实测而言，无人机航测方法具有周期短、效率高、成本低等特点。对于面积较小的大比例尺地形测量任务(10-100km2)，受天气和空域管理的限制图3Trimble无人机系统飞行任务设计图4Trimble无人机系统飞行规划图5Trimble无人机系统飞行操作与控制（2）数据后处理软件TrimbleBusinessCenter（TBC）摄影测量模块该软件提供简易、直观的数据处理流程，用于原始数据的处理，提取各种成果数据，如正射影像、数字高程模型（DEM）、KML格式数据、3D模型数据以及点云数据等。图6Trimble无人机系统后处理软件TBC摄影测量模块——输入导入图7Trimble无人机系统后处理软件TBC摄影测量模块——地面控制点识别图8Trimble无人机系统后处理软件TBC摄影测量模块——生成正射影像图9Trimble无人机系统后处理软件TBC摄影测量模块——生成数字表面模型（点云）2.2Trimble无人机系统的特点与优势作为全新一代的无人机航空摄影测量测量系统，具有以下特点与优势：1.云下自主飞行，作业航高在75~750m。2.操作简单、方便快捷、快速高效3.自动化数字图像处理4.中小区域测图，地面采样间隔（GSD）达到2.4cm5.高频率、多时相扫描拍摄覆盖整个测区，全自动地采集高分辨率原始数字图像，并且每条航带上的数字图像都具有GPS位置与飞行姿态信息。6.随时获取目标区域图像7.作业安全、无污染8.高端黑盒电子产品(内在)+可更换的外形9.充分满足各种环境所需机腹着陆：防摔着陆时的反推力让降落在有限空间内更加精准抗风：7级抗雨：小雨10.测绘级别产品2.3Trimble无人机系统的工作原理Trimble无人机系统是以无人驾驶飞行器为飞行平台，搭载数码相机进行图像采集，以获取高分辨率遥感数据为应用目标，通过3S技术在系统中的集成应用，达到实时对地观测能力和遥感数据快速处理。飞行前先通过地面控制平台电脑来制定飞行作业计划，如测区范围、起飞降落位置、飞行航高、影像重叠率及风向等参数的确定。系统中的飞行任务设计软件根据上述参数可自动设计出飞行航线以及起飞降落的位置，然后利用无线通讯模块将飞行计划上传至自备的电子控制装置中，然后通过无线通讯模块与电子控制装置协同操纵飞行平台来完成图像数据采集。2.4Trimble无人机系统的作业流程Trimble无人机系统目前已经在很多工程中应用，作业的基本内容包括：系统组件连接与安装、飞行任务设计、外业数据采集（图像数据与飞行轨迹数据获取）、内业数据处理（图像数据解算处理，成果数据提取）等内容。具体作业流程如下图所示。图10Trimble无人机系统作业流程2.5Trimble无人机系统的数据解算处理在数据采集完成后，将无人机系统获取的图像数据、飞行轨迹数据以及控制点数据备份到移动硬盘上，进行内业解算处理。目前Trimble无人机系统配置的后处理软件是TrimbleBusinessCenter摄影测量模块。该模块可将原始数据通过简易、直观的数据处理流程处理，获得测区正射影像与数字表面模型等成果数据。数据处理步骤大致如下。创建工程，导入原始数据（图像数据、日志文件、飞行轨迹文件）图11TBC摄影测量模块——创建工程，并进行工程设置图12导入原始数据（2）数据导入完成后，通过连接点进行图像校正图13TBC摄影测量模块——通过连接点校正图像（3）在完成通过连接点进行图像校正后，如有地面控制点可通过地面控制点对图像进行进一步的校正处理。图14TBC摄影测量模块——通过地面控制点校正测区图像经过上述处理后，生成成果数据。图15TBC摄影测量模块——生成正射影像图16TBC摄影测量模块——生成点云数据图17正射影像发布到GoogleEarth上二．无人机航测系统的应用目前，Trimble无人机已成功应用多个行业，主要应用有：地形测绘基础设施与工程监测基础测绘、土地管理与规划植被监测（结合可见光、近红外图像应用于精细农业与森林保护）灾情监测、应急快速响应测图露天矿山测绘3D建模与可视化资产管理地质、考古研究等图17Trimble无人机系统应用行业分布图无人机航空摄影测量系统具有高灵活、快响应、低成本、实时等特点与优势，与卫星遥感与传统航空摄影测量相比，尤其在低空获取高分辨率数字图像，输电线路规划、电厂（变电站）址地形图像获取，发电厂料堆体积计算、灾害应急响应等方面，Trimble无人机系统UX5具有不可替代的作用。3.1电力勘察设计采用Trimble无人机系统航测，能获取丰富的数据成果。将原始数据处理可以获得分辨率的数字正射影像DOM和高精度的数字表面模型DSM，在此基础上可以上述数据进一步处理，得到DLG、等高线等数据成果。图18高分辨率的数字正射图像DOM图19高精度的数字表面模型DSM图20等高线目前Trimble无人机系统作为传统航空摄影测量的有效补充，主要应用以下两个方面。3.1.1工程规模较小的新建线路航测据统计，全国每年有数千公里的线路较短的工程，由于路径短小，工程时间紧，难以实施航飞，同时，这些工程规模小，也便于收集资料。因此，这些工程还是以传统的工程测量方法进行路径选择设计，无法贯彻全过程信息化技术的应用，不能对未来整体的智能电网建设提供详尽的、丰富的基础数据。而Trimble无人机系统可很好地满足此类工程勘测需要。3.1.2用于工程路径局部改线航测电力工程施工定位或建设中可能会遇到一些意想不到的情况，导致路径的调整而超出了原有航摄范围，此时再调用大飞机进行航空摄影不仅手续繁琐、成本高，而且不能保证工期要求。Trimble无人机系统“三高一低”特点，恰恰弥补了传统摄影测量的不足。3.2优化选线设计传统电网建设流程,包括规划、线路设计、杆塔排位、外业施工等。其中所需的基础数据是采用人工测绘或航空测绘方式。电力选线一般包括图上选线和野外选线两个过程，图上选线一般在比例为1:10000、1:5000或更大比例的地形图上进行，先将线路的起始端标出，然后将一切可能选线方案的转角点用不同颜色的线连接起来，即构成若干个路径的初步方案。根据收集到的有关资料，舍去明显不合理的方案，对剩下的方案进行比较和计算，确定2-3个较优方案，待野外踏勘后决定取舍，确定线路最佳方案。图上选线完成之后进行野外选线，将图上选定的路径进行现场落实，确定最终线路并埋设标石，用于后期勘测。传统图上进行选线时，设计人员使用的地形图资料由测量专业组提供或从测绘局购买。传统地形图是二维的，三维信息只能通过等高线和高程注记获取，产品单一且不直观、精度低、再利用程度不高，仅能满足各环节生产需求,不能有效为电网建设完成后的管理提供支撑；而测量专业组进行实地地形图测绘时，速度慢、工期长，而且受到视野局限性的制约，对于植被茂密的地区无法测量，或直接采取将视野范围内植被砍伐掉再进行测量的手段，造成许多不必要的植被砍伐，破坏了周围环境。通过对Trimble无人机系统航测拍摄的影像数据进行一系列处理，可以得到高精度的DOM、DSM、等高线以及植被分类图等丰富的地表信息，结合DSM和DOM可得到真实的三维场景图，参考三维场景图进行电力选线，可从不同视角观看线路周围的地物、地貌信息，使设计人员在室内即可高效地完成图上选线及线路优化工作。Trimble无人机系统获取的数据产品在电力选线工程中的具体应用包括以下方面：（1）线路及立杆点的优化设计通过无人机获取原始数据可以得到高精度的DOM和DSM，结合DSM和DOM可生成高分辨率的真实三维场景图，可以多视角地观看线路周围的地貌、地物等丰富的细节信息，通过放大、缩小、漫游还可以看到全线程的地形条件，可综合考虑沿线的交通运输、施工和运行维护的难易程度、对地物的影响及受地形的影响等，从而使设计的立杆点位、线路更合理更经济，对附近环境和居民的影响降低到最小。图21路径选择（2）估算房屋拆迁数量及赔偿房屋赔偿费用在输电线路建设成本中占有一部分比例，根据高分辨率的三维真实景观图，可清晰地查看设计线路走廊房屋状况，包括房屋建筑结构、层数及占地面积，根据这些细节可准备地计算需拆迁房屋数量，估算赔偿费用，使输电线路建设成本预算更科学。（3）实时获取断面利用生成点云数据可以快速获取不同方向不同深度的断面图，可方便地观看设计电力线与周点云数据可以快速获取不同方向不同深度的断面图，可方便地观看设计电力线与周围地物在空间上的关系，如交叉线路在高程上的差异、设计线路与走廊范围内植被的高差等，利于设计线路及杆塔的高度。图22断面测量结合DSM和DOM得到的真实三维场景与实际的地形、地貌和地物条件相差很小，最小在厘米级，利用三维真实场景图在室内选线不受视线范围的限制，大大减少了野外选线的工作量。图23三维场景电力选线设计3.3电力线路走廊带环境影响评价电力线路走廊带环境影响评价主要包括三个方面：（1）线路选线设计时的区域环境影响评价；（2）电力线路运营期间对线路走廊带内环境的影响；（3）走廊带内植被、高层建筑、杆塔附近地质环境改变等潜在危险对运营电力线路的影响。高压输电线路区域环境影响是线路建设占用土地、砍伐树木、拆迁房屋、破坏植被引起水土流失，甚至触发泥石流，给自然环境造成的损害。为了既保证工程设计质量，又保证对环境影响程度最低。在输电线路设计过程中应通过充分做好调研和路径优化工作，并依据有关规定控制对输电线路对环境的影响，从而实现保护环境的目标。而这些工作的实施应以设计线路走廊带的空间地理数据为基础，通过Trimble走廊带线路分析软件（TrimbleCorridorAnalystRoutingSoftware），从综合分析地质、地形地貌环境、居民社区、工程等多种影响因素的角度出发，经过该软件的“确定广域走廊带—确定备线路选走廊带—备选输电线路选择—确定首选输电线路”这四步的综合统计分析评价，找出最优输电线路。在完成最佳输电线路选择的同时，也对树木砍伐、占用土地面积、房屋拆迁等区域环境影响做出定量分析与评价。图24Trimble走廊带线路分析软件线路选择示意图电力线路运营期间产生一定强度的电磁场和少量的电晕噪声，引起电磁环境影响。运行线路的电磁场对人、畜产生电击和长时间作用后可能引起的生态效应，而伴随电晕放电产生的高频电磁波会对调幅广播和电视等无线电设备的造成一定的干扰。通过无人机系统采集的数据，对线路走廊带及其周边的居民区、广播电视塔、通讯设施等区域进行空间量测与分析，评估输电线路对走廊带及其周边的环境的电磁辐射影响。尽管输电线路走廊带的植被会在一定程度上减弱输电线路引起的电磁影响，但是植被随着时间的推移会不断地长高，部分树木会超出输电线路的限高标准，影响输电的正常运行，在雷电、雨雪等恶劣天气的情况下，有可能造成更严重的电力事故。另外，由于地质条件、风化、水冲刷、以及道路与水利施工等因素，杆塔附近可能出现塌陷，滑坡、位移等现象，这对输电线路的安全也会有极大的危害。鉴于此，需要对输电线路走廊带进行动态监测，并做出相应的环境影响分析。基于Trimble无人机系统采集的不同时期高分辨率数字图像，通过树木长势的模拟，评估植被在不同时期对输电线路的影响。同时通过对塔杆附近的区域的DEM与DTM数据，查看塔杆附近区域的地形变化，进行相关的地质变化分析。图25输电线路走廊带树木模拟生长分析与统计3.4发电厂（变电站）址地形测量相比较而言，在对电厂（变电站）址等小区域的地形测量时，最有效的方式就是无人机测绘。因为它可以为站址的选择提供更详尽的基础资料和清晰的影像资料，有效降低测绘的强度，同时提高了规划的效率，降低了测绘成本。图26Trimble无人机系统获取的变电站数据4.Trimble无人机系统性能指标三、无人机航测系统投资回报分析近几年来无人机航测技术在国内开始热门起来，由于该技术比起传统测绘技术来，有着极其优越的特性，可获取无以伦比的多层次成果和成万倍生产效率的提升；并且经过十多年来的飞速发展，该技术已经相当成熟，不仅仅是实验室二十已经走向了实用，各大测绘厂商瞄准了其光明的前景而纷纷投入巨资参与研发使其进入了批量生产、产业化应用的阶段。随着经济的发展，无人机航测系统从上个世纪末就开始引进中国，首先是引起了科学研究单位的注意，随着这几年的航测技术和影响成果的不断应用，人们开始认识到该技术的先进性和广阔的应用前景。这些运用无人机航测技术的先行者都把这个技术比做15年来与GPS（全球卫星定位）测量技术一样的划时代的测绘技术，认为它像15年前出现在国内的GPS技术一样将极大的促进测绘行业的发展。无人机航测技术将给测绘工作带来深刻的变化。首先从外业数据采集上，无人机航测技术是无接触测量技术，这使得它直接突破了传统光学全站仪和GPS技术的限制。使用者无需离开仪器即可采集数据，以往难于到达目标物的工程项目得以方便的完成。如：地形测量上的高悬的陡崖、隔河流的边坡监测、危险的滑坡地段，有毒区域的测量、危险的高压电力设施等等。这些项目在以往是很难或者无法完成的高技术高“含金量”的项目，有了无人机航测系统，安全系数大大提高。当然，该技术用在较为普通的项目上也很有意义，因为它面式扫描测量、需要跑棱镜或者安放GPS接受机的工作变成“无接触、无跑动”的工作，减少了工作量，减少了人力，减少了人为误差，降低了劳动强度，还提高了效率。另外，无人机航测系统的数据采集速度是常规仪器的数万倍，极大地提高了外业工作的效率。比如测绘一个平方公里的1:2000地形图全站仪人工跑棱镜测图，几乎是一台全站仪2个人苦干两天的工作，即使是用1+1RTK技术也需要大半天，而使用无人机加一个人仅需要不到30分钟。其效率是不言而喻的，效益也是非常明显的。可能有人会说航测的内业工作量巨大，因为航片的数据需要人工拼接，处理成图，费时费力。其实这已经是过去了，现有软件已经很好地实现图幅的自动拼接和匹配，数据的自动化处理成都也很好，而且数据精度可靠、整体一致性好。在航测后处理软件里，数据可以任意的裁剪、取样。如选择不同的区域作不同的处理，可以任意按需抽取一部分数据或者去掉一部分数据。如，可以自定将地形上特征地物进行提取。当然，航测数据处理更多的是利用自动、批量处理工具进行的，如批量生成断面线、任意纵横剖面线、等高线生成与标注、线状地物的提取和体积或填挖的计算等等；只需要选择好操作区域，填入几个要求数据如等高距、断面间距、填