基于低空无人机的电力线路控制测量与路径优化研究

刘瑞 史哲 徐强胜 刘靖波 张鸥 栾凌

摘 要：基于低空无人机技术和全数字航测路径优化技术，对山区电力线路工程进行航空摄影和路径优化，研究利用无人机航摄技术，解决零散分布、小区域、带状测区的航空影像获取需求，研究全数字航测路径优化技术，应用于电力线路工程，提高线路勘测设计工作效率，提升勘测设计水平，降低劳动强度，解决电力线路工程建设精细化、智能化的需求。

关键词：无人机 航测 山区 电力工程 路径优化

中图分类号：P23 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）02（b）-0060-02

市内的很多电力线路工程路径一般都远离居民聚居区域，往往沿着人迹罕至的高山密林地区布设，尽可能减少对人居环境的影响，同时避免因为征迁引起的工程造价、时间成本的巨幅上升。这就造成了工程地形条件复杂，勘测设计难度大等现实困境。如果采用以往输电线路勘测作业方式，需要大面积砍伐路径通道，既不环保高效，也不符合政府关于“青山挂白”整治的要求。同时，由于非航测的作业方式，路径方案需要在获得现场测量数据之后才能确定，造成现场劳动强度大、效率低，而定下的路径方案缺乏全局观和整体性，往往会随着线路往前推进，新出现的种种障碍因素对前面已选定的方案造成颠覆性的影响，最终造成重复工作量巨大、效率难以提升、工期滞后。所以采用航测手段辅助电力线路工程勘测设计已是大势所趋。

随着主干电网基本建成，目前市内输电线路基本以短线路为主，以某铁路配套220kV输电线路工程（下称：该工程）为例，总线路长度为82km，分散为3段，分布在1万km2的区域内，每段长度20～40km，如果使用大飞机航飞，一方面时间窗口难以保证，另一方面航飞收费也较为高昂，从时间成本和经济效益两个方面来看都表现较差。

該研究利用固定翼无人机航摄系统，对此工程项目区域进行航空摄影，获取影像数据后利用Inpho、HelavaDPS等摄影测量系统进行数据处理，生成立体场景，并在该立体场景内完成线路路径优化选线工作。

随着近年来无人机航空摄影技术的进步，越来越多的测绘工作应用无人机获取影像数据。无人机体积小巧、机动灵活、生产效率高、综合成本低，在小区域和飞行困难地区的高分辨率影像快速获取方面具有明显优势。该研究利用固定翼无人机航摄系统，对该工程项目区域进行航空摄影，获取影像数据后利用全数字摄影测量系统进行数据处理，生成立体场景，并在该立体场景内完成线路路径优化选线工作。

1 无人机航空摄影及航测内外业

无人机航空摄影流程图如图1所示。

1.1 航带设计

依据项目任务书，在无人机航飞技术设计软件中，进行航摄技术设计。考虑到测区为零散分布的带状高山密林区域，技术设计时特加宽部分区域，以确保加密分区中可以有足够的区域可以选定接边点。

1.2 航空摄影

采用燃油动力无人机执行航飞任务，搭载传感器为佳能5DⅡ型数码相机，焦距为35mm，像素尺寸6.41μm，像幅大小5616×3744像素。该项目一共航飞10个架次，获取影像超2000片。经检验，96.2%的像片倾角小于5°，像片旋偏角、航线弯曲度均符合规范要求。

1.3 外业控制测量与调绘

该项目外业控制测量平面采用1980西安坐标系，高斯3度带正形投影，高程采用1985国家高程基准。航测外控作业主要利用GPS接收机进行坐标点量测，采用GPS-RTK、CORS-RTK等技术手段进行控制测量，沿线路路径走向合理布设外业控制点。共布设主控网点15个，像控点186个，外业控制成果精度较好。

由于该项目是输电线路工程，在进行像片调绘时，从满足线路工程设计、施工的角度出发，对关注点进行详细调绘，对其他低敏感度地物有选择地取舍，详细调绘了线路附近的电力线、通讯线、道路、河流以及对线路路径走向有影响的地物和地貌，如炸药库、采石场等，为后续的路径优化工作提供了准确的数据基础。

1.4 空三数据处理

该项目按航摄分区共建立10个作业项目，每个作业项目对应1个目录，作业项目的所有相关数据都存入对应目录。作业项目建立后进行空三作业，依照影像输入、内定向、图形区域建立、自动点测量、交互式编辑、控制点量测和区域网评的步骤进行处理。表1为某分区的空三加密精度检查表。

1.5 空三成果导出

由于航测路径优化系统是基于HelavaDPS二次开发的软件系统，其立体显示模式是基于单张像片的sup文件，sup文件里记录了该像片的位置参数和姿态参数。这一模式与前期空三处理的摄影测量软件有所区别，所以需要进行数据格式转换。通过自主开发的软件工具，读取空三数据成果文件，快速生成HelavaDPS能识别的sup文件，这样就实现了不同摄影测量平台的无缝兼容。

2 线路路径优化

2.1 展绘及调整路径

在HelavaDPS的立体场景中，选线人员将初步设计路径展绘到全数字影像地形图上，并作初步调整，使路径基本成立。选线人员带上立体眼镜在全数字摄影测量系统上一个一个模型仔细观察路径两旁的地物与地貌，如同观看立体电影。通过其测量模块，量测建筑物、电力线、通讯线、采石场等对线路有影响的地物到路径的距离，以及陡峭地貌的坡度，加上对地物地貌的识别及时向他们提供线路是否跨越房以及房屋的属性，局部地段立塔条件是否具备，能否跨越电力线，以及转角的度数和数量、转角间的距离等信息，从而确立路径的成立与否。

2.2 电子模板实时排位

将数字高程模型DEM转换成ASCII文件，运用断面提取软件扫描三线断面和电子模板软件进行杆塔的优化排位并检验杆塔是否符合设计书的要求。根据排位的结果，返回立体模型上观看地面是否具备立塔条件。同时，可加入交叉跨越信息，排位的结果及相关参数全都实时显示在屏幕上，每基塔位都可按坐标返回到立体模型上。由此可判断在规划的塔型下，路径是否成立，若路径不成立，可马上重新调整路径。

2.3 优化成果输出

选线完成后，对排位中间成果、最终成果、最终路径等数据均可存储和导出，还可将相关数据转换为AutoCAD支持的dwg数据格式，方便线路设计人员调取和使用。最终路径确认后，利用出图模块，叠加等高线、调绘信息等内容，生产工程全线的正射影像路径图。

3 结语

此次工程化应用，探索了在高山密林区域，以输电线路工程的勘察设计为应用背景，使用对带状区域进行勘察测绘，应用低空无人机摄影测量技术，和Helava航测路径优化技术做无缝对接，应用于输电线路工程的路径优化设计。此工程基于优化设计的线路方案，比初步方案的线路方案线路缩短了10%，节省了1000余万元的工程总造价，减少了拆迁量和植被破坏，取得了良好的经济效益和生态效益。

此次成功的工程化应用经验表明，在电力勘察设计领域，低空无人机航空摄影测量和航测路径优化技术适用于风电场等电源建设、电源接入主网的中短电力线路的勘察设计、电气化铁路供电线路建设的勘察设计。在长大电气化铁路干线、长大输电线路建设日趋饱和的大背景下，新的核电、风电等电源建设会成为建设重点，其接入主网的中短线路需求会增加，因此中小区域的勘察设计需求会进一步增加，为低空无人机航空摄影测量在电力勘察设计领域提供了大展身手的舞台。

参考文献

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