无人机倾斜摄影技术在输电线路运维中的应用

国网台州供电公司 万广雷

早在2011年，中国电网规模已经位居世界第一，基于此，除了需要加快相关项目的建设外，还需要优化输电线路运维工作。我国幅员辽阔，地形地貌复杂，输电线路并不总是在城市范围内，因此，其运维难免会受复杂地质条件的影响，导致数据测量精准性不高。无人机倾斜摄影技术具有灵活、操作方便、成本低、准确性高等优点，被广泛应用于输电线路的运行维护工作中。

1 输电线路运维

1.1 输电线路常见故障问题

雷击、单相接地、鸟害、甚至人为因素都可以造成输电线路故障，输电线路运维和故障排除时必须特别注意上述要点。雷击故障不但会使输电线路正常工作受影响，而且还容易造成人员伤亡。单相接地故障的发生和天气影响有着一定关系，单相电压的数值会由于输电线路单相接地而置零，因此所产生的不合理电压将提高电力设备的受损机率，严重时还会导致输电线路瘫痪。而鸟害则会导致输电线路产生绝缘子串短接现象。人为因素影响则主要是指不法分子故意破坏电力输电线路、偷盗输电设备等，进而阻碍输电线路正常运行。

1.2 输电线路运维工作

随着供电网络建设施工规模的不断扩大，输电线路运维管理工作难度也逐渐加大。基于此，有必要深入探究输电线路运维管理中出现的各类问题，并给出相对比较完善的处理对策。同时，应加大对输电线路运维管理工作的监察力度，进而确保输电线路运行安全稳定。

为确保管理运维工作得到更好推进，必须规范化输电线路设计、针对性检查周边环境、严格检查输电线路经营现状情况，上述工作的落实是管理运维工作开展的坚实基础。另外，各地电力部门还必须注重研究、引进、运用新型现代化技术设备，以进一步提升输电线路运维管理工作的效能与品质。

2 无人机倾斜摄影技术

2.1 倾斜摄影技术原理

倾斜摄影技术改变了过去仅仅从垂直视角摄取影像的局限，通过将多个感应器引入同一飞行平台上，能够从五个不同视角收集图像（1垂直、4倾斜），使得数据的收集更加真实、直观，便于更精确地构造出现场的三维模型，同时有效降低了三维建模的成本。图1为倾斜摄影原理图[1]。

图1 倾斜摄影原理图

2.2 无人机倾斜摄影技术原理

使用无人机倾斜拍摄测量对象，进而使用点云技术将各照片全方位模块化地集成。之后再利用三维模型系统，自动生成1:1比例的三维模型影像，将现场情景原封不动地转移到办公室内。最后将三维模型输入测距软件中，测量必要的数据信息。原理路线如图2所示。

图2 无人机倾斜摄影技术原理路线

2.3 无人机地面站

无人机地面站作为整个无人机系统总体的指挥中心，能够进行地面控制和无人机管理。地面站主体硬件部分包括了计算机系统、地面通信数据链路以及辅助控制设备等，并能够与相关的软件配套，以完成对整个无人机摄影过程的整体管控[2]。

2.4 无人机倾斜摄影技术的发展现状

无人机倾斜摄影技术的应用，使得工程测量不再局限于模拟测量和手绘图纸阶段。其由计算机自动处理与分析数据，精度高且快捷，且能够形成数据共享的信息化机制[3]。当然，目前中国的无人机倾斜摄影技术还没有完全成熟，仍面临着许多问题，但其巨大的潜能及需求正激励着相关技术企业不断创新和开拓。

3 无人机倾斜摄影技术在输电线路运维中的应用

在输电线路的运维过程中，必然会途经部分建筑物。当运维工作点的最佳位置无法避开居住建筑物时，实地检测精度会产生巨大偏差，且工作量也会大增。基于此，现在通常会选用无人机倾斜摄影技术，来进行输电线路运维的数据采集工作[4]。通过精准收集所需数据，并构建三维模型，可以正确探析输电线路的运行状态。图3是正在执行倾斜摄影任务的无人机。

图3 执行倾斜摄影任务的无人机

无人机倾斜摄影技术有很多优点，不仅有助于提高数据收集的准确度，还有助于降低三维建模成本、提高建模效率。另外，其系统操作比较简单，对场地的要求不高。其优势具体有以下几点。

3.1 高真实性

无人机倾斜摄影技术在开展倾斜拍摄工作时，由无人机搭载倾斜的拍摄用云台，在低空绕行。倾斜摄影云台的信号捕获装置非常敏感，可以清楚地记录下地面建筑和植物分布等有关数据，而且准确度极高。

3.2 高效率

无人机倾斜摄影技术在保证精度的前提下，能够显著减少输电线路运维作业的工作量，实现非接触测量，进而有效控制运维周期，提高运维效率。

3.3 低成本

图像是最生动、最直接的表现形式，三维模型更是能够给人与现实世界基本相同的体验。因此，使用倾斜成像技术收集数据并构建三维模型是测量领域的新趋势，相对较低的成本也加快了倾斜摄影技术的发展，最大限度地缩短了测绘分析周期，大大提高了工作效率。

3.4 可模拟地质灾害

为最大限度地降低地质灾害发生时对输电网络造成巨大的经济损失，必须在线路建设时就模拟出可能产生的地质灾害，并完成预控。利用无人机倾斜摄影技术建立输电线路三维模型，能够实现上述功能需要。

3.5 有利于把控运维工作细节部分

其一，利用无人机倾斜摄像技术对输电线路范围内进行数据采集，能够获得直观可视的影像资料，进而便于测算区域内各项参数；其二，运用无人机倾斜摄像技术能够精确地测定边坡面积，以及与输电线路杆塔的水平间距，便于后期运维时解决输电线路边坡塌方等问题；其三，在输电线路运维工作中应用无人机倾斜摄像技术，有助于更清晰直观地在计算机上测定出各细节部分参数。

3.6 发展趋势

无人机倾斜摄影测量技术有助于快速完成输电线路整体的三维建模工作，但细节部分仍有待进一步优化。同时，基于该技术构建出的三维建模是一个整体，如何实现结构单体化也是接下来的研究重点。

4 工程应用实例

以某新迁改杆塔运维工作为例。其位于丘陵地带，区域范围内地形复杂，给运维工作带来了很大的不便。因此，运维工作中的信息收集环节，最终选择用搭载高像素CMOS 传感器和广角镜头的微型多旋翼无人机来完成。

4.1 收集数据

选用微型多旋翼无人机，结合倾斜摄影测量技术，对输电线路相关数据进行采集。多旋翼无人机的主要特点是机动性强、成本低、续航能力好。通过在多旋翼无人机的飞行平台上搭载倾斜摄影相机，并与IMU 和高精度的GPS 接收机结合：倾斜摄影相机用于抓拍影像，GPS 和IMU 则为无人机提供定位和坐标信息。

倾斜摄影测量的飞行方案设计，设计底图应基于高清影像图，并按我国的有关标准要求和输电线路运维需要，标绘其飞行范围。同时，应用计算机软件实现对无人机航线的自动设计。传统航线设计通常设定66%的航线重合度和30%旁向重合度，但在航线设计软件中，航线设计和旁向重叠率一般都设定为66%。此外，航线设计软件还能够按运维要求自动生成飞行计划文件，文件内容包括：无人机飞行线路、巡检点坐标位置信息、拍摄频率等。在实际飞行过程中，倾斜摄影相机能够基于飞行计划文件自动进行拍摄曝光。

在试飞前还需要先进行地标点选择工作，以便于后期影像数据处理。地标点选取的准则是不能在航线正下方布设，而是尽量布设在飞行范围边缘。地标点间距一般在一公里以内，与主要地区之间间隔一般在五百米以内。而每隔十公里，需采用双电布设模式[5]。

4.2 建立三维模型

处理好倾斜摄影后所得到的建筑图形，并通过专用测绘软件，进一步获得输电线路的倾斜摄影建模。倾斜摄影建模可以分为建筑单体对象化模型与非建筑单体模型。同时，无人机倾斜摄影技术也可以用以丰富现有三维模型，补充细节数据，并在旧三维模型的基础上利用纹理映射技术构建出全新的三维空间模型。

获得影像数据后，需要先将相关数据信息导入计算机，再通过匀光匀色处理技术和专业化自动建模软件进行三维建模的构建。这一过程是全自动化的，能够显著缩短建模周期且降低建模成本。并在图像分析处理的基础上，首先利用计算机产生影像，并将其转换为基础的超高密度点云。最后利用点云实现了TIN 模式的建立，进而得到了高分辨率倾斜摄影三维建模。确保了所建立的三维建模可以适应任意缩放、360°倾斜、多角度观察等的需求，最后在屏幕或移动终端上展现出更加直观真实的场景。

4.3 分析数据

为验证无人机倾斜影像检测的准确度，在三维模型上对杆塔根开进行了现场实测，无人机倾斜影像技术所得测量值是6.8m，实测值6.77m，在实测偏差容许范围内。对现场跨度大，或传统检测困难的地方也进行了检测，如坡高的测量值是58.23m，实测值为58.21m，同样在实际误差允许范围内。由此可见，无人机倾斜影像检测的准确度完全能够满足输电线路运维需要。图4为杆塔根开测量图。

图4 杆塔根开测量图

5 优化无人机倾斜摄影技术在输电线路运维中的应用

5.1 加强安全分级管控

输电线路运维单位应遵循“安全第一、预防为主”的原则，对所辖无人机进行安全分级管控。安全分级管控的目的在于确保无人机飞行安全监控无死角，全方位保障人员与设备安全。

5.2 实行“N+4”巡视方法

在对杆塔进行常规运维时，缺少经过实践验证的可靠拍摄方法，导致运维作业时随意性较大，采集到的图片信息杂乱且有疏漏，不能保障巡检质量。针对上述情况，通过实行“N+4”巡视方法可以有效提升巡视质量和巡检效率。其中“N”是针对输电线路中不同塔型应针对巡视的“N”个关键部位，“4”是指输电线路杆塔中杆塔大小号侧通道以及纵向左右侧两个方向共计4条通道的巡视工作。

5.3 优化无人机巡检路径

目前，无人机巡视主要采用高性能锂电池作为动力来源。但由于锂电池容量有限，且体积受限于无人机载荷，往往导致无人机续航能力较差。基于此,为了提升无人机巡检效率与安全性，需要选定最合理的飞行路线，路线应满足运维巡检需要，确保在无人机电池续航时限内遍历所有巡检点。结合大量试验结果分析，采用穷举法进行路线规划效果最佳，其能够结合输电线路实际情况将全部可行路线都列举出来，进而比较确定运维巡检路线。

随着社会用电需求的扩大，输电线路所面对的压力陡增，因此，运维管理工作已成为重中之重。由于无人机的应用范围正在逐步地由军用领域延伸至民用领域，与传统倾斜拍摄技术的融合也在不断深入，这给其广泛应用打下了坚实基础。本文结合无人机倾斜摄影技术的工作原理和应用优势，探讨了其在输电线路运行维护方面的应用实例。