差分GNSS無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在輸電線路工程中的應(yīng)用

一、引言

目前，輸電線路勘測(cè)設(shè)計(jì)主要使用傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛，但對(duì)天氣和機(jī)場(chǎng)條件的依賴性大、成本較高、攝影周期較長(zhǎng)。無(wú)人機(jī)航空攝影因成本低、機(jī)動(dòng)靈活、效率高、受空域政策影響較小，在輸電線路勘測(cè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用越來(lái)越廣。特別是，隨著具備PPK等功能的差分GNSS無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的出現(xiàn)，使得電力測(cè)繪人員能夠利用稀少控制條件下生產(chǎn)出滿足設(shè)計(jì)要求高精度的三維立體模型，更快更好的服務(wù)于電力勘測(cè)設(shè)計(jì)。

今年，我院承接了江蘇省首條500kV三維設(shè)計(jì)試點(diǎn)線路工程——500kV斗山~茅山輸電線路工程。本工程，使用飛馬F200固定翼無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)獲取了沿線路通道內(nèi)三維立體模型，為輸電線路三維設(shè)計(jì)的推廣具有一定的參考價(jià)值。

二、項(xiàng)目應(yīng)用分析

1 項(xiàng)目概況

500kV斗山~茅山線路為江蘇蘇南電網(wǎng)主干通道內(nèi)的一條重要送電線路,其功能主要為擴(kuò)大承接皖電東送，滿足華電句容、諫壁電廠等電源電力送出需求。本次航飛線路路徑為52km。測(cè)區(qū)內(nèi)以平原為主，最高海拔18m，最低海拔1米。測(cè)區(qū)交通便利，但輸電通道十分擁擠，其中房屋眾多、水系密集、交叉跨越復(fù)雜，測(cè)繪難度較大，見(jiàn)圖1。

圖1 線路路徑

2 技術(shù)流程

無(wú)人機(jī)低空攝影輔助輸電線路勘測(cè)設(shè)計(jì)主要分成以下六個(gè)階段，其主要技術(shù)流程如下圖2所示。

圖2 技術(shù)流程

3 無(wú)人機(jī)航空攝影

本測(cè)區(qū)采用帶PPK差分GNSS功能的飛馬F200固定翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行低空攝影，F(xiàn)200搭載了SONY DSC-RX1R II相機(jī)，相機(jī)焦距為35mm。本次航線設(shè)計(jì)為航向重疊率為80%，旁向重疊率為60%，航高設(shè)定為500米，地面分辨率為6.4cm；為確保線路轉(zhuǎn)角處的航測(cè)精度設(shè)置了航線拐彎輔助點(diǎn)，根據(jù)路徑的特點(diǎn)路徑帶寬為500~700米不等。本工程共選擇3個(gè)起降場(chǎng)地，飛行5個(gè)架次，每次飛行時(shí)間為50分鐘左右，航線布設(shè)如圖3所示。在短短的一天時(shí)間內(nèi)即完成了全部的航空攝影工作，共獲取影像2445張。坐標(biāo)系統(tǒng)為1954北京坐標(biāo)系。

圖3 航線布設(shè)

4 外控點(diǎn)的布設(shè)

外業(yè)像控測(cè)量對(duì)無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量的精度具有重要作用，是空三解算的依據(jù)。為確保航測(cè)精度，每個(gè)架次飛行前均應(yīng)布設(shè)一定數(shù)量的像控點(diǎn)。按照《電力工程數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量規(guī)程》外控點(diǎn)的布設(shè)要求，若采用常規(guī)航空攝影測(cè)量因線路走向不規(guī)則，需要多個(gè)航帶的影像，而每條航線均需布設(shè)不少6個(gè)外控點(diǎn)，且外控點(diǎn)需要根據(jù)地物特征現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行反復(fù)比對(duì)選擇，正常情況下外控測(cè)量至少3天時(shí)間才能完成。與常規(guī)航空攝影布設(shè)不同,依托于飛馬F200高精度的PPK差分GNSS功能，每個(gè)架次只需布設(shè)6個(gè)外控點(diǎn)，即沿線路兩端各布設(shè)一對(duì)像控點(diǎn)、中間再布設(shè)一對(duì)像控點(diǎn)。本工程共布設(shè)像控點(diǎn)30個(gè)，并另選擇了20個(gè)地物特征點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，短短的一天時(shí)間即完成了全線外控測(cè)量工作。

5 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理流程

如圖4所示，給出差分GNSS無(wú)人機(jī)低空攝影的數(shù)據(jù)處理流程。

圖4 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理流程

本工程無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理主要依靠“飛馬無(wú)人管家專業(yè)版”（以下簡(jiǎn)稱“管家”）。處理時(shí)采用各架次單獨(dú)處理，首先將各架次的航飛姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行PPK解算，所有解算Q1值均在95以上，表明照片對(duì)應(yīng)曝光點(diǎn)的整周模糊度達(dá)到了固定解，定位精度較好。最后通過(guò)我院自主研發(fā)的《蘇電測(cè)繪協(xié)同工作平臺(tái)》中的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模塊，將POS數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成1954北京坐標(biāo)系下的網(wǎng)格坐標(biāo)。

圖5 “管家”外控預(yù)測(cè)刺點(diǎn)

根據(jù)解算的高精度POS數(shù)據(jù)，在“管家”中進(jìn)行初始的空三計(jì)算后，將外控點(diǎn)導(dǎo)入“管家”中。因本次解算的POS精度較高，外控點(diǎn)預(yù)測(cè)的位置偏離實(shí)際位置較小,絕大部分外控點(diǎn)偏移均在2~3個(gè)像素以內(nèi)，如圖5所示。因此，內(nèi)業(yè)人員可以較為輕松的完成了全部外控刺點(diǎn)工作。執(zhí)行空三解算后，確定各要素的精確坐標(biāo)位置。為驗(yàn)證空三成果的正確，將本次航外控階段采集的20個(gè)特征點(diǎn)作為檢查點(diǎn)進(jìn)行校核，所有檢查點(diǎn)中除了一個(gè)點(diǎn)平面誤差為0.28m，高程誤差為0.31m，其他檢查點(diǎn)平面及高差誤差均在0.10m以內(nèi)，滿足《電力工程數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量規(guī)程》等規(guī)范的要求。完成空三解算后，仍然采用“管家”生成輸電線路勘測(cè)設(shè)計(jì)需要的正射影像DOM、數(shù)字地表模型DSM及影像密集點(diǎn)云，DOM及DSM成果如下圖6所示。

圖6DSM與DOM

輸電線路勘測(cè)設(shè)計(jì)更為關(guān)心的是獲取高精度的數(shù)字地面模型DTM。因此，需要將“管家”生產(chǎn)的影像密集點(diǎn)云進(jìn)行點(diǎn)云地面濾波。目前，我院主要采用基于CSF（布料模擬濾波）的方法進(jìn)行地面濾波，如圖7所示。通過(guò)該濾波方法剔除大部分的房屋、林木植被等非地面點(diǎn)，并對(duì)線路中心的點(diǎn)云與外業(yè)數(shù)據(jù)融合修正。根據(jù)修正的點(diǎn)云自動(dòng)轉(zhuǎn)換成較高精度的DTM。

圖7 本工程局部放大CSF濾波效果

6 立體模型的建立

由于無(wú)人機(jī)平臺(tái)采用的是非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)，相片的畸變誤差較大，采用傳統(tǒng)的通過(guò)“左右片”的方式建立的立體模型顯然并不適合輸電線路勘測(cè)設(shè)計(jì)工作。針對(duì)輸電線路勘測(cè)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，可以將DOM、DSM、DTM疊加導(dǎo)入至我院自主開(kāi)發(fā)的《電力工程多數(shù)據(jù)源三維量測(cè)平臺(tái)》中建立大場(chǎng)景立體模型，進(jìn)行優(yōu)化選線、桿塔排位等勘測(cè)設(shè)計(jì)工作。

7 平斷面量測(cè)與外業(yè)修測(cè)

在施工圖階段，需要根據(jù)設(shè)計(jì)提供的最終線路路徑在立體大場(chǎng)景與進(jìn)行輸電線平斷面測(cè)量工作。根據(jù)無(wú)人機(jī)航測(cè)采集的平斷面圖，將終勘定位的樁塔位、危險(xiǎn)點(diǎn)與交叉跨越等測(cè)量成果進(jìn)行融合修正，完成最終的平斷面成果的繪制。如圖8所示，為無(wú)人機(jī)航測(cè)采集的全線輸電平斷面圖，圖9為局部放大平斷面圖。

圖8 全線平斷面概覽

圖9 局部平斷面

本工程還涉及到房屋分布測(cè)量的工作，主要仍采用DSM與DOM疊加構(gòu)成立體大場(chǎng)景的方式繪制房屋分布圖，對(duì)重點(diǎn)房屋仍需要將部分無(wú)人機(jī)影像進(jìn)行“左右片”恢復(fù)立體的方式進(jìn)行數(shù)字化立體采集。通過(guò)外業(yè)校核，結(jié)果表明能夠滿足比例尺為1:1000房屋分布測(cè)量的要求。

三、精度分析

為了檢驗(yàn)基于DOM、DSM、DTM疊加方式生產(chǎn)的輸電線路平斷面圖能否滿足《330kV~750kV架空輸電線路勘測(cè)規(guī)范》的要求，本工程在終勘定位階段利用網(wǎng)絡(luò)RTK采集了36個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行校核。其中平面最小誤差為0.05m，最大誤差為0.26m，檢查點(diǎn)的平面中誤差為0.22m；高程最小誤差為0.02m，最大誤差為0.62m，檢查點(diǎn)的高程中誤差0.34m，基本滿足本工程勘測(cè)設(shè)計(jì)的需要。

四、結(jié)語(yǔ)

本文以江蘇地區(qū)首先三維設(shè)計(jì)試點(diǎn)項(xiàng)目500kV斗山~茅山線路工程為例，介紹了差分GNSS無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在輸電線路工程中的應(yīng)用。飛馬F200無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)提供的航線輔助拐彎、無(wú)人機(jī)管理專業(yè)版提供的內(nèi)外業(yè)一體化數(shù)據(jù)處理等功能，為輸電線路勘測(cè)設(shè)計(jì)提供較好的便捷性。通過(guò)工程外業(yè)實(shí)測(cè)與精度分析表明，差分GNSS無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在輸電線路勘測(cè)設(shè)計(jì)中的可行性。與傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量相比，差分GNSS無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)因外控布設(shè)靈活、現(xiàn)勢(shì)性好、成本低、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，更適用于輸電線路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)，特別是在中等距離的輸電線路勘測(cè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有一定的推廣價(jià)值。