无人机航测技术在输电线路三维数字化设计中的应用

一、前言

当前，数字化技术逐步融入电网设计行业，交互协同设计、三维设计推动电网勘测设计信息化技术不断发展。三维数字化技术应用于输电线路设计工作是当前研究热点，使设计人员能够在三维现场环境中进行相关设计数据的多维度分析、多视角空间校验，提高工作效率和设计质量。

在输电线路三维数字化设计中，三维地理信息数据是基础。只有基于精确、全面的三维地理信息数据，才能在三维环境中进行路径优化、杆塔设计、基础配置和施工方案策划。地理信息数据获取一直是输电线路勘测设计工作的重点和难点，需要考虑多方面因素，如工期、成本、数据质量、数据种类等。在以往工程中，电力设计企业通常委托专业航测公司，利用大型飞行平台和专业航摄仪，获得航测数据产品，周期较长，成本也较高。三维数字化设计工作的开展，对地理信息数据的要求更高，因此在满足工期和经济可行性的前提下，有必要引进更加先进、灵活和高效，同时易于形成独立自主作业能力的数据采集手段。

无人机技术的发展，无疑大大降低了航空摄影测量的成本和技术门槛，无人机航空摄影测量是近年来测绘领域发展最为迅猛的数据采集手段，不仅极大地弥补了传统航空摄影测量的不足，还带来了技术革新，特别是无人机倾斜摄影测量技术的发展成熟，更是将航空摄影测量推上新的历史台阶，航测数据产品也突破传统4D产品的范畴，倾斜实景模型越来越受到青睐。

本文结合输电线路三维数字化设计的数据需求，综合运用无人机正射摄影和倾斜摄影测量技术，以具体工程实践为例，力图为输电线路设计三维地理信息数据获取，提供一套经济可行、简单高效的解决方案。

二、工程概况

本工程为国家电网2017年第二次三维数字化设计竞赛依托工程：福建漳州～泉州500kV I,II回开断进集美变线路工程，该线路位于厦门市集美区北部山区，地形起伏较大，植被覆盖密集，最大高差超过600米。根据三维数字化设计要求，需获得路径通道覆盖区域正射影像、数字高程模型以及重点区域倾斜实景模型。

图1 飞行区域

三、实施方案

3.1 飞行平台

本工程选择联合使用飞马F1000和D1000进行航测，其中F1000主要用于生产正射影像和数字高程模型，D1000用于生产倾斜实景模型。飞马F1000是深圳飞马机器人公司推出的第一款无人机航测系统，工艺成熟，性能稳定，安全可靠，全自动飞行无需人工干预，同时独创了一次性降落伞解决方案，大大降低飞手门槛，无飞行经验人员稍加培训即可掌握。更难能可贵的是，与大多数无人机航测系统生产商只重视硬件设计不同，飞马机器人公司对于地面站软件也极为重视，所开发的无人机飞行管家软件，将用户体验做到了极致，提供航线规划、航飞控制、数据处理一条龙服务。飞马D1000是基于无人机管家，与大疆合作开发的一套低成本航测系统，目前支持大疆精灵4Pro，无人机管家的加持，赋予消费级无人机强大的航测能力，特别适合小场景正射摄影或倾斜摄影测量。

3.2 航线设计

飞马无人机管家提供了强大的航线设计功能，选择飞机型号、测区和测图比例尺，即可自动按区块生成航线，各项参数也可手动调整，软件会自动获取测区地形数据，对航飞安全性及成果质量进行评估，航线设计成果直接在三维数字地球平台中进行展示。本工程F1000按1:2000比例尺进行测图，在保证飞行安全和影像重叠度的前提下，将正射影像地面分辨率人为调整到13cm，以尽可能在不影响作业效率的情况下获得更高分辨率影像。D1000按1:500比例尺进行测图，飞行模式设置为倾斜。

图3 F1000航线规划

图4 D1000航线规划

3.3 控制点布设

飞马F1000和D1000本身未带差分设备（飞马后期推出的产品系列，基本都自带差分），对地面控制点的要求较高，特别是数字高程模型的精度受地面控制点影响较大，按照电力设计规范要求，高程中误差宜控制在30cm以内，本工程在测区范围内均匀布设了12个控制点，覆盖10平方公里左右。D1000倾斜摄影测量像控点需单独布设，一般每个架次覆盖范围内至少布设4个控制点。

图5 像控点布设

现场测绘像控点时，可选择明显特征地物，如水泥路面拐角，公路地面标志等，如无明显特征地物，可涂漆，或直接用A3大小的白纸，用石头压在地面。

图6 常用类型地标

3.4 飞行实施

飞马F1000采用手抛起飞方式，可滑降或伞降，对起飞场地有一定要求，最好选择直径约100米左右的空旷场地进行起飞和降落。整个飞行过程，由无人机飞行管家进行监控，作业人员只需密切关注各项飞行参数，以防止出现意外情况。

图7 手抛起飞

3.5 数据处理

目前，最新版飞马无人机管家提供正射影像处理和倾斜实景模型生产工具，基本可满足需求，特别是其空三模块，已经不亚于其他知名航测数据处理软件。如有较高要求，也可使用其他知名数据处理软件，如pix4d和cc，其中pix4d在正射影像处理和DEM提取方面有较大优势，cc是目前最常用的倾斜实景模型生产软件，自动化程度较高，实景模型效果也较好。

图8 数据成果叠加效果图

3.6 数据质量检查

采用高精度RTK作业方式，现场实测了69个高程检查点，与无人机航测生产的数字高程模型进行对比分析，计算中误差为0.25m,满足方案设计要求。

图9 数据质量检查

四、数据应用

本方案利用自主研发的多源数据辅助电力线路优化选线及平断面测图系统进行路径优化，该平台融合了航测的全部数据成果，包括正射影像、DEM、DSM、点云，支持海量数据加载和二、三维叠加显示及快速浏览，并提供了丰富的路径优化工具。与海拉瓦系统不同，该平台无需佩带立体眼镜，无需专业图形工作站，利用普通PC，即可展示线路走廊的二、三维场景，进行路径优化和平断面测图工作。

图10 多源数据辅助电力优化选线及平断面测图系统

4.1 优化选线

除海拉瓦、适普等全数字摄影测量平台提供的常用路径优化功能之外，该平台还有如下特色功能：

(1)实时线路断面辅助路径优化

输电线路经过山区时，地形因素成为影响输电线路走向的关键因素。本方案实时线路断面由高精度DEM数据生成，使设计人员在选择路径时能够同时观察到路径沿线的地形起伏情况，从而做出经济合理的路径方案。

图11 实时线路断面辅助选线

(2)实时塔基断面辅助路径优化

山区输电线路选线时，通常需要考虑地形的陡峭程度是否能够立塔，根据高精度DEM数据实时生成的塔基断面图和各塔腿地面高程分布可用于解决这个问题。

图12实时塔基断面辅助选线

4.2 断面及地形图生产

（1）道路与水系调绘

无人机航测获取的高分辨率正射影像中可以比较容易的判读各种类型的道路和水系，其中道路主要有铁路、高速公路、国道、省道、县道、乡道、机耕路、乡村路、小路、在建铁路、在建公路等，水系主要有河流、干沟、沟、渠、湖泊、塘、水库、水井等。

图13 调绘道路

（2）房屋调绘

结合DOM、DEM和DSM，不仅可以准确的绘制房屋的平面位置，还能够准确的获取房屋的高度，从而在室内判断出房屋的层数。房屋高度通常取房屋平面范围内DSM高-DEM高的最大值。

图14 调绘房屋

（3）林区调绘

林区调绘也需要结合DOM、DEM和DSM，同时获取林区的平面位置和林木高度信息。林木高度取林区平面范围内DSM高-DEM高的平均值，但在断面上林木高度取边线范围内DSM高最大值-中心点DEM高。

图15 调绘林木

（4）风偏断面搜索

利用高精度DEM数据，通过坡度判断，可以对风偏断面进行自动搜索。

图16 风偏断面

（6）平断面图制作

平面图绘制完成后，就可以输出平断面图。目前，大部分设计院都使用道亨软件进行排杆定位，通过建立国标编码与道亨编码的转换关系，可以输出道亨ORG格式平断面图。在输出平断面图时，将对断面进行自动处理，主要包括断面地形点的获取（包括中心断面点和左右边线断面点，为了与工测方法保持一致，左右边线断面点分别取左右边线范围内最高点），水域内的断面点移除，林区内树高顶点的添加，交叉跨越顶点的添加等等。

图17 平断面图

五、总结

基于高分辨率正射影像和高精度数字高程模型，可叠加生成三维地面场景，本工程位于山区，地形起伏较大，冲沟较多，通过三维地面场景，可清晰展现地形起伏情况、路沟、房屋分布等，可有效辅助三维数字化设计，一方面可用于路径优化，另一方面也可用于杆塔位置优化，避免杆塔落在悬崖或不良地质区域。同时，无人机航测数据产品的高分辨率和高精度，能够保证平断面测绘的绝大部分工作可以在室内完成，外业只需在定位测量时，校核重要影响地物及危险点，调查房屋、林木等重要地物的属性信息即可。

倾斜摄影测量获取的模型数据，兼顾纹理和精度，是三维数字化设计的最佳数据源，后期随着作业成本的下降和效率的提高，必将取代传统航空摄影测量。目前，主流三维地理信息平台均支持直接加载倾斜摄影测量模型，基于三维地理信息平台开发的输电线路三维数字化设计平台对倾斜模型数据的应用，也是一大趋势。