无人机航测可行性分析及应用

无人机航测系统可行性分析 唐山市新地工程勘察设计有限公司 一 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高效完成电力建 设规划及巡查任务 1 无人机摄影测量技术概述 无人机 unmanned aerial vehicle 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 10 100平方公里 受天气和空域管理的 限制较多 成本高 而采用全野外数据采集方法成图 作业量大 成本也高 而将无人机遥感系统进行工程化 实用化开发 则可以利用它机动 快速 经 济等优势 在阴天 轻雾天也能获取合格的彩色影像 从而将大量的野外工作 转入内业 既能减轻劳动强度 又能提高作业的技术水平和精度 1 2国内无人机发展现状 国内无人机近几年来发展比较快 而除军事用途外 由于无人机成本相对较低 无人员伤亡风险 生存能力强 机动性能好 使用方便等的优势 使得无人机 在航空拍照 地质测量 高压输电线路巡视 油田管路检查 高速公路管理 森林防火巡查 毒气勘察 缉毒和应急救援 救护等民用领域应用前景极为广 阔 正是因为看到未来无人机的民用市场潜力巨大 除一些科研院所外 民营 企业也开始介入无人机市场 目前粗略估计全国约有170多家单位在生产无人机 2 无人机系统介绍 无人机系统结合了无人机技术和摄影测量技术 是较传统方式更为灵活的航测 平台 无人机系统可快速为用户获取采用传统方式需要较长项目周期和高昂费 用才能获取的正射影像图 DOM 和数字地表模型 DSM 可应用在各个领 域 包括灾害应急制图 水文地质 基础测绘 国土规划 地理国情监测 矿 山 公路 铁路 水利电力等带状地物测图等等 如下图 固定翼无人机 旋翼无人机 2 1无人机系统组成 无人机系统都是由硬件与软件组成 2 1 1硬件 配有电子控制装置的无人飞机 发射架或旋翼 备用机身 地面控制器或手机APP 无线通讯模块 2 4 GHz 数码相机 已标定 电池充电器 高性能锂电池或燃油 备用件 2 1 2软件 系统软件包括外业控制软件与数据后处理软件 1 外业操作控制软件 通过该软件可实现飞行任务设计 飞行规划 飞行操作与控制 飞行成果质量 检查与分析 图 2 无人机系统飞行任务设计 图 3 无人机系统飞行规划 2 数据后处理软件 包括Global Mapper Pix4Dmapper等 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 4 无人机后处理软件 Pix4Dmapper 数据导入处理 图 5 无人机系统后处理软件 Pix4Dmapper 生成正射影像 图 6 无人机系统后处理软件 Pix4Dmapper 生成数字表面模型 DSM 2 2 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 4cm 5 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 10 测绘级别产品 2 3 无人机系统的工作原理 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或手机 APP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 4 无人机系统的作业流程 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 二 二 无人机航测系统的应用 目前 无人机已成功应用多个行业 主要应用有 水利 电力等能源与环境 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 水文 地质 考古研究等 图7 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 无人机系统具有不可替代的作用 3 1电力勘察设计 采用无人机系统航测 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 目前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 难以实施大飞行器航飞 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 无人机系统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 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8 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9 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 10 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 通过走廊带线路分析软件 Corridor Analyst Routing Software 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11 走廊带线路分析软件线路选择示意图 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 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26 无人机系统获取的变电站数据 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 验室而是已经走向了实用 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 1 RTK 技术 也需要 2 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