无人机航测可行性分析

无人机航测系统可行性分析陕西省电力设计院2014-08-18一、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搞笑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(10-100km2)，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. Trimble无人机系统UX5介绍无人机系统UX5是美国天宝（Trimble）公司自主研制的一套航空摄影测量系统，该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。

UX5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和数字地表模型（DSM），可应用在各个领域，包括灾害应急制图、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。

2.1Trimble无人机系统组成Trimble无人机系统UX5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✧ 备用机身✧ 地面控制器✧ 无线通讯模块(2.4 GHz)✧ 数码相机（已标定）✧ 电池充电器✧ 2 块高性能锂电池✧ 备用件2.1.2软件Trimble车载移动测绘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Trimble Access航空摄影应用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3 Trimble无人机系统飞行任务设计图4 Trimble无人机系统飞行规划图5 Trimble无人机系统飞行操作与控制（2）数据后处理软件Trimble Business Center（TBC）摄影测量模块该软件提供简易、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6 Trimble无人机系统后处理软件TBC摄影测量模块——输入导入图7 Trimble无人机系统后处理软件TBC摄影测量模块——地面控制点识别图8 Trimble无人机系统后处理软件TBC摄影测量模块——生成正射影像图9 Trimble无人机系统后处理软件TBC摄影测量模块——生成数字表面模型（点云）2.2Trimble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2.4cm5. 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▪ 机腹着陆：防摔▪ 着陆时的反推力让降落在有限空间内更加精准▪ 抗风：7级▪ 抗雨：小雨10. 测绘级别产品2.3Trimble无人机系统的工作原理Trimble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。

2.4Trimble无人机系统的作业流程Trimble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。

具体作业流程如下图所示。

图10 Trimble无人机系统作业流程2.5Trimble无人机系统的数据解算处理在数据采集完成后，将无人机系统获取的图像数据、飞行轨迹数据以及控制点数据备份到移动硬盘上，进行内业解算处理。

目前Trimble无人机系统配置的后处理软件是Trimble Business Center摄影测量模块。

该模块可将原始数据通过简易、直观的数据处理流程处理，获得测区正射影像与数字表面模型等成果数据。

数据处理步骤大致如下。

（1）创建工程，导入原始数据（图像数据、日志文件、飞行轨迹文件）（2）（3）图11 TBC 摄影测量模块——创建工程，并进行工程设置图12 导入原始数据（2）数据导入完成后，通过连接点进行图像校正图13 TBC摄影测量模块——通过连接点校正图像（3）在完成通过连接点进行图像校正后，如有地面控制点可通过地面控制点对图像进行进一步的校正处理。

图14TBC摄影测量模块——通过地面控制点校正测区图像（4）经过上述处理后，生成成果数据。

图15 TBC摄影测量模块——生成正射影像图16 TBC摄影测量模块——生成点云数据图17 正射影像发布到Google Earth上二．无人机航测系统的应用目前，Trimble无人机已成功应用多个行业，主要应用有：✧ 地形测绘✧ 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✧ 地质、考古研究等图17 Trimble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，Trimble无人机系统UX5具有不可替代的作用。

3.1电力勘察设计采用Trimble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。

图18高分辨率的数字正射图像DOM图19高精度的数字表面模型DSM 图20 等高线目前Trimble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Trimble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。

Trimble无人机系统“三高一低”特点，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。