陶雄俊

（中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司昆明局，昆明 650217）

0 前言

特高壓直流輸電線路是電網(wǎng)的重要組成部分，具有輸送容量大、輸電距離遠(yuǎn)，安全可靠性高等特點(diǎn)。線路通道內(nèi)的超高樹木、交叉跨越、違章作業(yè)施工等目標(biāo)對(duì)特高壓直流線路運(yùn)行存在著較大的安全隱患。通道管控一直是特高壓直流線路運(yùn)維管理的一項(xiàng)重要工作內(nèi)容，但由于監(jiān)控困難或查找不及時(shí)，時(shí)常發(fā)生樹障放電或外力破壞導(dǎo)致的線路跳閘停電事件，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鹕只馂?zāi)[1-2]。

目前，激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)已經(jīng)成熟應(yīng)用到輸電線路勘測(cè)設(shè)計(jì)中，但在輸電線路巡檢中的應(yīng)用尚屬探索階段[3]，且因設(shè)備成本昂貴、人員技術(shù)要求高[4-6]，不利于基層單位大范圍推廣使用。而在基于遙感的電力線路巡檢影像處理技術(shù)與建模方面，利用攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行電力線路運(yùn)維管理經(jīng)實(shí)踐證明是可行的，不僅成本低，效率高，而且極大地節(jié)省了人力、物力[7-10]。鑒于攝影測(cè)量具有成本低、速度快、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因而在重點(diǎn)區(qū)段或小范圍區(qū)域測(cè)量上更有優(yōu)勢(shì)，易于基層單位推廣。

本文主要基于攝影測(cè)量技術(shù)，研究解決常規(guī)攝影測(cè)量無法復(fù)原導(dǎo)線點(diǎn)云模型的難題，并針對(duì)輸電線路設(shè)備與地形特點(diǎn)，開發(fā)出輸電線路航線輔助規(guī)劃工具和點(diǎn)云分析工具，快速完成特高壓直流線路影像數(shù)據(jù)采集和導(dǎo)線點(diǎn)云模型生成，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線與其周圍地物空間位置關(guān)系快速評(píng)估與計(jì)算，進(jìn)而為特高壓直流線路通道管控提供決策依據(jù)，確保輸電線路運(yùn)行安全。

1 無人機(jī)相機(jī)參數(shù)計(jì)算

為確保攝影測(cè)量數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，需全面計(jì)算無人機(jī)相機(jī)參數(shù)，便于后期無人機(jī)航線的精準(zhǔn)規(guī)劃。

1.1 傳感器參數(shù)

當(dāng)前市場(chǎng)上無人機(jī)傳感器參數(shù)僅提供簡(jiǎn)單參數(shù)，對(duì)于詳細(xì)參數(shù)需重新查詢計(jì)算。以大疆精靈 Phantom 4 Pro 為例，根據(jù)大疆提供的技術(shù)參數(shù)，影像傳感器參數(shù)為1 英寸CMOS，在照片尺寸為3:2 寬高比時(shí)，其照片分辨率為5472×3648 像素，則其傳感器尺寸為13.2 mm×8.8 mm。

圖1 傳感器參數(shù)

圖2 無人機(jī)飛行高度計(jì)算原理

1.2 鏡頭實(shí)際焦距

目前傳感器鏡頭常標(biāo)注為35 mm 格式等效鏡頭，需轉(zhuǎn)化為實(shí)際焦距，如在傳感器尺寸3:2比例的情況下，實(shí)際焦距FR的計(jì)算公式如（1）：

式中，F(xiàn)35為對(duì)應(yīng)于35 mm 等效物的焦距，F(xiàn)R為鏡頭實(shí)際焦距，SW為實(shí)際傳感器寬度。

2 無人機(jī)航線規(guī)劃

航線規(guī)劃算法是無人機(jī)技術(shù)中的重要組成部分, 對(duì)于提高無人機(jī)的生存能力和任務(wù)的成功率意義重大[11-14]。由于常規(guī)攝影測(cè)量航線規(guī)劃工具均以地表作為近似平面，無人機(jī)在飛行過程中保持水平飛行開展數(shù)據(jù)采集，此種作業(yè)方式在地形高差大的山區(qū)常常會(huì)因?yàn)橹丿B度不足，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理無法完成或?qū)Ь€點(diǎn)云殘缺不全，因此需結(jié)合輸電線路設(shè)備及通道地形特點(diǎn)，重新優(yōu)化無人機(jī)飛行航線。

2.1 飛行相對(duì)高度計(jì)算

根據(jù)成像原理，無人機(jī)飛行高度計(jì)算如圖2所示。

為保障采集影像擁有足夠重疊度，無人機(jī)的飛行相對(duì)高度應(yīng)以導(dǎo)線掛點(diǎn)作為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，為便于導(dǎo)線能夠被相機(jī)高清采集，每根子導(dǎo)線直徑長(zhǎng)度方向應(yīng)在采集相片中不少于1 像素。推導(dǎo)出無人機(jī)最大飛行高度公式如（2）：

式中，d 為導(dǎo)線直徑，NWP為寬度方向像素量，Hd為導(dǎo)線掛點(diǎn)相對(duì)參考面高度。

2.2 航線重疊度計(jì)算

足夠的相片重疊是攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理的前提條件，為保證航測(cè)區(qū)段導(dǎo)線點(diǎn)云模型的連續(xù)性和完整性，需將相對(duì)導(dǎo)線高度時(shí)對(duì)應(yīng)重疊度轉(zhuǎn)化為相對(duì)地表重疊度，如圖3 所示。

圖3 重疊度計(jì)算原理圖

圖4 飛行控制程序航線規(guī)劃界面

根據(jù)重疊度計(jì)算原理圖推導(dǎo)出無人機(jī)重疊度轉(zhuǎn)換公式：

式中，Pf為相對(duì)地表重疊度，P 為相對(duì)導(dǎo)線重疊度。

2.3 飛行總體評(píng)估

根據(jù)計(jì)算獲取的飛行高度Hf與地表重疊度Of參數(shù)在專業(yè)的飛行控制程序中進(jìn)行設(shè)置，即可在保證導(dǎo)線足夠的重疊度前提下，自動(dòng)完成飛行航線規(guī)劃，如圖4 所示。同時(shí)，為保證拍攝照片質(zhì)量，飛行作業(yè)應(yīng)盡量選擇在正午或陰天進(jìn)行。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 控制點(diǎn)設(shè)置

控制點(diǎn)數(shù)據(jù)采集采用GPS-RTK 完成，由于GPS-RTK 與傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)相比，不受通視條件的限制，測(cè)量的距離遠(yuǎn)、速度快、精度高，在工程應(yīng)用中可以顯著地提高測(cè)量速度、測(cè)量精度和生產(chǎn)效率[15-17]?？紤]線路走廊帶狀特性，為使控制點(diǎn)在測(cè)區(qū)合理分布，可在輸電線路測(cè)區(qū)范圍內(nèi)兩端及中間加入控制點(diǎn)不少于3 個(gè)，通常100 張相片控制點(diǎn)6 個(gè)左右。控制點(diǎn)可用石灰粉在地面撒出十字標(biāo)記符號(hào)，并用RTK 精確測(cè)量出相對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

3.2 控制點(diǎn)與連接點(diǎn)加入

在Pix4D mapper 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，為提高刺點(diǎn)效率，可以在初步處理后，在空三射線編輯器中設(shè)置控制點(diǎn)和添加連接點(diǎn)，其中連接點(diǎn)應(yīng)選擇典型特征物體且位于地表，并在不同高程中均勻分布。

4 數(shù)據(jù)應(yīng)用

4.1 點(diǎn)云直接測(cè)量分析

利用Pix4D mapper 軟件內(nèi)部量測(cè)分析功能，可直接選取導(dǎo)線點(diǎn)云與地表點(diǎn)云進(jìn)行測(cè)量，為提高測(cè)量導(dǎo)線對(duì)地表距離，可多次選取地表測(cè)量點(diǎn)與導(dǎo)線測(cè)量點(diǎn)，獲取最小距離數(shù)值為測(cè)量值。同時(shí)可以使用空三射線編輯器中對(duì)測(cè)量點(diǎn)重新刺點(diǎn)，對(duì)測(cè)量位置進(jìn)行校正。

4.2 定制工具快速分析

將Pix4D mapper 軟件生成Las 點(diǎn)云文件導(dǎo)入定制開發(fā)工具，利用掛點(diǎn)位置與弧垂參數(shù)等信息，快速完成導(dǎo)線對(duì)象模型的構(gòu)建。在測(cè)量分析時(shí)，通過調(diào)整導(dǎo)線位置與地表相切，即可快速計(jì)算出導(dǎo)線與地表距離關(guān)系，如圖5 所示。

圖5 定制工具距離分析

5 結(jié)束語(yǔ)

1）本文在常規(guī)飛行控制程序上針對(duì)特高壓直流線路開發(fā)出航線輔助規(guī)劃工具，使采集相片經(jīng)處理后能夠完整復(fù)原導(dǎo)線點(diǎn)云模型。

2）提出了針對(duì)特高壓直流線路數(shù)據(jù)處理方式，通過加入地面控制點(diǎn)與連接點(diǎn)，提高了數(shù)據(jù)處理精度。

3）實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，本文研究的導(dǎo)線模型構(gòu)建方案可高效應(yīng)用于特高壓直流線路通道巡檢及交叉跨越檢查，其數(shù)據(jù)分析結(jié)果與人工地面巡查與測(cè)量結(jié)果一致，能可靠檢查輸電線路通道狀況，發(fā)現(xiàn)多種安全隱患，為運(yùn)維管理提供決策依據(jù)。生成點(diǎn)云模型還可以為隱患評(píng)估提供可視化場(chǎng)景信息，方便人工輸助診斷和排查，提高了輸電線路巡檢質(zhì)量和效率。

4）本文研究的特高壓直流線路導(dǎo)線模型復(fù)原與應(yīng)用的解決方案，投入成本低、操作簡(jiǎn)單，易于在特高壓電直流線路運(yùn)維管理中推廣和使用。