無人機航測可行性分析報告及應用

1、無人機航測系統(tǒng)可行性分析唐山市新地工程助察設計無人機航測系統(tǒng)技術(shù)說明隨著我國經(jīng)濟的快速開展,對電力能源的需求日益增大,與之相應的電力工程建設的力度也在不斷增強.目前我國的電網(wǎng)規(guī)模已經(jīng)超過美國,居世界第一.已經(jīng)建成東北、華北、華中、華東、西北和南方共六個跨省區(qū)電網(wǎng),其中110KV以上的輸電線路超過51.4萬公里,而500KV輸電線路已成為各大電網(wǎng)的主力.由于我國國土遼闊,地形復雜,平原少,丘陵及山區(qū)較多,氣象條件復雜,對于特高壓和跨區(qū)電網(wǎng)等大型工程的初期規(guī)劃建設,到建成后的日常巡查維護,現(xiàn)有的常規(guī)測試和檢查手段已不能滿足其快速高效的要求.而隨著自動限制技術(shù)、GPSt位導航技術(shù)、航空遙感測繪技術(shù)以

2、及無線電通信等技術(shù)的開展,無人機的使用已參軍事領(lǐng)域拓展到許多民用領(lǐng)域,如地形測繪、災情監(jiān)測、林業(yè)調(diào)查、農(nóng)作物監(jiān)測等.其中利用無人機航空攝影測量能夠高效完成電力建設規(guī)劃及巡查任務.1 .無人機攝影測量技術(shù)概述無人機(unmannedaerialvehicle)是一一種由無線電遙控設備或自身程序限制裝置操縱的無人駕駛飛行器.近年來地理空間信息技術(shù)取得了飛速的開展,尤其是靈活機動、具有快速響應水平的輕小型航空,更是在最近幾年迅速成長,成為航空遙感領(lǐng)域一個引人注目的亮點.無人機航測技術(shù)表達了無人機與測繪的緊密結(jié)合同時也提供了更高效的測繪方式.經(jīng)實驗證實,無人機航測技術(shù)完全可以到達1:1000國家航空攝

3、影測量標準的要求.1.1 無人機航測特點由于航空遙感平臺及傳感器的限制,普通的航空攝影測量手段在獲取小面積、大比例尺數(shù)據(jù)方面存在本錢高、性價比差等問題.具有低本錢和機動靈活等諸多優(yōu)點的低空無人機遙感能在小區(qū)域內(nèi)快速獲取高質(zhì)量遙感影像,是國家航空遙感監(jiān)測體系的重要補充,是航空遙感的未來開展方向.在當今衛(wèi)星遙感和普通航空遙感蓬勃開展的形勢下,輕小型低空遙感是粗中細分辨率互補的立體監(jiān)測體系中不可缺少的重要技術(shù)手段.低空無人機遙感系統(tǒng),作為衛(wèi)星遙感與普通航空攝影不可缺少的補充,它有如下優(yōu)點：無人機可以超低空飛行,可在云下飛行航攝,彌補了衛(wèi)星光學遙感和普通航空攝影經(jīng)常受云層遮擋獲取不到影像的缺陷；由于低

4、空接近目標,因此能以比衛(wèi)星遙感和普通航攝低得多的代價得到更高分辨率的影像；能實現(xiàn)適應地形和地物的導航與攝像限制,從而得到多角度、多建筑面的地面景物影像,用以支持構(gòu)建城市三維景觀模型,而不局限于衛(wèi)星遙感與普通航攝的正射影像常規(guī)產(chǎn)品；使用本錢詠,無人機體形小,消耗低,對操作員的培養(yǎng)周期相對較短.系統(tǒng)的保養(yǎng)和維修簡便,同時不用租賃起飛和停放場地,可以無需機場起降,因而靈活機動,適應性強,容易成為用戶自主擁有的設備；回避了飛行員人身平安的風險；比起野外實測而言,無人機航測方法具有周期短、效率高、本錢低等特點.對于面積較小的大比例尺地形測量任務(10-100平方公里),受天氣和空域治理的限制較多,本錢高

5、；而采用全野外數(shù)據(jù)采集方法成圖,作業(yè)量大,本錢也高.而將無人機遙感系統(tǒng)進行工程化、實用化開發(fā),那么可以利用它機動、快速、經(jīng)濟等優(yōu)勢,在陰天、輕霧天也能獲取合格的彩色影像,從而將大量的野外工作轉(zhuǎn)入內(nèi)業(yè),既能減輕勞動強度,又能提升作業(yè)的技術(shù)水平和精度.1.2 國內(nèi)無人機開展現(xiàn)狀國內(nèi)無人機近幾年來開展比擬快,而除軍事用途外,由于無人機本錢相對較低、無人員傷亡風險、生存水平強、機動性能好、使用方便等的優(yōu)勢,使得無人機在航空拍照、地質(zhì)測量、高壓輸電線路巡視、油田管路檢查、高速公路治理、森林防火巡查、毒氣勘察、緝毒和應急救援、救護等民用領(lǐng)域應用前景極為廣闊.正是由于看到未來無人機的民用市場潛力巨大,除一些

6、科研院所外,民營企業(yè)也開始介入無人機市場.目前粗略估計全國約有170多家單位在生產(chǎn)無人機.2 .無人機系統(tǒng)介紹無人機系統(tǒng)結(jié)合了無人機技術(shù)和攝影測量技術(shù),是較傳統(tǒng)方式更為靈活的航測平臺.無人機系統(tǒng)可快速為用戶獲取采用傳統(tǒng)方式需要較長工程周期和高昂費用才能獲取的正射影像圖DOM和數(shù)字地表模型DSM,可應用在各個領(lǐng)域,包括災害應急制圖、水文地質(zhì)、根底測繪、國土規(guī)劃、地理國情監(jiān)測、礦山、公路、鐵路、水利電力等帶狀地物測圖等等.如下列圖：固定翼無人機圖1Trimble無人機系統(tǒng)UX5旋翼無人機2.1 無人機系統(tǒng)組成無人機系統(tǒng)都是由硬件與軟件組成.2.1.1 硬件配有電子限制裝置的無人飛機發(fā)射架或旋翼備用

7、機身地面限制器或 APP無線通訊模塊(2.4GHz)數(shù)碼相機(已標定)電池充電器高性能鋰電池或燃油備用件2.1.2 軟件系統(tǒng)軟件包括外業(yè)限制軟件與數(shù)據(jù)后處理軟件.(1)外業(yè)操作限制軟件通過該軟件可實現(xiàn)飛行任務設計、飛行規(guī)劃、飛行操作與限制、飛行成果質(zhì)量檢查與分析.圖2無人機系統(tǒng)飛行任務設計口3*rmT3四SizeL5g由WitflfiFcrw5pJijvEiliFSidewardmrlasAreaParwuetfrs圖3無人機系統(tǒng)飛行規(guī)劃fi£?ialgfqVtKlQ?I3mII¥上七i劃中酶g,mffd'kr'liT.Jahth網(wǎng)M1他用訓H|pE7耳/用

8、小FhiruttleEZT1s«0030的111mbMt4南?eik/iIp*ureqLkmDME7外叫T我BaiHr¥OeJSO"f(2) 數(shù)據(jù)后處理軟件,包括GlobalMapper,Pix4Dmappe等該軟件提供簡易、直觀的數(shù)據(jù)處理流程,用于原始數(shù)據(jù)的處理,提取各種成果數(shù)據(jù),如正射影像、數(shù)字高程模型(DEM、KM臍式數(shù)據(jù)、3D真型數(shù)據(jù)以及點云數(shù)據(jù)等.圖4無人機后處理軟件Pix4Dmapper數(shù)據(jù)導入處理圖5無人機系統(tǒng)后處理軟件Pix4Dmapper生成正射影像圖6無人機系統(tǒng)后處理軟件Pix4Dmapper-生成數(shù)字外表模型DSM2.2無人機系統(tǒng)的特點與優(yōu)勢

9、作為全新一代的無人機航空攝影測量測量系統(tǒng),具有以下特點與優(yōu)勢:1 .云下自主飛行,作業(yè)航高在75750m2 .操作簡單、方便快捷、快速高效3 .自動化數(shù)字圖像處理4 .中小區(qū)域測圖,地面采樣間隔GSD到達2.4cm5 .高頻率、多時相掃描拍攝覆蓋整個測區(qū),全自動地采集高分辨率原始數(shù)字圖像,并且每條航帶上的數(shù)字圖像都具有GP航置與飛行姿態(tài)信息.6 .隨時獲取目標區(qū)域圖像7 .作業(yè)平安、無污染8 .高端黑盒電子產(chǎn)品內(nèi)在+可更換的外形9 .充分滿足各種環(huán)境所需10 .測繪級別產(chǎn)品11 3無人機系統(tǒng)的工作原理無人機系統(tǒng)是以無人駕駛飛行器為飛行平臺,搭載數(shù)碼相機進行圖像采集,以獲取高分辨率遙感數(shù)據(jù)為應用

10、目標,通過3%術(shù)在系統(tǒng)中的集成應用,到達實時對地觀測水平和遙感數(shù)據(jù)快速處理.飛行前先通過地面限制平臺電腦或 AP瞇制定飛行作業(yè)方案,如測區(qū)范圍、起飛降落位置、飛行航高、影像重疊率及風向等參數(shù)確實定.系統(tǒng)中的飛行任務設計軟件根據(jù)上述參數(shù)可自動設計出飛行航線以及起飛降落的位置,然后利用無線通訊模塊將飛行方案上傳至自備的電子限制裝置中,然后通過無線通訊模塊與電子限制裝置協(xié)同操縱飛行平臺來完成圖像數(shù)據(jù)采集.12 4無人機系統(tǒng)的作業(yè)流程無人機系統(tǒng)目前已經(jīng)在很多工程中應用,作業(yè)的根本內(nèi)容包括：系統(tǒng)組件連接與安裝、飛行任務設計、外業(yè)數(shù)據(jù)采集圖像數(shù)據(jù)與飛行軌跡數(shù)據(jù)獲取、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理圖像數(shù)據(jù)解算處理,成果數(shù)據(jù)提

11、取等內(nèi)容.二.無人機航測系統(tǒng)的應用目前,無人機已成功應用多個行業(yè),主要應用有：水利、電力等能源與環(huán)境根底誠施與工程監(jiān)測根底測繪,土地治理與規(guī)劃植被監(jiān)測結(jié)合可見光、近紅外圖像應用于精細農(nóng)業(yè)與森林保護災情監(jiān)測、底急快速響應測圖露天礦山測繪3例模與可視化資產(chǎn)治理水文.地質(zhì),考古研究等力山Mining10%農(nóng)業(yè)Agixurtufe能源與環(huán)境Energyandenvironment4%林業(yè)Forestry4%政府Government2%測繪Surveying43%/舞普an.田忠1g_engineering軍事jMHtary4%科研院所攫務提供商Researchariduniversity10%Serv

12、iceProvxfer14%圖7無人機系統(tǒng)應用行業(yè)分布圖無人機航空攝影測量系統(tǒng)具有高靈活、快響應、低本錢、實時等特點與優(yōu)勢,與衛(wèi)星遙感與傳統(tǒng)航空攝影測量相比,尤其在低空獲取高分辨率數(shù)字圖像,輸電線路規(guī)劃、電廠變電站址地形圖像獲取,發(fā)電廠料堆體積計算、災害應急響應等方面,無人機系統(tǒng)具有不可替代的作用.3.1 電力勘察設計采用無人機系統(tǒng)航測,能獲取豐富的數(shù)據(jù)成果.將原始數(shù)據(jù)處理可以獲得分辨率的數(shù)字正射影像DO肺高精度的數(shù)字外表模型DSM在此根底上可以上述數(shù)據(jù)進一步處理,得到DLG等高線等數(shù)據(jù)成果.目前無人機系統(tǒng)作為傳統(tǒng)航空攝影測量的有效補充,主要應用以下兩個方面.3.1.1 工程規(guī)模較小的新建線路

13、航測據(jù)統(tǒng)計,全國每年有數(shù)千公里的線路較短的工程,由于路徑短小,工程時間緊,難以實施大飛行器航飛,同時,這些工程規(guī)模小,也便于收集資料.因此,這些工程還是以傳統(tǒng)的工程測量方法進行路徑選擇設計,無法貫徹全過程信息化技術(shù)的應用,不能對未來整體的智能電網(wǎng)建設提供詳盡的、豐富的根底數(shù)據(jù).而無人機系統(tǒng)可很好地滿足此類工程勘測需要.3.1.2 用于工程路徑局部改線航測電力工程施工定位或建設中可能會遇到一些意想不到的情況,導致路徑的調(diào)整而超出了原有航攝范圍,此時再調(diào)用大飛機進行航空攝影不僅手續(xù)繁瑣、本錢高,而且不能保證工期要求.無人機系統(tǒng)恰恰彌補了傳統(tǒng)攝影測量的缺乏.3.2 優(yōu)化選線設計傳統(tǒng)電網(wǎng)建設流程,包括

14、規(guī)劃、線路設計、桿塔排位、外業(yè)施工等.其中所需的根底數(shù)據(jù)是采用人工測繪或航空測繪方式.電力選線一般包括圖上選線和野外選線兩個過程,圖上選線一般在比例為1:10000、1:5000或更大比例的地形圖上進行,先將線路的起始端標出,然后將一切可能選線方案的轉(zhuǎn)角點用不同顏色的線連接起來,即構(gòu)成假設干個路徑的初步方案.根據(jù)收集到的有關(guān)資料,舍去明顯不合理的方案,對剩下的方案進行比擬和計算,確定2-3個較優(yōu)方案,待野外踏勘后決定取舍,確定線路最正確方案.圖上選線完成之后進行野外選線,將圖上選定的路徑進行現(xiàn)場落實,確定最終線路并埋設標石,用于后期勘測.傳統(tǒng)圖上進行選線時,設計人員使用的地形圖資料由測量專業(yè)組

15、提供或從測繪局購置.傳統(tǒng)地形圖是二維的,三維信息只能通過等高線和高程注記獲取,產(chǎn)品單一且不直觀、精度低、再利用程度不高,僅能滿足各環(huán)節(jié)生產(chǎn)需求,不能有效為電網(wǎng)建設完成后的治理提供支撐；而測量專業(yè)組進行實地地形圖測繪時,速度慢、工期長,而且受到視野局限性的制約,對于植被茂密的地區(qū)無法測量,或直接采取將視野范圍內(nèi)植被砍伐掉再進行測量的手段,造成許多不必要的植被砍伐,破壞了周圍環(huán)境.通過對無人機系統(tǒng)航測拍攝的影像數(shù)據(jù)進行一系列處理,可以得到高精度的DOMDSM等高線以及植被分類圖等豐富的地表信息,結(jié)合DSM口DOMT得到真實的三維場景圖,參考三維場景圖進行電力選線,可從不同視角觀看線路周圍的地物、地

16、貌信息,使設計人員在室內(nèi)即可高效地完成圖上選線及線路優(yōu)化工作.無人機系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)產(chǎn)品在電力選線工程中的具體應用包括以下方面：1線路及立桿點的優(yōu)化設計通過無人機獲取原始數(shù)據(jù)可以得到高精度的DOM口DSM結(jié)合DSM口DOMT生成高分辨率的真實三維場景圖,可以多視角地觀看線路周圍的地貌、地物等豐富的細節(jié)信息,通過放大、縮小、漫游還可以看到全線程的地形條件,可綜合考慮沿線的交通運輸、施工和運行維護的難易程度、對地物的影響及受地形的影響等,從而使設計的立桿點位、線路更合理更經(jīng)濟,對附近環(huán)境和居民的影響降低到最小.圖8路徑選擇(2)估算房屋拆遷數(shù)量及賠償房屋賠償費用在輸電線路建設本錢中占有一局部比例,根

17、據(jù)高分辨率的三維真實景觀圖,可清楚地查看設計線路走廊房屋狀況,包括房屋建筑結(jié)構(gòu)、層數(shù)及占地面積,根據(jù)這些細節(jié)可準備地計算需拆遷房屋數(shù)量,估算賠償費用,使輸電線路建設本錢預算更科學.(3)實時獲取斷面利用生成點云數(shù)據(jù)可以快速獲取不同方向不同深度的斷面圖,可方便地觀看設計電力線與周點云數(shù)據(jù)可以快速獲取不同方向不同深度的斷面圖,可方便地觀看設計電力線與周圍地物在空間上的關(guān)系,如交叉線路在高程上的差異、設計線路與走廊范圍內(nèi)植被的高差等,利于設計線路及桿塔的高度.圖9斷面測量結(jié)合DSM口DO附到的真實三維場景與實際的地形、地貌和地物條件相差很小,最小在厘米級,利用三維真實場景圖在室內(nèi)選線不受視線范圍的限

18、制,大大減少了野外選線的工作量.3.3 電力線路走廊帶環(huán)境影響評價電力線路走廊帶環(huán)境影響評價主要包括三個方面：1線路選線設計時的區(qū)域環(huán)境影響評價；2電力線路運營期間對線路走廊帶內(nèi)環(huán)境的影響；3走廊帶內(nèi)植被、高層建筑、桿塔附近地質(zhì)環(huán)境改變等潛在危險對運營電力線路的影響.高壓輸電線路區(qū)域環(huán)境影響是線路建設占用土地、砍伐樹木、拆遷房屋、破壞植被引起水土流失,甚至觸發(fā)泥石流,給自然環(huán)境造成的損害.為了既保證工程設計質(zhì)量,又保證對環(huán)境影響程度最低.在輸電線路設計過程中應通過充分做好調(diào)研和路徑優(yōu)化工作,并依據(jù)有關(guān)規(guī)定限制對輸電線路對環(huán)境的影響,從而實現(xiàn)保護環(huán)境的目標.而這些工作的實施應以設計線路走廊帶的空

19、間地理數(shù)據(jù)為根底,通過走廊帶線路分析軟件CorridorAnalystRoutingSoftware,從綜合分析地質(zhì)、地形地貌環(huán)境、居民社區(qū)、工程等多種影響因素的角度出發(fā),經(jīng)過該軟件的“確定廣域走廊帶一確定備線路選走廊帶一備選輸電線路選擇一確定首選輸電線路這四步的綜合統(tǒng)計分析評價,找出最優(yōu)輸電線路.在完成最正確輸電線路選擇的同時,也對樹木砍伐、占用土地面積、房屋拆遷等區(qū)域環(huán)境影響做出定量分析與評價.地理空間信息地質(zhì).地形演環(huán)境因素工程因素居民地、社區(qū)因素廣域走廊帶研究區(qū)域備選輸電線路首選輸電線路備選輸電線路走廊帶最優(yōu)輸電線路圖11走廊帶線路分析軟件線路選擇示意圖盡管輸電線路走廊帶的植被會在一定

20、程度上減弱輸電線路引起的電磁影響,但是植被隨著時間的推移會不斷地長高,局部樹木會超出輸電線路的限高標準,影響輸電的正常運行,在雷電、雨雪等惡劣天氣的情況下,有可能造成更嚴重的電力事故.另外,由于地質(zhì)條件、風化、水沖刷、以及道路與水利施工等因素,桿塔附近可能出現(xiàn)塌陷,滑坡、位移等現(xiàn)象,這對輸電線路的平安也會有極大的危害.鑒于此,需要對輸電線路走廊帶進行動態(tài)監(jiān)測,并做出相應的環(huán)境影響分析.基于無人機系統(tǒng)采集的不同時期高分辨率數(shù)字圖像,通過樹木長勢的模擬,評估植被在不同時期對輸電線路的影響.同時通過對塔桿附近的區(qū)域的DEMTDT瞰據(jù),查看塔桿附近區(qū)域的地形變化,進行相關(guān)的地質(zhì)變化分析.3.4 發(fā)電廠

21、變電站址地形測量相比擬而言,在對電廠變電站址等小區(qū)域的地形測量時,最有效的方式就是無人機測繪.由于它可以為站址的選擇提供更詳盡的根底資料和清楚的影像資料,有效降低測繪的強度,同時提升了規(guī)劃的效率,降低了測繪本錢.圖26無人機系統(tǒng)獲取的變電站數(shù)據(jù)三、無人機航測系統(tǒng)投資回報分析近幾年來無人機航測技術(shù)在國內(nèi)開始熱門起來,由于該技術(shù)比起傳統(tǒng)測繪技術(shù)來,有著極其優(yōu)越的特性,可獲取無以倫比的多層次成果和成萬倍生產(chǎn)效率的提升；并且經(jīng)過十多年來的飛速開展,該技術(shù)已經(jīng)相當成熟,不僅僅是實驗室而是已經(jīng)走向了實用,各大測繪廠商瞄準了其光明的前景而紛紛投入巨資參與研發(fā)使其進入了批量生產(chǎn)、產(chǎn)業(yè)化應用的階段.隨著經(jīng)濟的開

22、展,無人機航測系統(tǒng)從上個世紀末就開始引進中國,首先是引起了科學研究單位的注意,隨著這幾年的航測技術(shù)和影響成果的不斷應用,人們開始熟悉到該技術(shù)的先進性和廣闊的應用前景.這些運用無人機航測技術(shù)的先行者都把這個技術(shù)比做15年來與GPS全球衛(wèi)星定位測量技術(shù)一樣的劃時代的測繪技術(shù),認為它像15年前出現(xiàn)在國內(nèi)的GPSK術(shù)一樣將極大的促進測繪行業(yè)的開展.無人機航測技術(shù)將給測繪工作帶來深刻的變化.首先從外業(yè)數(shù)據(jù)采集上,無人機航測技術(shù)是無接觸測量技術(shù),這使得它直接突破了傳統(tǒng)光學全站儀和GP或術(shù)的限制.使用者無需離開儀器即可采集數(shù)據(jù),以往難于到達目標物的工程工程得以方便的完成.如：地形測量上的高懸的陡崖、隔河流的

23、邊坡監(jiān)測、危險的滑坡地段,有毒區(qū)域的測量、危險的高壓電力設施等等.這些工程在以往是很難或者無法完成的高技術(shù)高“含金量的工程,有了無人機航測系統(tǒng),平安系數(shù)大大提升.當然,該技術(shù)用在較為普通的工程上也很有意義,由于它面式掃描測量、需要跑棱鏡或者安放GP或受機的工作變成“無接觸、無跑動的工作,減少了工作量,減少了人力,減少了人為誤差,降低了勞動強度,還提升了效率.另外,無人機航測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速度是常規(guī)儀器的數(shù)萬倍,極大地提升了外業(yè)工作的效率.比方測繪一個平方公里的1:2000地形圖全站儀人工跑棱鏡測圖,幾乎是一臺全站儀2個人苦干兩天的工作,即使是用1+1RT也術(shù)也需要2天,而使用無人機加一個人僅需要不到30分鐘.其效率是不言而喻的,效益也是非常明顯的.可能有人會說航測的內(nèi)業(yè)工作量巨大,由于航片的數(shù)據(jù)需要人工拼接,處理成圖,費時費力.其實這已經(jīng)是過去了,現(xiàn)有軟件已經(jīng)很好地實現(xiàn)圖幅的自動拼接和匹配,數(shù)據(jù)的自動化處理成都也很好,而且數(shù)據(jù)精度可靠、整體一致性好.在航測后處理軟件里,數(shù)據(jù)可以任意的裁剪、取樣.如選擇不同的