无人机航测可行性分析报告及应用

实用文档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实用文档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(unmannedaerialvehicle)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：空摄影经常受云层遮挡获取不到影像的缺陷；分辨率的影像；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；,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；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实用文档限制较多，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实用文档实用文档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APP通讯模块(2.4GHz)实用文档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实用文档图3无人机系统飞行规划（2）数据后处理软件，包括GlobalMapper，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数据导入处理实用文档图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实用文档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．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：实用文档3D建模与可视化图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。实用文档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。实用文档图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。实用文档图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。实用文档图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（CorridorAnalystRoutingSoftware），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—确定首选输实用文档电线路”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