基于無人機自動駕駛技術的前期選址選線

李建波

（廣東電網有限責任公司江門供電局，廣東 江門 529000）

0 引言

目前輸電線路選線的相關研究主要集中在利用傾斜攝影技術優化選線設計，首先通過航測獲取外業數據，然后對采集的外業數據利用軟件系統進行三維建模，最后通過三維模型進行初步選線，只是硬件設備和三維建模使用的軟件系統有所不同[1-3]。鑒于此，項目組在研究現狀的基礎上提出利用無人機自動駕駛技術進行點云采集和實景視頻錄制，提供直觀結果。本文首先提出利用無人機自動駕駛的通道巡檢及點云采集以獲取外業數據，然后結合傾斜攝影技術構建擬選定線路周邊范圍的高精度三維點云模型和實景視頻，讓線路設計人員可以直觀立體地了解現場情況，從而提高輸電線路規劃的工作效率、準確程度，最后分析未來還可實現隱患預測、場景預演、降低外界施工對桿塔的影響等功能。

1 無人機自動駕駛獲取數據

1.1 方案設計

點云采集：傾斜攝影技術是指從一個正上方垂直、四個其他側面傾斜，總共五個不同的角度進行現場影像采集，再由結算軟件將各角度影像拼接成實景三維模型，相比于普通照片僅能展示一個角度，傾斜影像可從多角度反映地表障礙物的實際情況，將用戶引入符合人眼視覺的真實直觀世界。航向重疊率、旁向重疊率是能獲取清晰的拍攝圖像、建立完整模型的重要條件，當兩者均大于80%時，可優先降低地物在影像上的投影差。本文對于傾斜攝影的應用主要是在僅憑圖紙資料難以落實路徑位置的地段，如重要或特殊跨越、進出線走廊、城鎮擁擠地段、惡劣氣象地段、樹木生長區等。其次，也需要對粗飛視頻中出現的變化較大地段進行傾斜攝影。

通道巡檢：本文方案基于廣東電網機巡作業中心自主研發的智巡通軟件的通道巡檢及點云采集功能和無人機自動駕駛技術，包含飛行機器選擇、航線規劃、影像采集等數據的確認。本方案作業采用大疆精靈4 RTK無人機，其自帶RTK模塊擁有強大的抗干擾能力與精準定位能力，提供實時厘米級定位數據和高精度影像采集數據，并采用廣東電網自研的智巡通軟件進行航線規劃和通道巡檢自動駕駛飛行采集數據?？紤]到輸電線路走廊多為山區，地形起伏較大，應綜合經濟、成本和周邊環境等因素，確定相對航高、重疊度、起降點、飛行路徑等航線因素。

1.2 作業要求

1）人員要求。作業人員均應具有一年及以上高壓輸電線路工作經驗，掌握DL/T 741—2019《架空輸電線路運行規程》有關專業知識。操作人員應熟悉無人機巡檢作業方法和技術手段，并取得無人機執照，持證上崗。

2）裝備要求。作業無人機需要滿足一定的硬件要求，可拍攝和錄制清晰的照片和視頻，具有完善的定位導航系統，用于精細化巡檢的多旋翼無人機需要搭載RTK定位設備，飛機需要具備智能飛控系統，支持自定義飛行航線及動作。本方案采用精靈PHANTOM 4 RTK作為飛行平臺。

3）現場及飛行要求。作業現場應遠離可能影響無人機飛行的區域。無人機起降點應與粗選路徑和其他設施、設備保持足夠的安全距離，具備起降條件。工作地點、起降點及起降航線上應避免無關人員干擾，必要時可設置安全警示區。

4）氣象要求。作業宜在良好天氣下進行。起飛前，應確認現場風速符合該機型作業范圍，作業人員應根據無人機的性能及氣象情況判斷是否開展作業。

5）通信要求。無人機與遙控器之間通過無線射頻信號進行數據傳輸，所以必須保障遙控器與無人機之間通信良好，作業現場不應使用可能對無人機造成干擾的電子設備。

6）安全注意事項。無人機起飛和降落時，作業人員應與無人機保持足夠的安全距離，不應站在無人機巡檢航線的正下方。作業前，無人機應預先設置緊急情況下的安全策略。起飛前必須檢查無人機及支持作業的各個系統（指南針系統、導航系統、基站系統、通信系統、動力系統、影像系統、避障系統等）是否正常，排除可能造成作業安全事故的一切不良因素。

7）RTK定位精度要求。飛機飛行周圍環境復雜，尤其是高壓帶電設備，如果飛行位置有偏差，可能會造成飛機損毀的事故，甚至導致電力線損壞，所以應控制飛機飛行RTK定位設備定位精度在0.2 m范圍內，即設計的航點坐標和飛機實際飛行的位置誤差不超過0.2 m，設計的航點高度和飛機實際飛行的高度誤差不超過0.2 m。

1.3 外業數據采集

1）通道巡檢實景視頻錄制實施步驟。

（1）準備工作：通過奧維地圖導入1∶10 000地形圖上粗選的路徑，熟悉擬定路徑區域的地形地貌特點，確定巡檢方案及擬定虛擬桿塔位置方案，并在奧維地圖上標記虛擬桿塔位置及高程，生成自動駕駛kml航線文件，導入智巡通軟件指定位置。（2）飛行相關參數設置：打開飛行平臺遙控器及飛行器，分別開啟DJI Pilot和智巡通軟件，開啟網絡RTK功能，設置飛行參數及返航高度等。（3）飛行器起飛設置：檢查無人機狀態，在智巡通軟件數據采集里選擇通道巡視，打開自動駕駛航線，根據周邊作業環境、無人機作業半徑及作業時間選取作業區段，設置起降航高、飛行速度、云臺角度（21°～23°為佳）等數據，任務模式選擇視頻拍攝，飛行前檢查完畢后，飛行器開始自動駕駛通道巡視實景視頻錄制，飛行過程中作業人員應時刻注意無人機的飛行狀態，完成任務后無人機將安全返航，更換無人機電池及作業區段，繼續執行下次任務。（4）航測數據檢查：作業結束后，導出通道巡檢視頻，并檢查數據有無桿塔區段缺失等，確保準確無誤后即可結束通道巡檢。

2）點云采集實施步驟。

（1）準備工作：將自動駕駛通道巡檢的kml航線文件導入智巡通軟件指定位置。（2）飛行相關參數設置：打開飛行平臺遙控器及飛行器，分別開啟DJI Pilot和智巡通軟件，開啟網絡RTK功能，設置飛行參數及返航高度等。（3）無人機起飛設置：檢查無人機狀態，在智巡通軟件數據采集里選擇點云采集，打開自動駕駛航線，根據周邊作業環境、無人機作業半徑及作業時間選取作業區段，設置航線高度、起降航高、成像距離等數據，飛行方式選擇蛇形飛行。航線高度：對于規劃110 kV及以上高壓輸電線路，航線高度應大于80 m，遇到起伏比較大的地形可采用可變航高進行點云采集。起降航高：無人機從起飛點坐標飛往作業起點和從作業終點飛回降落點的飛行高度（相對高度），設置原則是足夠避開飛行路徑中的障礙物。成像距離：無人機與拍攝目標的距離，用于計算旁向航線的密度。默認設置30 m（成像距離42 m以下，無人機飛行速度為1 m/s；42～82 m，速度為3 m/s；82～100 m，速度為4 m/s）。規劃110 kV及以上高壓輸電線路速度建議在3 m/s以內，針對路徑在魚塘、馬路等背景顏色特殊的場景，建議采用高密度飛行方案，飛行速度為2 m/s。（4）航測數據檢查：采集完數據后，導出數據進行分區段保存，便于后期建模，并對數據進行檢查，確保準確無誤后即可結束點云采集。

2 內業數據處理生成三維模型

內業數據處理主要是對點云所采集的影像數據等外業數據進行檢查、預處理、空三計算后，獲取所需要的三維點云模型。大疆智圖是一個能將無人機采集的數據轉化為數字化二維正射影像與三維模式的無人機航測軟件，可根據農田、城市等不同場景分別優化算法，準確細致地呈現目標對象和測區，適用于大規模數據的三維重建。

本方案將數據導入大疆智圖軟件，通過導入影像數據、一鍵上傳、設置工程參數、設置輸出坐標系、空三處理、刺點等工序生成三維模型，精度可滿足電力巡線場景的展示與精確測量需求。

為了實現數據可視化，更有效地分析粗選路徑通道情況，本文將大疆智圖生成的模型導入LiDAR360進行分析，通過導入數據、標記模擬桿塔、裁切、分類、去噪、分離植被/地線和交跨線、風險點檢測、交叉跨越分析、樹生長分析、樹倒分析等工序，生成渲染圖片（圖1），最后生成報告，報告所提供的參數應用于輸電線路前期選址選線。

圖1 三維模型分析圖

3 在選線工程中的應用

3.1 線路設計

基于高壓輸電線路的實際需求，通過初勘路徑周圍三維立體模型和實景視頻，可對路徑周邊交叉跨越情況有清晰的認識，選線時可減少沿線的交叉跨越數量，滿足盡量平行已有電力線路的選線原則，三維模型及實景視頻可有效統計敏感點的建筑物面積、數量。最后，利用三維點云模型及實景視頻對多個可行性設計方案進行對比，確定最優設計方案。

3.2 施工過程

傳統的勘察手段由于只能從二維平面反映通道情況，往往只能提供一個施工材料物資的運輸方案，且線路投運后該道路通常需恢復原用途，未能考慮日后線路運行期間的交通運輸條件、施工的難易程度以及投運后的檢修工作。點云采集所建立的三維模型可從多角度反映地表障礙物，便于設計人員擬定數個備選路徑，綜合道路修整、房屋拆遷、地形地貌、交通便利性等，詳細記錄各個路徑方案的優缺點，并提出可行的修改方案。

3.3 青苗賠償問題

實地勘察存在局限性，無法有效估算電力線路保護區內的所有樹木，導致投運后經常出現運維班組與樹主之間的青苗賠償問題。通過點云采集三維建模及實景視頻，可對初選路徑的樹木高度進行自動量測，并劃定砍伐區域、統計砍伐量。上文中提到的施工運輸路徑往往也涉及樹木砍伐，降低砍伐量，避開樹林密集區也是擬定備選施工方案的考量之一。此外，前期青苗賠償問題的解決，也能給投運后的運維工作帶來很大幫助。

4 功能展望

三維建模不僅用于目前的現場實景模擬，還可根據三維建模進行隱患預測。根據物理、化學、生物、環境等客觀規律對設定的故障點進行樹木生長、樹木倒伏、構件異常等缺陷或隱患發展模擬，提前發現輸電設備運行中存在的安全隱患，實現風險管控前移。

此外，根據輸電線路三維模型可進行場景預演。對輸電設備運行情況開展大風、高溫、覆冰等異常天氣、線行下方大型機具作業、線路大負荷運行、電纜檢修等各類場景的模擬預演，通過安全距離檢測技術動態計算潛在隱患的安全距離，能提前發現導線運行中存在的安全隱患。場景預演內容包含導線風偏舞動、高溫或覆冰天氣下的導線弧垂變化、臺風路徑變化、線行下吊車作業、電纜檢修等。根據預演選擇合適的塔型、塔高等，可以減少外界施工對桿塔的影響。