差分GNSS无人机航测系统在输电线路工程中的应用

一、引言

目前，输电线路勘测设计主要使用传统的航空摄影测量技术，该技术成熟、应用广泛，但对天气和机场条件的依赖性大、成本较高、摄影周期较长。无人机航空摄影因成本低、机动灵活、效率高、受空域政策影响较小，在输电线路勘测设计中应用越来越广。特别是，随着具备PPK等功能的差分GNSS无人机航测技术的出现，使得电力测绘人员能够利用稀少控制条件下生产出满足设计要求高精度的三维立体模型，更快更好的服务于电力勘测设计。

今年，我院承接了江苏省首条500kV三维设计试点线路工程——500kV斗山~茅山输电线路工程。本工程，使用飞马F200固定翼无人机航测系统获取了沿线路通道内三维立体模型，为输电线路三维设计的推广具有一定的参考价值。

二、项目应用分析

1 项目概况

500kV斗山~茅山线路为江苏苏南电网主干通道内的一条重要送电线路,其功能主要为扩大承接皖电东送，满足华电句容、谏壁电厂等电源电力送出需求。本次航飞线路路径为52km。测区内以平原为主，最高海拔18m，最低海拔1米。测区交通便利，但输电通道十分拥挤，其中房屋众多、水系密集、交叉跨越复杂，测绘难度较大，见图1。

图1 线路路径

2 技术流程

无人机低空摄影辅助输电线路勘测设计主要分成以下六个阶段，其主要技术流程如下图2所示。

图2 技术流程

3 无人机航空摄影

本测区采用带PPK差分GNSS功能的飞马F200固定翼无人机进行低空摄影，F200搭载了SONY DSC-RX1R II相机，相机焦距为35mm。本次航线设计为航向重叠率为80%，旁向重叠率为60%，航高设定为500米，地面分辨率为6.4cm；为确保线路转角处的航测精度设置了航线拐弯辅助点，根据路径的特点路径带宽为500~700米不等。本工程共选择3个起降场地，飞行5个架次，每次飞行时间为50分钟左右，航线布设如图3所示。在短短的一天时间内即完成了全部的航空摄影工作，共获取影像2445张。坐标系统为1954北京坐标系。

图3 航线布设

4 外控点的布设

外业像控测量对无人机航空摄影测量的精度具有重要作用，是空三解算的依据。为确保航测精度，每个架次飞行前均应布设一定数量的像控点。按照《电力工程数字摄影测量规程》外控点的布设要求，若采用常规航空摄影测量因线路走向不规则，需要多个航带的影像，而每条航线均需布设不少6个外控点，且外控点需要根据地物特征现场进行反复比对选择，正常情况下外控测量至少3天时间才能完成。与常规航空摄影布设不同,依托于飞马F200高精度的PPK差分GNSS功能，每个架次只需布设6个外控点，即沿线路两端各布设一对像控点、中间再布设一对像控点。本工程共布设像控点30个，并另选择了20个地物特征点作为检查点，短短的一天时间即完成了全线外控测量工作。

5 无人机数据处理流程

如图4所示，给出差分GNSS无人机低空摄影的数据处理流程。

图4 无人机数据处理流程

本工程无人机数据处理主要依靠“飞马无人管家专业版”（以下简称“管家”）。处理时采用各架次单独处理，首先将各架次的航飞姿态数据进行PPK解算，所有解算Q1值均在95以上，表明照片对应曝光点的整周模糊度达到了固定解，定位精度较好。最后通过我院自主研发的《苏电测绘协同工作平台》中的坐标系统转换模块，将POS数据对应的经纬度坐标转换成1954北京坐标系下的网格坐标。

图5 “管家”外控预测刺点

根据解算的高精度POS数据，在“管家”中进行初始的空三计算后，将外控点导入“管家”中。因本次解算的POS精度较高，外控点预测的位置偏离实际位置较小,绝大部分外控点偏移均在2~3个像素以内，如图5所示。因此，内业人员可以较为轻松的完成了全部外控刺点工作。执行空三解算后，确定各要素的精确坐标位置。为验证空三成果的正确，将本次航外控阶段采集的20个特征点作为检查点进行校核，所有检查点中除了一个点平面误差为0.28m，高程误差为0.31m，其他检查点平面及高差误差均在0.10m以内，满足《电力工程数字摄影测量规程》等规范的要求。完成空三解算后，仍然采用“管家”生成输电线路勘测设计需要的正射影像DOM、数字地表模型DSM及影像密集点云，DOM及DSM成果如下图6所示。

图6DSM与DOM

输电线路勘测设计更为关心的是获取高精度的数字地面模型DTM。因此，需要将“管家”生产的影像密集点云进行点云地面滤波。目前，我院主要采用基于CSF（布料模拟滤波）的方法进行地面滤波，如图7所示。通过该滤波方法剔除大部分的房屋、林木植被等非地面点，并对线路中心的点云与外业数据融合修正。根据修正的点云自动转换成较高精度的DTM。

图7 本工程局部放大CSF滤波效果

6 立体模型的建立

由于无人机平台采用的是非量测数码相机，相片的畸变误差较大，采用传统的通过“左右片”的方式建立的立体模型显然并不适合输电线路勘测设计工作。针对输电线路勘测设计的特点，可以将DOM、DSM、DTM叠加导入至我院自主开发的《电力工程多数据源三维量测平台》中建立大场景立体模型，进行优化选线、杆塔排位等勘测设计工作。

7 平断面量测与外业修测

在施工图阶段，需要根据设计提供的最终线路路径在立体大场景与进行输电线平断面测量工作。根据无人机航测采集的平断面图，将终勘定位的桩塔位、危险点与交叉跨越等测量成果进行融合修正，完成最终的平断面成果的绘制。如图8所示，为无人机航测采集的全线输电平断面图，图9为局部放大平断面图。

图8 全线平断面概览

图9 局部平断面

本工程还涉及到房屋分布测量的工作，主要仍采用DSM与DOM叠加构成立体大场景的方式绘制房屋分布图，对重点房屋仍需要将部分无人机影像进行“左右片”恢复立体的方式进行数字化立体采集。通过外业校核，结果表明能够满足比例尺为1:1000房屋分布测量的要求。

三、精度分析

为了检验基于DOM、DSM、DTM叠加方式生产的输电线路平断面图能否满足《330kV~750kV架空输电线路勘测规范》的要求，本工程在终勘定位阶段利用网络RTK采集了36个特征点进行校核。其中平面最小误差为0.05m，最大误差为0.26m，检查点的平面中误差为0.22m；高程最小误差为0.02m，最大误差为0.62m，检查点的高程中误差0.34m，基本满足本工程勘测设计的需要。

四、结语

本文以江苏地区首先三维设计试点项目500kV斗山~茅山线路工程为例，介绍了差分GNSS无人机航测系统在输电线路工程中的应用。飞马F200无人机航测系统提供的航线辅助拐弯、无人机管理专业版提供的内外业一体化数据处理等功能，为输电线路勘测设计提供较好的便捷性。通过工程外业实测与精度分析表明，差分GNSS无人机航测技术在输电线路勘测设计中的可行性。与传统航空摄影测量相比，差分GNSS无人机航测技术因外控布设灵活、现势性好、成本低、机动性强等优势，更适用于输电线路工程勘测设计，特别是在中等距离的输电线路勘测设计领域具有一定的推广价值。