低空无人机和全数字航测路径优化技术在电力工程测量中的应用

低空无人机和全数字航测路径优化技术在电力工程测量中的应用

杨乾

（中国电建集团贵州电力设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550018）

摘要：电力工程测量对于输电线路规划设计至关重要，传统测量方法效率较低。本文探讨了低空无人机摄影测量技术和全数字航测路径优化方法在电力工程测量中的应用。首先，介绍了无人机低空摄影测量系统的组成和技术特点。然后，以某220kV输电线路工程为例，详细论述了无人机航摄的作业流程，包括航带设计、外业控制测量、空三数据处理等关键环节。在此基础上，重点分析了全数字航测路径优化技术，通过构建立体模型、优化线路排位等措施，实现输电线路智能化选线。最后，总结了无人机航测技术和路径优化方法的应用价值，展望了其在电力工程领域的发展前景。实践表明，将二者结合应用，可显著提高电力工程测量的效率和精度，值得进一步推广。

关键词：无人机航测；全数字航测；电力工程测量；路径优化

引言：电力工程建设是国民经济和社会发展的重要基础设施，输电线路规划设计是其中的关键环节。传统电力工程测量主要依赖人工外业采集和内业数字化，作业周期长、强度大、精度不高，难以满足日益复杂的工程需求。随着测绘技术的进步，以低空无人机摄影测量为代表的航测技术日趋成熟，凭借灵活、高效、信息丰富等优势，在电力工程测量中得到越来越多应用。同时，以计算机技术为核心的全数字航测路径优化方法也不断发展，为输电线路选线提供了有力支撑。本文在分析无人机航测技术特点的基础上，结合全数字航测路径优化方法，以某工程实例为切入点，系统探讨两种技术在电力工程测量中的应用模式，以期为相关工程提供参考。

1低空无人机摄影测量系统与特点

低空无人机摄影测量是利用小型无人飞行器搭载数码相机等传感器，对目标区域进行低空摄影，获取影像数据，并通过影像处理生成地形图等测绘产品的一种新型测绘技术。

1.1系统组成

无人机低空摄影测量系统一般由航摄平台（无人机）、数据获取设备、地面监控系统等组成。

（1）航摄平台。以固定翼或多旋翼无人机为主，续航时间长、抗风能力强，并可搭载多种传感器。

（2）数据获取设备。主要包括高分辨率数码相机、POS系统等，获取高质量影像和精确的姿态数据。

（3）地面监控系统。由地面站软件和数传电台构成，可实现飞行器的路径规划、状态监控和数据传输控制等功能。

1.2技术特点

与传统航测方式相比，无人机低空摄影测量具有如下特点：

（1）灵活性高。体积小、重量轻、机动性强，适合复杂地形和狭小空间作业。

（2）获取数据丰富。影像分辨率高，可获取可见光、多光谱等多源数据，信息量大。

（3）响应速度快。不受机场等条件限制，可就近起降，快速反应。

（4）经济性好。采购和运营成本低，单位面积费用具有明显优势。

正是凭借上述独特优势，无人机摄影测量技术在电力工程测量中得到广泛应用，尤其在线路勘测、塔位规划等环节，发挥着越来越重要的作用。

2无人机航测在电力工程测量中的应用实例

下面以某220kV输电线路工程为例，分析无人机航测技术在电力工程测量中的具体应用。该工程线路全长82km，测区面积约1万平方公里，地处高山密林区，环境复杂。

2.1航带设计与航摄数据获取

针对测区特点，本项目采用燃油动力固定翼无人机执行航飞任务，搭载佳能5D Mark Ⅱ数码相机，像幅5616×3744像素，像元6.4μm，焦距35mm。航带设计时对山区进行了加宽处理，并合理选择加密分区接边点。最终完成10个航次，获得影像2000余幅，绝大部分像片倾角小于5°，满足三角测量要求。

2.2控制测量与调绘

控制测量采用CORS-RTK和GPS-RTK等技术，沿线路走向布设控制点，共完成像控点186个，主控点15个，满足1:2000比例尺测图外业控制要求。在立体采编环节，充分利用无人机影像分辨率高、信息量丰富的特点，重点获取输电线路通道地物的空间位置信息，并结合业主提供的设计资料，对地物进行属性赋值。

2.3空中三角测量

利用Inpho等数字摄影测量系统进行空中三角加密处理。严格按照作业流程，开展影像导入、特征点提取、同名点匹配、平差计算等步骤，并进行粗差探测和质量控制。成果表明，加密精度优于1个像素，满足规范要求。

2.4DEM和DOM生成

在空三加密的基础上，采用机载POS辅助的密集匹配技术提取高程点，并网格化生成DEM。同时，以DEM为高程基准，纠正影像失真，镶嵌生成DOM。由于无人机获取影像重叠度大，对地分辨率高，生成的DEM和DOM精度可达0.2m，可满足1:2000比例尺测图的高程和平面精度要求。

3全数字航测路径优化技术分析

在获得高精度DEM和DOM的基础上，可开展全数字环境下输电线路路径优化设计。主要技术环节如下：

3.1三维立体建模

三维立体建模是全数字航测路径优化的基础。首先，需要将前期获取的高精度DEM、DOM以及业主提供的设计资料等导入HelavaDPS、Inpho等数字摄影测量平台。利用这些先进的软件系统，可以将线路走廊及周边的地形、地物、既有电力设施、建筑物等在计算机中进行三维重建，按照真实的空间尺寸和位置关系进行可视化展示。

建模完成后，技术人员可以佩戴专业的立体眼镜，在三维环境中对整个测区进行全方位的观察和分析。立体环境营造了身临其境的感觉，测区的地形地貌、植被覆盖、水系分布、交通路网等自然和人文地理要素一目了然，大大加深了对现场环境的直观认识。设计人员可以在立体环境中模拟线路路径走向，分析各种方案的可行性，优化杆塔布置，检查与地形、跨越物的垂直距离等，从多角度评估线路质量，及时发现设计缺陷。

与传统的平面地形图相比，三维立体建模将自然环境真实地再现在设计人员面前，弥补了二维图面表达的局限性，能够更加全面、准确地分析输电线路与周围环境的关系，优化路径方案，提高设计质量和效率。

3.2路径初选与优化

在完成三维立体建模后，设计人员可以在逼真的三维场景中开展输电线路路径初选。参考业主提供的地形图和其他设计资料，在三维模型上初步确定线路走向。在这一过程中，需要重点关注线路通过区域的地形起伏情况，如坡度、高差等。对于陡峭山谷、泥石流沟等不利地形，要进行重点标识和避让。同时，还要考虑与既有建筑、交通干线等设施的跨越问题，满足垂直安全距离要求。此外，自然保护区、人口密集区、军事设施等敏感目标也要尽量避开，以减少工程建设对环境和居民生活的影响。

在初选线路方案形成后，还需进行进一步的优化。通过三维模型对线路沿途进行纵断面分析，获取地形、地物的高程变化信息，结合电气规范要求，优化导线对地距离。在此基础上，合理布置杆塔位置，使杆塔立位与地形条件相适应，尽量减少陡坡、软基等不利地段的杆塔数量。对于需要跨越的道路、河流等，选择有利地形布置跨越杆塔，减小跨距。在满足供电可靠性和线路安全的基础上，通过优化杆塔高低、档距、呼高比等参数，使线路总体造价最经济。通过在三维场景中反复比选和优化，既要使路径方案技术上可行，满足电气安全和施工条件，又要在经济上合理，节约工程投资，最终获得一条最优路径作为后续设计施工的基础。

3.3智能化选线

在数字线路设计中引入人工智能算法，可以进一步提高选线的效率和质量。通过机器学习等技术，计算机可以快速理解输电线路设计的相关知识和规则，并根据工程实际情况进行智能分析和决策。智能选线的基本流程如下：首先，设计人员将已知的起点、终点、中间拐点等线路关键节点输入到计算机中，同时设定线路转折角度、高差等约束参数和评价指标。之后，计算机利用深度学习算法，在三维地形场景中进行海量路径搜索和分析，寻找满足各项约束条件的最优路径。该算法充分考虑了地形阻隔、穿跨越等工程因素，以及生态敏感区避让、与居民点距离等环保因素，能够在众多备选方案中快速找出综合效益最佳的路径。

通过智能选线，上百平方公里的测区可以在数分钟内完成路径规划，效率远超传统人工方式。计算的结果也更加客观准确，通过对关键节点的校核和微调，可进一步提升路径质量。此外，借助三维可视化技术，智能选线生成的最优路径及其分析过程都可以直观呈现，有利于设计人员进行复核和优化。在国内多个电网工程中，智能选线技术已经得到成功应用，取得了良好的减距、节约投资、提速增效的效果。未来随着人工智能技术的进一步发展，结合大数据分析、知识图谱等新兴技术，智能选线有望实现全流程自动化，推动电力工程设计向更高效、更智能的方向迈进。

3.4工程量统计

在输电线路路径优化设计中，工程量统计是一项重要的辅助工作。利用三维模型可以快速、准确地计算各种工程量指标，为方案比选和施工组织提供可靠依据。通过对三维模型中线路、杆塔等要素的几何、属性信息进行提取和计算，可以自动获取线路长度、转角数量、杆塔数量等线路工程量。同时，利用地形分析功能可以统计土石方开挖、回填的工程量。对于跨越场景，还可计算交叉跨越架次数量。所有这些统计结果均以三维模型为基础，避免了人工统计的错漏和重复，保证了工程量的精确性。借助计算机强大的数据处理和图形展示能力，可根据工程量统计结果自动生成各种直观的图表，包括工程数量汇总表、分项表，线路平纵断面图等。通过对不同路径方案的工程量进行可视化对比，设计人员可以全面评估方案的经济性和合理性，为决策提供直观依据。在此基础上，还可以利用WebGIS技术开发基于浏览器的路径分析系统。通过将三维模型、路径方案、工程量统计结果等发布到Web端，实现跨平台、跨地域的共享应用。项目各参与方可通过互联网随时随地浏览输电线路三维场景，深入了解不同路径方案的技术经济指标，并提出评审意见。系统还可集成审批流程管理，实现方案在线递交、审核、反馈，大大提高了工作效率。数字化的工程量统计和可视化分析功能极大地促进了输电线路设计的精细化管理，为降低工程造价、优化设计方案提供了有力工具。随着信息化水平的不断提升，工程量统计有望实现与物料管理、概预算等系统的无缝集成，推动电力工程全过程管理。

4无人机航测技术和路径优化方法的应用价值

4.1提高作业效率

得益于无人机的灵活性和自动化空中处理能力，数据采集到成图的周期大大缩短。同时，三维建模和智能选线技术可实现路径快速优化，传统人工踏勘、制图的工作量显著降低。无人机灵活机动的特点使其能够对复杂地形和线状目标实施近距离航摄，迅速获取高分辨率影像。先进的空中三角测量软件可自动提取特征点和匹配模型，快速生成高精度的数字地形模型和正射影像，大幅缩短了数据处理的周期。在此基础上，利用三维建模技术可在计算机中快速构建逼真的线路场景，结合人工智能算法实现输电线路路径的自动搜索和优选，无需人工实地踏勘和反复绘图，线路设计的效率得到显著提升。

4.2保障数据质量

低空摄影测量获取亚米级高分辨率影像，大幅提升了测图的丰富度和精细度。基于高质量DEM和DOM，路径规划更加准确可靠。各阶段严格质控，确保了路径优化的数据基础。

低空无人机航摄获取的影像分辨率可达厘米级，能够清晰刻画地形地物的细节特征，为精细化测图和路径规划提供了高质量的数据源。利用这些高分辨率影像生成的DEM和DOM与实际地形的吻合度很高，能够准确反映地形起伏、地物分布等影响线路布设的关键因素。通过严格的质量控制措施，从数据获取、处理到应用的各个环节把关，DEM、DOM等关键成果的精度能够得到保证，从根本上确保了路径优化的可靠性。

4.3增强成果表现力

三维可视化使输电线路与周围环境的关系更加直观，有助于工程人员全面考虑现场条件。路径分析系统支持在线浏览，便于决策人员及时审核把关。

将输电线路三维设计建模并集成到地理信息平台中，可生动逼真地展现线路走廊及周边环境，直观呈现线路与地形、地物、跨越目标的空间位置关系。工程人员可以在室内全方位地审视线路，判断各种约束条件下路径方案的合理性，无需实地观测就能掌握现场情况。利用WebGIS技术搭建的路径分析系统支持多人远程浏览设计成果，使项目管理者、评审专家等能够随时查看路径方案、优选过程和相关技术经济指标，便于及时发现问题，优化完善设计。

结束语：低空无人机摄影测量技术和全数字航测路径优化方法为电力工程测量带来了革命性变化。前者通过搭载先进传感器和采用自动化处理技术，极大地提高了数据采集和处理效率；后者依托三维GIS平台和人工智能算法，实现了输电线路三维设计和多因素综合优选。二者相结合，可从数据源头和应用终端两端发力，形成测绘与设计的闭环，全面提升电力工程的信息化、智能化水平。未来，随着新一代信息技术的进步，无人机性能将不断增强，测量精度和效率还将提高。同时，大数据、人工智能、云计算等现代信息技术与路径优化深度融合，优选模型和算法更加智能，线路方案将更加合理。在提质增效的同时，数据安全、隐私保护等问题值得关注和重视。

参考文献

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作者简介：杨乾（1986.12-），男，汉，贵州盘县，本科，学士，高级工程师，主要研究方向：电力建设。