CN111522360A - 一种基于电力铁塔的带状倾斜摄影自动航线规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力测绘领域，公开了一种基于电力铁塔的带状倾斜摄影自动航线规划方法，包括如下步骤：步骤1：根据相邻电力铁塔确定铁塔之间的电力线的中轴线和航飞区域；步骤2：沿电力线的中轴线的上方航飞，摄像头拍摄方向为竖直向下，航飞方向为从一个铁塔飞行到另外一个铁塔；步骤3：沿电力线的中轴线的两侧飞行，摄像头拍摄方向为从垂直角度向上倾斜X°，航飞方向为从一个铁塔的飞行到另外一个铁塔并从该铁塔返回到起点；步骤4：沿电力线的中轴线的两侧飞行，摄像头拍摄方向为朝向中轴线的方向倾斜Y°，航飞方向为从一个铁塔的飞行到另外一个铁塔并从该铁塔返回到起点。该方法测量路径简单，图像测绘精度高。

Description

一种基于电力铁塔的带状倾斜摄影自动航线规划方法

技术领域

本发明涉及电力设施测绘领域，特别是一种基于电力铁塔的带状倾斜摄影自动航线规划方法。

背景技术

随着近几年我国通航领域政策逐步放开和无人机技术快速进步，无人机搭载专用传感器载荷巡检输电线路得到迅猛发展，并促进线路由传统人工巡维模式向机巡模式转变。与传统人工巡维相比，无人机巡检具有效率高、质量高、不受地形条件影响等特点，是输电线路管理向更加安全、高效、精细、经济的方向发展的重要手段。

为了推进无人机在电网巡检的应用，国家电网公司提出“以提升电网安全运行水平为目标，科学有序推进直升机、无人机、人工相互协同巡检工作，最终建成“机巡为主、人巡为辅”巡检模式，持续提升输电线路巡检质量、效率，实现安全、成本、效能总体最优。通常无人机巡线一个航次15分钟就能完成人工1小时的任务量，特别是在地势陡峭的地方，无人机的优势更加明显，保障人员安全。传统人工巡线通常都要面临被野生动物与昆虫袭击的危险，而在山洪暴发、地震灾害等紧急情况下，甚至危及生命安全。无人机可对线路的潜在危险，诸如塔基陷落等问题进行勘测与紧急排查，丝毫不受路面状况影响。成本低、精度高。比起直升机巡线，无人机除了成本及人员的优势,并且可携带可见光红外热成像和紫外线成像等设备对线路进行全方位观测。无人机还能进行定点悬停，对线路进行更详细的检测。内置GPS定位导航系统的无人机也可免去失踪的风险，将风险降到最低。无人机机身轻巧，并装载有先进的航测系统，和有人飞机、升机相比，成本低，并粗还要方便很多。一般只需两名工作人员即可完成任务，可以遥控拍摄对输电导地线、鎮绝缘子及铁塔锈蚀和污秽、线路走廊等情况进行监测，方位获取输电线路的图像资料，代替人工攀爬巡检。这些优越的性能使无人飞机成为输电网巡线更为有效的工具。

实景三维模型是城市空间信息的重要表达方式，对城市规划、建设、管理、应急响应有重要作用。传统三维城市建模工作的速度、效率及时效性难以满足三维城市的应用。相对于传统实景三维建模，利用无人机搭载光学镜头进行倾斜摄影快速生成三维模型的作业方法更高效，成本更低。倾斜摄影三维建模已经成为获取三维模型数据的重要手段。

倾斜摄影技术是国际摄影测量领域近十几年发展起来的一项高新技术，该技术不同于以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器或者单相机多角度拍摄，获取多角度(竖直视角和倾斜)视角同步采集影像。以倾斜摄影为代表的无人机应用更是在电力巡检中发挥了重要的作用。

现有技术分为两种方法进行：

现有技术方案一：无人机搭载五拼相机，根据相机焦距、地面分辨率要求、航向重叠度、旁向重叠度等要求，进行摄影测量航线规划，无人机沿规划航线飞行一次，同步获取垂直、左视、右视、前视、后视5个方向的影像。针对电力通道带状地形的倾斜摄影，至少2条航带。

现有技术方案二：采用无人机搭载单镜头相机，采取“井”字形的航飞作业办法，镜头朝向一个角度(垂直、左视、右视、前视、后视5个方向)，采取密集航线，“井”字交叉飞行采集数据，相当于飞行5次，分别获取垂直、左视、右视、前视、后视5个方向的影像。针对电力通道带状地形的倾斜摄影，沿电力线方向至少2条航带，再进行“十”字交叉飞行。

采用5拼相机进行倾斜摄影建模存在的缺点：

多拼相机重量大，对无人机的要求高，缩短航时；

多拼相机5个方向同时拍摄，照片数据量大，计算效率低；

多余数据较多，增加数据处理的工作量，影响效率；

无人机和5拼相机设备贵，成本高，风险大。

采用单镜头“井”字倾斜飞行(5次)进行倾斜摄影建模存在的缺点：

每个区域都需要多架次飞行，耗时长；

多次飞行，增加外业工作量，增加飞行风险；

带状地形，垂直电力线走向的航飞距离短，调头次数多，无人机刚加速就得减速，大大增加耗能，大大缩短无人机航程，无人机飞行的效率极低。

所以本案所解决的技术问题是：在采用单摄像头的情况下简化测绘路径的同时达到类似的测绘精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电力铁塔的带状倾斜摄影自动航线规划方法，该方法测量路径简单，图像测绘精度高。

本发明提供的技术方案为：一种基于电力铁塔的带状倾斜摄影自动航线规划方法，所述方法涉及带摄像头的无人机；包括如下步骤：

步骤1：根据相邻电力铁塔确定铁塔之间的电力线的中轴线和航飞区域；

步骤2：沿电力线的中轴线的上方航飞，摄像头拍摄方向为竖直向下，航飞方向为从一个铁塔飞行到另外一个铁塔；

步骤3：沿电力线的中轴线的两侧飞行，摄像头拍摄方向为从垂直角度向上倾斜X°，航飞方向为从一个铁塔的飞行到另外一个铁塔并从该铁塔返回到起点；

步骤4：沿电力线的中轴线的两侧飞行，摄像头拍摄方向为朝向中轴线的方向倾斜Y°，航飞方向为从一个铁塔的飞行到另外一个铁塔并从该铁塔返回到起点；

其中，X和Y均大于0°且小于90°；步骤2、3、4中，摄像头拍摄的相邻的两张图片至少有部分的区域重合；步骤3和4中，在电力线的中轴线的左侧所拍摄的图片和在电力线的中轴线的右侧所拍摄的图片至少有部分区域重合。

在上述的基于电力铁塔的带状倾斜摄影自动航线规划方法中，还包括步骤5：将步骤2至4所获得的图片经过处理后得到铁塔、电力线和铁塔周围地貌的坐标点和/或模型。

在上述的基于电力铁塔的带状倾斜摄影自动航线规划方法中，步骤2、3、4中，摄像头拍摄的相邻的两张图片有75-80％的区域重合。

在上述的基于电力铁塔的带状倾斜摄影自动航线规划方法中，步骤3和4中，在电力线的中轴线的左侧所拍摄的图片和在电力线的中轴线的右侧所拍摄的图片有75-80％的区域重合。

在上述的基于电力铁塔的带状倾斜摄影自动航线规划方法中，还所述X、Y均为45。

在上述的基于电力铁塔的带状倾斜摄影自动航线规划方法中，所述步骤3中，摄像头的镜头拍摄方向和无人机的飞行方向一致；在对铁塔绕飞前且距离需要绕飞的铁塔q米时，无人机的摄像头以该铁塔为中心转动且保持从垂直角度向上倾斜X°；当绕飞过该铁塔且离开该铁塔q米后，无人机的摄像头继续保持和无人机的飞行方向一致，直至步骤3完成。

在上述的基于电力铁塔的带状倾斜摄影自动航线规划方法中，所述步骤2的航拍高度为H，步骤3和步骤4的航拍高度为Hq；

其中，

所述航拍高度Hq是指摄像头的中心至摄像头中心的延长线到地面的间距。

在上述的基于电力铁塔的带状倾斜摄影自动航线规划方法中，所述无人机上搭载的摄像头为1个。

在上述的基于电力铁塔的带状倾斜摄影自动航线规划方法中，在步骤1中，根据相邻电力铁塔确定铁塔之间的电力线的中轴线的具体方法为：

确定两个铁塔的坐标，分别为：坐标T1(X1，Y1，Z1)、坐标T2(X2，Y2，Z2)；坐标T1和坐标T2的连线即为中轴线；

在步骤1中，根据相邻电力铁塔确定铁塔之间的电力线的航飞区域的方法为：

根据坐标T1和坐标T2确定中轴线的长度L：

根据用户设定，确定沿中轴线向两侧外扩距离B

所述航飞区域即长度为L的中轴线的左右两侧距离为B的区域为航飞区域；

所述无人机可在该航飞区域内飞行，并根据步骤2至步骤4的图像拍摄要求在该航飞区域内进行航线调整。

本发明在采用上述技术方案后，其具有的有益效果为：

本方案主要解决电力线通道倾斜摄影过程中，传统五拼相机拍摄，数据量大，多余数据多，数据处理效率低，对无人机要求高，设备费用较高，成本高，而通常单镜头5次交叉飞行，飞行的架次多，垂直电力走向距离短，无人机调头次数过多，造成采集效率极低等问题。该方法充分理解电力通道倾斜摄影的特点，即要保证通道多角度影像数据的获取，又要考虑通道垂直方向较窄的特点，考虑如何用最少的照片覆盖必须的纹理，达到相当甚至更优的效果。考虑利用最简便的单镜头无人机，优化飞行，3次飞行即可达到五拼相机的效果，同时减少照片的数据，提高数据处理效率。同时，对于电力铁塔，增加了多余拍摄，便于铁塔建模效果优化和铁塔细节的巡检。

本次发明是利用无人机、摄影测量、倾斜摄影、计算机视觉等技术，结合摄影测量航线规划、倾斜摄影多角度拍摄获取多角度照片原理，考虑实际应用中，从成本、效率、效果综合考虑，提出了该方法，以最简便的无人机设备，最少的照片覆盖电力线通道，达到最优的效果。在实际应用中，只需要给出电力铁塔的中心点坐标及路径，自动进行航线规划，提供最优的航飞路线，自动执行航飞任务。

附图说明

图1是本发明的实施例1的航飞区域示意图；

图2是本发明的实施例1的步骤2的航飞示意图；

图3是本发明的实施例1的步骤3的航飞示意图；

图4是本发明的实施例1的步骤3中在靠近铁塔T2时的拍摄示意图；

图5为本发明的实施例1的步骤4的航飞示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的详细说明，但不构成对本发明的任何限制。

实施例1：

一种基于电力铁塔的带状倾斜摄影自动航线规划方法，所述方法涉及带摄像头的无人机；

无人机优选采用大疆无人机，根据无人机型号不同，其摄像头、升限均不同；

本发明所涉及的相关参数如下：

图像像元大小：p

相机焦距：f

相机传感器尺寸X：cx

相机传感器尺寸Y：cy

图像像幅长：Tx

图像像幅宽：Ty

垂直拍摄时相对高度：H

倾斜拍摄时相对高度：Hq；；所述倾斜拍摄时相对高度Hq是指摄像头的中心至摄像头中心的延长线到地面的间距

影像地面分辨率：GSD

航摄比例尺：m

相邻图像航向重叠度：Py

相邻图像旁向重叠度：Px

上述个别名字的具体解释如下：

相邻图像航向重叠度：Py，是指拍摄过程中，拍摄的前后两张照片的重叠度。

相邻图像旁向重叠度：Px，是指在电力线左侧和右侧飞行时，两侧所拍摄的照片的重叠度。

垂直拍摄时相对高度：H，是指相对于地面的高度。

倾斜拍摄时相对高度：Hq，是指相对于地面的高度。

其中，

p＝cx/Tx＝cy/Ty

m＝p/GSD＝f/H

像元大小、地面分辨率、焦距以及航高存在以下比例关系：

步骤1：电力线通道区域确定

相邻两个电力铁塔中心连线，即该段电力通道的中轴线，两侧外扩距离B(用户可在给定的范围内任意设定)，即构成电力线通道区域如图1(矩形P1P2P3P4)。在自动航线规划中，已知两个铁塔中心坐标T1(X1，Y1，Z1)、T2(X2，Y2，Z2)，T1与T2的连线距离为L，中线向两侧外扩距离B。

步骤2：垂直方向自动航线规划

电力线通道带状地形航线规划，垂直方向只需要一条航带，即为两个铁塔的连线，沿该线飞行，相机垂直向下，按航向(飞行方向)保证相邻两张照片一定的重叠。

无人机沿电力线的中轴线的上方航飞，航拍高度为H，摄像头拍摄方向为竖直向下，航飞方向为从一个铁塔(T1)飞行到另外一个铁塔(T2)；垂直方向拍摄，获取电力线通道的顶部照片。

其相邻图像航向重叠度：Py＝75％；

参考图2，图2中，带箭头的虚线是指中轴线，粗方框虚线是航飞区域；细方框虚线是指所拍摄的各帧图像的图像大小示意。

照片对应地面长、宽分别为：

地面长＝Tx*GSD

地面宽＝Ty*GSD

相邻两张照片中心位置的距离Bl，即基线长度为：

Bl＝Ty*Py

步骤3：前后方向自动航线规划

第一遍飞行，电力线通道带状地形航线规划，前后方向拍摄，主要是在中抽线的两侧，相机朝前45°。从电力线一侧从T1和T2，再调头从T2到T1。参考图3，图3中粗箭头线为飞航路径，粗方框虚线为飞航范围，梯形细虚线方框(除了标号1的虚线方框)为摄像头所拍摄的图像的范围示例；

在本步骤中，为了保证相同的地面分辨率GSD，垂直拍摄的航高H和倾斜拍摄的航高Hq存在如下关系：

前方向倾斜拍摄相邻两张影像之间的航向重叠度为Py，地面覆盖的长、高为：

倾斜地面长＝Tx*GSD

前方向倾斜拍摄时，相邻两张照片中心位置的距离Bl，即基线长度为：

在T2处，拍摄的照片将会超出范围线外，转弯处拍摄照片用处不大，会造成数据浪费，其会拍摄一些无用的图像，如图3中的标号1的虚线方框。

为了解决该问题，在规划航线时，根据地面分辨率GSD、焦距f等，确认了飞机的航高H，由于是前后斜拍，相机位置与拍摄地的地面中心距离为斜距，即为Hq。当无人机从T1往T2方向拍摄过程中，距离T2的距离为Hq时，如果再往前飞，并且相机方向不变的话，拍摄范围为铁塔外范围，即为多余数据如图3的标号1。

因此，本文方法在拍摄到T2后，紧接着，飞机调转180°，参考图4，T1至T2方向，最后一张照片拍摄时，距离T2的距离为Hq，即为图上黑线实线处。紧接着，飞机调转180°，拍摄的方向还是铁塔方向，即为图中虚线，从T2走向T1，第一张照片拍摄时，距离T2的距离为Hq。

步骤4：左右两侧自动航线规划

第二遍飞行，电力线通道带状地形航线规划，左右两侧方向拍摄，主要是在中抽线的两侧，相机朝左45°。从电力线一侧从T1和T2，再调头从T2到T1。该过程拍摄电力线通道左在两侧照片，可参考图5，图5中，虚线带箭头为航飞路线；粗虚线方框为航飞区域，虚线梯形方框为单张照片所覆盖的区域。

为了保证相同的地面分辨率GSD，垂直拍摄的航高H和倾斜拍摄的航高Hq存在如下关系：

左右方向倾斜拍摄相邻两张影像之间的航向重叠度为Py，地面覆盖的长、高为：

倾斜地面宽＝Ty*GSD

左右方向倾斜拍摄时，相邻两张照片中心位置的距离Bl，即基线长度为：

Bl＝Ty*GSD*Py

步骤5：图像整合

上述步骤2-4所获得的图像通过摄影测量软件或三维建模软件，如Pix4D、ContextCapture软件图像技术进行处理，得到飞航区域内的铁塔、电力线和铁塔周围地貌的坐标点和模型。

获得该模型和坐标点的用途之一是用于判断植被和电力线之间的距离，以通知维护人员及时砍伐。

相对传统单镜头5次飞行拍摄倾斜影像数据，改进优化后，2次往返拍摄，1次单程拍摄即可完成全部倾斜影像数据的拍摄。而且，在铁塔处进行倾斜拍摄优化，减少测区外的影像数据，增加铁塔影像数据，提升数据处理效果。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于电力铁塔的带状倾斜摄影自动航线规划方法，所述方法涉及带摄像头的无人机；其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：根据相邻电力铁塔确定铁塔之间的电力线的中轴线和航飞区域；

步骤2：沿电力线的中轴线的上方航飞，摄像头拍摄方向为竖直向下，航飞方向为从一个铁塔飞行到另外一个铁塔；

步骤3：沿电力线的中轴线的两侧飞行，摄像头拍摄方向为从垂直角度向上倾斜X°，航飞方向为从一个铁塔的飞行到另外一个铁塔并从该铁塔返回到起点；

步骤4：沿电力线的中轴线的两侧飞行，摄像头拍摄方向为朝向中轴线的方向倾斜Y°，航飞方向为从一个铁塔的飞行到另外一个铁塔并从该铁塔返回到起点；

其中，X和Y均大于0°且小于90°；步骤2、3、4中，摄像头拍摄的相邻的两张图片至少有部分的区域重合；步骤3和4中，在电力线的中轴线的左侧所拍摄的图片和在电力线的中轴线的右侧所拍摄的图片至少有部分区域重合。

2.根据权利要求1所述的基于电力铁塔的带状倾斜摄影自动航线规划方法，其特征在于，还包括步骤5：将步骤2至4所获得的图片经过处理后得到铁塔、电力线和铁塔周围地貌的坐标点和/或模型。

3.根据权利要求1所述的基于电力铁塔的带状倾斜摄影自动航线规划方法，其特征在于，步骤2、3、4中，摄像头拍摄的相邻的两张图片有75-80％的区域重合。

4.根据权利要求1所述的基于电力铁塔的带状倾斜摄影自动航线规划方法，其特征在于，步骤3和4中，在电力线的中轴线的左侧所拍摄的图片和在电力线的中轴线的右侧所拍摄的图片有75-80％的区域重合。

5.根据权利要求1所述的基于电力铁塔的带状倾斜摄影自动航线规划方法，其特征在于，还所述X、Y均为45。

6.根据权利要求1所述的基于电力铁塔的带状倾斜摄影自动航线规划方法，其特征在于，所述步骤3中，摄像头的镜头拍摄方向和无人机的飞行方向一致；在对铁塔绕飞前且距离需要绕飞的铁塔q米时，无人机的摄像头以该铁塔为中心转动且保持从垂直角度向上倾斜X°；当绕飞过该铁塔且离开该铁塔q米后，无人机的摄像头继续保持和无人机的飞行方向一致，直至步骤3完成。

7.根据权利要求1所述的基于电力铁塔的带状倾斜摄影自动航线规划方法，其特征在于，所述步骤2的航拍高度为H，步骤3和步骤4的航拍高度为Hq；

其中，

所述航拍高度Hq是指摄像头的中心至摄像头中心的延长线到地面的间距。

8.根据权利要求1所述的基于电力铁塔的带状倾斜摄影自动航线规划方法，其特征在于，所述无人机上搭载的摄像头为1个。

9.根据权利要求1所述的基于电力铁塔的带状倾斜摄影自动航线规划方法，其特征在于，在步骤1中，根据相邻电力铁塔确定铁塔之间的电力线的中轴线的具体方法为：

确定两个铁塔的坐标，分别为：坐标T1(X1，Y1，Z1)、坐标T2(X2，Y2，Z2)；坐标T1和坐标T2的连线即为中轴线；

在步骤1中，根据相邻电力铁塔确定铁塔之间的电力线的航飞区域的方法为：

根据坐标T1和坐标T2确定中轴线的长度L：

根据用户设定，确定沿中轴线向两侧外扩距离B

所述航飞区域即长度为L的中轴线的左右两侧距离为B的区域为航飞区域；

所述无人机可在该航飞区域内飞行，并根据步骤2至步骤4的图像拍摄要求在该航飞区域内进行航线调整。

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