摘 要

以往的传统电网企业的安全巡检往往主要由人工完成，并且由于电网企业巡线中电塔及相关设备具有的高危险性，导致巡检过程中安全事故频发。其次在巡检过程中，由于巡检人员的个体差异，对于巡检的标准无法控制，而且伴随着巡检人员因为知识差异导致巡检不周等现象，其巡检效率低下。而传统的直拍无人机巡线系统在解决上述问题同时，却也存在无法多角度进行拍摄，同时疏漏某些设备安全的问题。

本文采用了一种采取以多旋翼无人机搭载倾斜摄影设备并结合GIS技术的方式的巡检系统。不但具备无人机巡线的小型化，低成本，便于维护，安全性高等特点，同时解决了传统搭载普通光学摄影设备无人机无法多角度观测电塔等相关设备的问题，从而具有多方位、高覆盖获取地物顶面、侧面影像数据，影像表达内容丰富等优点。其应用的倾斜摄影技术是国际领域用于勘测的热门技术，其中国内赛尔无人机和大疆无人机的倾斜摄影设备较为先进。

本文从对基于GIS与倾斜摄影技术的无人机巡检系统所涉及的关键技术开始详细介绍，并针对电网企业的需求在符合系统的设计原则下进行了无人机巡线系统的相关设计，将整个系统结构划分为无人机系统，载荷系统和地面站三大子系统，并对各子系统的功能模块与相关软件和硬件系统进行了设计。

关键词：电网企业；GIS ；倾斜摄影技术；无人机巡检系统；

Abstract

Traditional manual power patrol often requires a lot of manpower and material resources. At the same time, due to the high risk of tower and related equipment in power grid enterprise patrol, safety accidents occur frequently in the process of patrol. Secondly, in the process of patrol inspection, because of the individual differences of patrol personnel, the standard of patrol inspection can not be controlled, and accompanied by the phenomenon that patrol personnel are not well-rounded due to the knowledge differences, the efficiency of patrol inspection is low. While the traditional direct-motion UAV line-patrolling system solves the above problems, it also has the problem of inability to shoot from multiple angles, and at the same time it omits the safety of some equipment.

This paper presents a patrol system based on multi-rotor UAV equipped with inclined photographic equipment and combined with GIS technology. It not only has the characteristics of miniaturization, low cost, easy maintenance and high security of UAV patrol line, but also solves the problem that traditional UAV equipped with ordinary optical photographic equipment can not observe electric towers and other related equipment from multiple angles. Thus, it has the advantages of multi-directional and high coverage to obtain topographic and side image data and rich content of image expression. Its tilt photography technology is a popular technology in the international field for surveying, among which the tilt photography equipment of domestic Sell UAV and Xinjiang UAV is more advanced.

In this paper, the key technologies involved in UAV patrol system based on GIS and tilt photography technology are introduced in detail. According to the requirements of power grid enterprises, the UAV patrol system is designed in accordance with the design principles. The whole system structure is divided into three subsystems: UAV system, load system and ground station. The functional modules and functions of each subsystem are also discussed. The related software and hardware systems are designed.

Keywords:Power grid enterprise; GIS; Tilt photography technology; UAV patrol system;

目录

摘要 I

Abstract II

第一章绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究进展 1

1.3 研究目的与意义 2

1.4 基本内容和技术方案 3

1.4.1 基本内容 3

1.4.2 技术方案 3

第二章 基于无人机倾斜摄影与GIS在巡线系统中涉及的关键技术 4

2.1 GIS城市地理信息系统 4

2.2 GPS定位系统 4

2.3 嵌入式GIS操作系统 5

2.4 移动GIS技术应用 5

2.5 无线通讯技术 6

2.6 无人机倾斜摄影技术 6

2.6.1 倾斜摄影技术在测绘领域的发展 7

2.6.2 基于无人机的倾斜摄影技术 8

2.6.3 无人机倾斜摄影技术的三维建模技术 8

2.6.4 无人机倾斜摄影巡线较传统无人机巡线具有的优势 10

第三章基于GIS与倾斜摄影技术电网巡线整体结构研究 11

3.1 系统设计原则^[19] 11

3.2 系统的功能需求 11

3.3 无人机巡线系统整体结构设计 12

3.3 系统的运作流程 13

第四章系统各功能模块设计与实现 16

4.1 无人机系统 16

4.1.1 动力系统和飞行控制系统 16

4.1.2 IMU惯性测量单元 16

4.1.3 无人机导航系统 17

4.1.4 无人机通讯系统 18

4.2 任务荷载系统 19

4.2.1 倾斜摄影系统 19

4.2.2 红外传感器 19

4.2.3 激光测距仪 20

4.2.4 合成孔径雷达 20

4.3 地面站控制系统 21

4.3.1 地面站软件系统设计 22

4.3.2 地面站系统硬件配置 22

第五章结论 24

参考文献 25

第一章 绪论

本章主要对日常传统电网企业线路巡检系统所存在的问题进行分析，同时采用一种新型的基于地理信息系统和倾斜摄影技术的电网企业巡线安全管理系统，以此解决传统巡检系统所存在的安全管理上相关的问题，并对文章结构最后进行了总结。

1.1 研究背景

随着社会与经济的快速发展，传统形式的电网企业巡线系统使用人工进行巡检的方式已经无法适应目前企业的安全需要，其本身对于一线的巡查人员通常存在巡查距离较远，巡查路线伴有特殊地形，不良气候条件等原因，使得巡查效果较差，无法保证电网企业安全管理需要，甚至会危害巡查人员的身心健康。大部分传统电网企业人工巡线安全管理存在以下问题：

1.难以确定工作人员巡线是否到位

2.手工记录方式成本高效率低

3.标准化作业难以落到实处

4.数据处理能力有待提高，无法处理大量的巡线数据。

5.巡检人员自身安全存在问题

基于以上问题，无人机电力巡检技术的出现使得电力线路巡检系统的操控方式更加灵活、巡检效率更加高效，运营成本普遍下降。得到了越来越多电网企业的认可和大规模推广应用，成为了国内电网企业巡线系统新的研究方向。无人机巡线结合GIS城市地理信息系统可以在规避了人工巡线所存在隐患的同时还具有以下优点^[1]；

(1)可以人工远程操控，危险程度低，不会导致人员接触或近距离靠近电塔因意外触电伤亡。

(2)适用于一些险峻地形和恶劣气候环境的工作条件，保证常规巡检的进行。

(3)机动性强，能够进行快速部署和中远距离移动，节约排障时间。

(4)可以从高空拍摄到巡检人员无法到达或者观测的设备细节。

(5)解放了劳动力，使巡检人员的工作量大幅度减少。

近年来伴随着电网巡线系统和无人机技术的发展，电网企业的巡检系统逐渐发展成了以“无人机巡线方式为主，人工巡线方式为辅”的新模式。本文是基于以上观点的情况下进行的相关研究和讨论。

1.2 国内外研究进展

2012年傅裕针对电网企业配电巡检路线的安全管理问题，研究并设计了基于GIS系统关于电网企业巡查系统^[2]。景钦刚2006年以美国Magellan公司的导航型GPS315为例,介绍了移动GPS在电力系统中的详细应用^[3]。吴召华同年也进行了有关利用GIS配电网进行新型电网抢修工平台的设计^[4]。葛群波2014年利用各种信息化手，设计了一个先进好用的配电网智能巡检系统，以用来提高巡检效率，巡检质量和管理水平。其中利用了GPS 定位，可视化建模技术，动终端的无线通信技术等 ^[5]。Ming Zhao，Xufei Yao，Jun Sun，Shuning Zhang，Jing Bai等人在2019年提出了一种基于基于代理的仿真模型的船舶遭遇概率评估方法框架。采用基于地理信息系统（GIS）的智能算法对单体舰船的航行行为进行智能化建模，并对其可能发生的事故进行预测。在此基础上，设计并实现了基于方法论框架的原型模拟器，并将其应用于渤海中西部海域，以验证其功能性和实用性^[6]。

倾斜摄影技术的出现，为国际勘测遥感领域提供新的技术手段，它是一种利用航空摄影进行实地勘测的近景测量技术，可以利用在一架载具上搭载数台观测器或者传感器，同时从上下前后左右5个不同的方向进行观测，同时能够利用三维建模进行快速的4D模型构建，提供确切的位置和空间属性，得到真三维空间的效果模型。利用该技术可以直观准确的得到具体观测物体及其所处环境的仿真图像，为电力和水利工程的建设、地质灾害的应急管理等提供了可靠详细、切实准确的空间基础地理信息数据与公共服务。而将其应用在电网企业路线巡查中则不但具有综上所述，时效好、精度高的特点，还能在野外林木密集覆盖区、恶劣地理环境和交叉跨越设施复杂的地区，有效为优化电网企业的巡查路线提供数据和技术支持。 李安福、吴晓明、路玲玲在2014年研究分析了SWDC 5倾斜相机的各项关键技术，阐述了SWDC 5在国内的应用情况。真实的分析了该相机一贯的高精度优势以及倾斜摄影告诉发展趋势 ^[7]。王卿同年在分析了SWDC-5多角度倾斜航摄仪的基本原理和倾斜摄影图像特点的基础上，设计了一种基于此航拍摄影仪的多视图图像采集系统模型，能够迅速准确的获得被测物体的空间数据^[8]。朱建伟，袁国辉于2017年利用倾斜摄影技术的快速获取三维实景的优势对城市的违章建筑监测系统进行了研究^[9]。ZHANG Chunsen，ZHANG Weilong，GUO Bingxuan2015年则提出了一种基于空中倾斜图像的城市纹理快速重建方法，基于摄影测量学和计算机视觉理论，利用先验处理得到的城市建筑数字表面模型，通过共线方程计算物体的几何投影和物体的几何投影的技术^[10]。

现在的电网巡线系统更偏向于GIS技术与无人机倾斜摄影技术的结合，例如，马青岷在2017年发表了关于利用无人机三维重建技术在巡线系统中的应用，为无人机术在架空输电线路的巡检工作提供了新的平台^[11]。王越在则在2015年提出了一种基于ArcGIS地理信息平台构建的无人机电力巡线系统的软件系统设计，对软件配置工程需求及系统指标进行了分析并对软件系统总体进行了设计^[1]。唐泽亮则以四旋翼无人机为载体,根据线路杆塔坐标信息,利用GIS进行预设航迹点实现自主飞行，在2017年实现了无人机自动电力巡线系统的设计^[12]。

1.3 研究目的与意义

基于传统电网企业存在问题与日渐提升的需求，在如今无人机与倾斜摄影技术不断发展的条件下，结合GIS城市地理信息系统，不但可以实现巡查路线可控，还可对线路存在的潜在危险,例如信号塔基的陷落等问题进行勘测与紧急排查,可以在不受路面状况影响下，既避免检查人员处于在例如攀杆检查等存在高风险的作业情况下,又能勘测到人眼的视觉死角,使检查更加全面。

无人机倾斜摄影技术采集的大量数据也可以在结合GIS系统的帮助下使电网企业庞大的巡查数据得到系统化的管理。所以在不断推广以无人机倾斜摄影技术巡检为主,人巡为辅的新型运维管理模式，最终达到电网企业安全管理自动化，信息化，一体化，从而提高电网企业安全管理的质量和效率，降低了成本，与此同时还可以防止安全巡检人员在巡检过程中存在的不规范问题。

1.4 基本内容和技术方案

1.4.1 基本内容

传统电网企业线路巡检多甴人工进行，企业必须配备一定数量的日常巡检人员根据任务路线去检查电线塔设备运行的情况，其中包含着很多安全隐患；

第一，这种方式不但要求企业投入大量的人力与财力，同时人工巡检还存在诸多的不可控因素，如果巡检人员责任心不强，很容易出现误检，漏检的情况，而且即便出现问题，对于每一个设备是否按照规定详细检查过，也无从查证。第二，人工巡检需要人员记录后在进行二次汇总，工作较为繁琐，工作量较大，效率不高，而且在极端恶劣的天气和环境下，巡检人员无法完成规定的任务，有时甚至有生命危险。第三，人工巡检与个人的经验与认知有关，难以标准化，同时大量的书面记录难以储存，整理，容易丢失。第四，某些电网企业的电线塔多分布于地势险峻的崇山峻岭之间，并且数量较大，巡线路程较远，如果只是日常的常规巡检，其将耗费大量的人力物力，使得公司财产受到损失。

电网企业中巡线系统作为极其重要的基础设施，是确保输电线路的稳定运行，提高电力系统的供电质量的重要保障，因此必须要建立高效的电网巡线系统。 而基于GIS与无人机倾斜摄影技术的电网线网巡线系统，则可以很好的解决以上存在的问题，为企业节省大量的时间与金钱。为此我们需要建立一个基于GIS系统和无人机的倾斜摄影技术巡线管理系统从而进行标准化，全面化的电网巡检工作。

1.4.2 技术方案

第二章 基于无人机倾斜摄影与GIS在巡线系统中涉及的关键技术

GIS系统即城市地理信息系统，这是由于国家在电网投资建设方面的不断完善，同时在电网企业发展中应用GIS服务平台，使得电网企业的管理更加具有科学性和层次性。GIS在全网区域内，利用与多业务的集成，为电网企业的安全生产管理带来了巨大的经济效益。通过GIS系统的发展，结合移动GIS的应用，与三维GIS的开发，在全网通信技术的支持下可以实现电力企业管理的自动化和可视化。

2.1 GIS城市地理信息系统

随着人们对于城市地理信息系统的不断需求，GIS技术发展迅猛。其现有的GIS系统一般具有四大功能：

（1）空间数据输入

（2）空间数据存储和检索

（3）数据处理和分析

（4）数据输出。

空间数据输入主要是对图形点位、边界轮廓线坐标进行提取和数字化处理。空间数据输入主要包括人工键盘坐标输入、数字化仪跟踪采集、扫描仪扫描成图、数字化测量导入、软件矢量数字化等方法。选择不同的数据输入方法则需要根据具体情况进行选择，同时也可以灵活采取多种输入方法相结合来达到目的。而此阶段一般是GIS系统建立所需要经费最高的阶段，一般占所需经费的百分之70-80，由于大部分数据采集还需要以人机结合的方式，其成本往往较高^[13]。近年来，遥感技术RS和GPS全球定位系统的发展，使得其与GIS相结合形成了“3S”技术，从而对GIS技术产生了巨大的影响。

当前GIS空间数据存储与检索技术就是空间引擎技术，它与传统的将空间数据和属性数据分开存储的方法不同，其目的是在关系库中存储空间数据，在关系数据库的基础上，实现客户自由查询信息的目的，同时降低了缓存复合，提高了系统效率。

数据处理与分析包括空间数据坐标转换，空间数据结构转换，空间数据内插三大主要内容。要增强GIS的功能，拓展其应用领域，应从两方面着手：一是加强专业应用模型与 GIS的结合，二是增强GIS的基本空间分析功能。在经历过以上三个步骤后，GIS就可以将数据输出，供客户使用。

2.2 GPS定位系统