無人機航拍技術在雷電防護中的應用

無人機航拍技術在雷電防護中的應用摘要：雷電作為自然界中影響人類活動的嚴重災害之一，不僅會造成人員傷亡，也會給航空航天、國防、通訊、電子工業(yè)、化工石油、郵電、交通、森林等行業(yè)造成嚴重的經(jīng)濟損失。無人機航拍遙感技術作為一種空間數(shù)據(jù)獲取主要措施，具備機動靈活、成本低、高危區(qū)域探測及影像實時傳輸?shù)葍?yōu)勢，逐漸應用于防雷工作中，防雷領域的應用，尤其在防雷檢測方面具有極好應用前景。基于此，本文主要對無人機航拍技術在雷電防護中的應用進行分析探討。關鍵詞：無人機航拍技術；雷電防護；應用1、 刖言無人機航拍技術是指借助于通訊技術、飛行器技術、圖像技術及GPS差分定位技術共同結合所實現(xiàn)的技術。將無人機航拍技術用于防雷工作中，能夠較好處理某些人工防雷工作中沒有辦法解決的問題，如高塔、坡屋頂建筑外部防雷裝置檢查、建筑物結構尺寸估測及雷擊災害調(diào)查等。2、 小型航拍無人機系統(tǒng)構成在防雷檢測中應用比較多的為小型航拍系統(tǒng)，航拍無人機系統(tǒng)主要由載機平臺、飛行控制系統(tǒng)、云臺攝像系統(tǒng)及影像傳輸系統(tǒng)共同組成。（1） 載機平臺。載機平臺屬于無人航拍系統(tǒng)中特別重要一部分。結合環(huán)境差異，當前航拍無人機系統(tǒng)載機平臺一般可挑選四旋無人機（AEROEVE-650型）或抗風性較好的八旋翼無人機（AEROEVE-1000型）。這種多旋翼無人機是近年來廣泛流行載機機型，在實際使用中具備一些優(yōu)勢：機械結構比較簡單、噪音小、低速相對穩(wěn)定、操作便捷，同時對起飛場地要求較低。（2） 飛行控制系統(tǒng)。飛行控制系統(tǒng)主要涵蓋飛行控制器、GPS定位系統(tǒng)及姿態(tài)傳感器構成，能夠做到對無人機姿態(tài)、高度及航向等參數(shù)自動控制。借助GPS定位系統(tǒng)，可讓無人機依據(jù)提前所設置的航線自主飛行，操作簡便，具備較高精度。（3） 云臺攝像系統(tǒng)。一般可以利用精度較高數(shù)字增穩(wěn)云臺給攝像、攝影設備給予較穩(wěn)定拍攝平臺，確保在相對安全距離下拍攝較清楚圖像。在對目標物拍攝中，云臺控制器能夠?qū)ο鄼C旋轉及傾斜角實時調(diào)整，確保目標位于圖像平面中心位置。事實上，云臺增穩(wěn)系統(tǒng)內(nèi)部配置三軸陀螺儀，采取先進的姿態(tài)算法，能在無人機機身姿態(tài)做出改變時自動進行反向補償攝像儀器姿態(tài)，確保無人機拍攝畫面不受高空強風、大風等外界因素影響。同時可以采用佳能、尼康等分辨率較高單相機或單反相機配合運用，提升拍攝畫面清晰度。（4） 圖像傳輸系統(tǒng)。圖像傳輸系統(tǒng)在無人機器航拍系統(tǒng)中起到特別關鍵作用，能夠?qū)z像設備所拍攝的畫面實時回傳，為地面實時操作給予重要參考依據(jù)。也就是說無人機圖像傳輸系統(tǒng)切實取得“所見即所得〃效果。實際運行中，圖像傳輸系統(tǒng)發(fā)射頻主要采取5.8GHz，這是因為5.8GHz頻段在運用中具備3大優(yōu)勢：一是不會對GPS信號產(chǎn)生干擾，確保無人機航拍平穩(wěn)性和可靠性；二是傳輸信息量很大，確保影像傳輸實時性；三是具備2.4g遙控頻率優(yōu)勢。2、無人機航拍技術的應用雖說當前技術還無法達到借助無人機替代人工直接對建筑物防雷裝置檢測，但憑借掛載高分辨率照相機、攝像能夠?qū)ㄖ镯敳扛黝惤娱W器虛接、倒伏、銹蝕等情況詳細觀察。從最為直觀角度對防雷裝置檢測，提升檢測工作質(zhì)量和效率，彌補人工檢測缺陷。如在某個雷電多發(fā)區(qū)，借助無人航拍機查看詳情，地面對無人航拍機器操控，確保其在某個商業(yè)用樓頂部展開航拍操作，憑借航拍圖像資料能夠發(fā)現(xiàn)在該樓雖說在放散管邊上裝設接閃桿，但接閃桿高度欠缺，會致使被保護物無法獲取全方位保護。此外，在無人機所傳輸資料中還可知，該區(qū)域建筑樓頂部均未布設接閃帶。結合我國防雷裝置相關規(guī)定要求，防雷裝置裝設無法達到相關標準時，防雷工程不合格?？偟膩碚f，利用無人機航拍技術能夠?qū)^(qū)域建筑物防雷裝置展開檢測，查看其是否存在缺陷，進而給雷電防護工作開展及完善提供科學合理參考。因而，無人機航拍技術在防雷檢測工作具有極大利用價值。試驗采用8旋翼無人機掛載全畫幅佳能5Dmark3相機，并配合24mm廣角定焦鏡頭，視角為84°，相機有效像素為22.3MegaPixel，最高分辨率達到5760x3840pixel。相機在飛行安全距離5m處的可視范圍寬度d=2x5tan42°=9（m），平均每厘米分配到的像素個數(shù)n=5760/900=6.4。在后期圖像資料中完全可以分辨接閃器（如避雷針、避雷帶）或引下線的使用狀況，發(fā)現(xiàn)損壞、銹蝕的位置。對于頂部坡度較大，檢測人員攀爬存在安全隱患的建筑物，利用無人機進行接閃器的檢查可以在保證人員安全的前提下，提高工作效率。圖1為北京市某小區(qū)的商業(yè)樓頂部的航拍圖像，根據(jù)GB50057-2010中規(guī)定該建筑群均屬于第三類防雷建筑物°GB50057—2010中4.1.1規(guī)定"各類防雷建筑物應設防直擊雷的外部防雷裝置”，4.4.1規(guī)定"第三類防雷建筑物外部防雷的措施宜采用裝設在建筑物上的接閃網(wǎng)、接閃帶或接閃桿，也可采用由接閃網(wǎng)、接閃帶或接閃桿混合組成的接閃器”。但是從圖中可以清晰地看出，該小區(qū)的樓頂均未裝設避雷帶。此外，屋頂一些放散管旁裝設了避雷針，但是避雷針普遍高度不夠，放散管的一些位置無法得到保護。圖2為北京市氣象局科技樓樓頂避雷針的航拍圖像，通過細節(jié)照片可以清晰地看出避雷針針尖及其底座的氧化和銹蝕情況，為判斷是否需要維修、更換提供了參考。采用航拍的方式獲取防雷資料相對于人工獲取更為安全、高效，并且在例如避雷針頂端位置的防雷資料，以其他方式是難以獲取的。由于試驗環(huán)境的限制，地面控制端遠離被攝避雷針，為保證安全降低風險，無人機未達到最佳拍攝位置，并且本實驗采用的廣角鏡頭在實際應用中對被攝物體細節(jié)的獲取不具優(yōu)勢。如果控制端更接近被攝物體，例如在建筑物頂端平臺操作，并且無人機配備更長焦段的鏡頭就可以達到更好的拍攝效果，獲得更具體的細節(jié)資料。圖1某商業(yè)樓頂航拍圖像圖24、前景未來無人機在防雷工作的應用可從3個方面進行，除外部防雷裝置的檢查和雷擊災害現(xiàn)場的調(diào)查外，還可以利用GPS系統(tǒng)記錄的飛行軌跡進行建筑物結構尺寸的估測。4.1明敷引下線的檢查在防雷檢測工作中，明敷引下線的外觀檢查，一般只在建筑物頂端和地面附近進行。對于較高的建筑物，引下線中間部分的銹蝕情況人工無法檢查，而利用無人機航拍的方法可以快速、準確地獲得這些位置的圖像資料。此外，無人機記錄的GPS信息還可以用來估測引下線間距，取代人工應用卷尺測量的傳統(tǒng)方法，判斷間距是否達到規(guī)范要求。4.2雷擊災害調(diào)查《全國雷電災害匯編》（以下稱《匯編》）是由中國氣象局雷電防護管理辦公室編寫的關于全國各省市雷災事件的匯編，其中雷擊地點的記錄是雷擊事件記錄的重要組成部分（例如，機場、學校、廠房、旅游景點），但對于雷擊的具體位置，由于一些區(qū)域人工很難取證（如樓頂電梯間、古樹頂、建筑物頂端等位置），在《匯編》中也少有記錄。如果在雷擊災害調(diào)查中可以準確地了解雷擊位置，就可以為分析閃電接閃規(guī)律和雷電災害的成因、特征提供數(shù)據(jù)資料，為雷電災害預防措施的研究提供參考。利用無人機可以快速地獲取雷擊區(qū)域的圖像資料，通過處理和分析高分辨率圖像，準確地判斷具體雷擊位置。5、結語利用無人機航拍技術不但可以彌補人工防雷檢測缺陷，降低檢測工作不安全性，而且還提升了防雷檢測工作質(zhì)量和效率，確保防雷裝置安全可靠性。未來還需對無人機航拍技術在防雷檢測中應用進一步分析探討，確保