无人机航拍技术在防雷检测中的应用

无人机航拍技术在防雷检测中的应用

张蕾

河北宇翔雷电灾害防御科技有限公司河北石家庄050000

摘要：利用无人机航拍技术不但可以弥补人工防雷检测缺陷，降低检测工作不安全性，而且还提升了防雷检测工作质量和效率，确保防雷装置安全可靠性。未来还需对无人机航拍技术在防雷检测中应用进一步分析探讨，确保无人机航拍技术优化，推动其在防雷检测工作广泛普及应用，为社会公众提供更加有效的防雷检测服务保障。

关键词：无人机航拍技术；防雷检测；应用

1小型航拍无人机系统的组成

（1）载机平台。载机平台属于无人航拍系统中特别重要一部分。结合环境差异，当前航拍无人机系统载机平台一般可挑选四旋无人机（AEROEVE-650型）或抗风性较好的八旋翼无人机（AEROEVE-1000型）。这种多旋翼无人机是近年来广泛流行载机机型，在实际使用中具备一些优势：机械结构比较简单、噪音小、低速相对稳定、操作便捷，同时对起飞场地要求较低。无人机主要材料是碳纤维，其质轻、强度较高，能够确保在空中拍摄平稳性。

（2）飞行控制系统。飞行控制系统主要涵盖飞行控制器、GPS定位系统及姿态传感器构成，能够做到对无人机姿态、高度及航向等参数自动控制。借助GPS定位系统，可让无人机依据提前所设置的航线自主飞行，操作简便，具备较高精度。

（3）云台摄像系统。一般可以利用精度较高数字增稳云台给摄像、摄影设备给予较稳定拍摄平台，确保在相对安全距离下拍摄较清楚图像。在对目标物拍摄中，云台控制器能够对相机旋转及倾斜角实时调整，确保目标位于图像平面中心位置。事实上，云台增稳系统内部配置三轴陀螺仪，采取先进的姿态算法，能在无人机机身姿态做出改变时自动进行反向补偿摄像仪器姿态，确保无人机拍摄画面不受高空强风、大风等外界因素影响。同时可以采用佳能、尼康等分辨率较高单相机或单反相机配合运用，提升拍摄画面清晰度。

（4）图像传输系统。图像传输系统在无人机器航拍系统中起到特别关键作用，能够对摄像设备所拍摄的画面实时回传，为地面实时操作给予重要参考依据。也就是说无人机图像传输系统切实取得“所见即所得”效果。实际运行中，图像传输系统发射频主要采取5.8GHz，这是因为5.8GHz频段在运用中具备3大优势：一是不会对GPS信号产生干扰，确保无人机航拍平稳性和可靠性；二是传输信息量很大，确保影像传输实时性；三是具备2.4g遥控频率优势。

2应用

试验采用8旋翼无人机挂载全画幅佳能5Dmark3相机，并配合24mm广角定焦镜头，视角为84°，相机有效像素为22.3MegaPixel，最高分辨率达到5760×3840pixel｡相机在飞行安全距离5m处的可视范围宽度d=2×5tan42°≈9（m），平均每厘米分配到的像素个数n=5760/900=6.4｡在后期图像资料中完全可以分辨接闪器（如接闪杆､避雷带）或引下线的使用状况，发现损坏､锈蚀的位置｡对于顶部坡度较大，检测人员攀爬存在安全隐患的建筑物，利用无人机进行接闪器的检查可以在保证人员安全的前提下，提高工作效率｡

图1为北京市某小区的商业楼顶部的航拍图像，根据GB50057-2010中规定该建筑群均属于第三类防雷建筑物｡GB50057-2010中4.1.1规定“各类防雷建筑物应设防直击雷的外部防雷装置”，4.4.1规定“第三类防雷建筑物外部防雷的措施宜采用装设在建筑物上的接闪网、接闪带或接闪杆，也可采用由接闪网、接闪带或接闪杆混合组成的接闪器”。但是从图中可以清晰地看出，该小区的楼顶均未装设避雷带。此外，屋顶一些放散管旁装设了接闪杆，但是接闪杆普遍高度不够，放散管的一些位置无法得到保护。

图1某商业楼顶航拍图像

图2为北京市气象局科技楼楼顶接闪杆的航拍图像，通过细节照片可以清晰地看出避雷针针尖及其底座的氧化和锈蚀情况，为判断是否需要维修、更换提供了参考。采用航拍的方式获取防雷资料相对于人工获取更为安全、高效，并且在例如接闪杆顶端位置的防雷资料，以其他方式是难以获取的。

图2北京市气象局科技楼楼顶接闪杆

由于试验环境的限制，地面控制端远离被摄接闪杆，为保证安全降低风险，无人机未达到最佳拍摄位置，并且本实验采用的广角镜头在实际应用中对被摄物体细节的获取不具优势。如果控制端更接近被摄物体，例如在建筑物顶端平台操作，并且无人机配备更长焦段的镜头就可以达到更好的拍摄效果，获得更具体的细节资料。

3无人机和人工检查外部防雷装置效率对比

无人机除可以对单个建筑物进行防雷资料采集之外，还可以在特定航线下进行大范围的防雷检查工作，且工作效率远高于人工，图６为无人机在规定航线下自动进行防雷检查工作的示意图。图中，以民用住宅小区为例：假设一个０．５ｋｍ×０．５ｋｍ的新建小区项目，每座住宅楼占地７０ｍ×１５ｍ，小区内共建设住宅楼３０座，呈６排５列分布，并且均为６层板楼，高度约为２５ｍ。无人机采用视角范围８４°的短焦广角镜头进行拍摄，飞行高度为３０ｍ，飞行速度为30km/h｡无人机完成整个小区的防雷检查任务回到出发点需要的时间为t=8（min），资料进行后期检查（如接闪带有无断裂､倒伏，避雷针锈蚀等情况）需要的时间约为30min，检查防雷装置共用时约38min；如果采用人工检查的方法，假设检测人员上下一次楼顶并进行防雷装置检查用时4min，地面行走速度为10km/h，则整个检查过程需要时间为t=144（min），可见利用无人机检查外部防雷装置可以将效率提高３倍以上

4前景

未来无人机在防雷工作的应用可从３个方面进行，除外部防雷装置的检查和雷击灾害现场的调查外，还可以利用ＧＰＳ系统记录的飞行轨迹进行建筑物结构尺寸的估测。

4.1明敷引下线的检查

在防雷检测工作中，明敷引下线的外观检查，一般只在建筑物顶端和地面附近进行。对于较高的建筑物，引下线中间部分的锈蚀情况人工无法检查，而利用无人机航拍的方法可以快速、准确地获得这些位置的图像资料。此外，无人机记录的ＧＰＳ信息还可以用来估测引下线间距，取代人工应用卷尺测量的传统方法，判断间距是否达到规范要求。

4.2雷击灾害调查

《全国雷电灾害汇编》（以下称《汇编》）是由中国气象局雷电防护管理办公室编写的关于全国各省市雷灾事件的汇编，其中雷击地点的记录是雷击事件记录的重要组成部分（例如，机场、学校、厂房、旅游景点），但对于雷击的具体位置，由于一些区域人工很难取证（如楼顶电梯间、古树顶、建筑物顶端等位置），在《汇编》中也少有记录。如果在雷击灾害调查中可以准确地了解雷击位置，就可以为分析闪电接闪规律和雷电灾害的成因、特征提供数据资料，为雷电灾害预防措施的研究提供参考。利用无人机可以快速地获取雷击区域的图像资料，通过处理和分析高分辨率图像，准确地判断具体雷击位置。

结束语

无人机航拍技术是指借助于通讯技术、飞行器技术、图像技术及GPS差分定位技术共同结合所实现的技术。将无人机航拍技术用于防雷工作中，能够较好处理某些人工防雷工作中没有办法解决的问题，如高塔、坡屋顶建筑外部防雷装置检查、建筑物结构尺寸估测及雷击灾害调查等。无人机航拍技术在防雷检测中具有广阔的应用前景。

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