無人機低空數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)在風(fēng)電工程中的應(yīng)用

毛 克，劉江龍，黃會珍，孫義君

(內(nèi)蒙古電力勘測設(shè)計院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

1 概述

近年來，攝影測量和遙感技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用為電力工程勘測設(shè)計行業(yè)帶來了一場前所未有的技術(shù)革命，應(yīng)用航空攝影測量技術(shù)進(jìn)行電力工程的優(yōu)化勘測設(shè)計呈現(xiàn)常態(tài)化的趨勢，但受航攝成本核算的影響，該技術(shù)的應(yīng)用僅限于大型的發(fā)電和輸變電項目。風(fēng)電項目因核準(zhǔn)規(guī)模和上網(wǎng)政策的制約，建設(shè)規(guī)模一般為每期49.5MW，測繪場址面積也在100km2以下，這為風(fēng)電應(yīng)用數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)帶來了困難，另外若采用全野外數(shù)字化地形測繪，工期無法滿足進(jìn)度要求，迫切需要一種低成本、高效率、靈活性強的技術(shù)實施風(fēng)電測繪，基于DPGrid-LAT軟件平臺的無人機低空數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)的應(yīng)用為解決這一突出矛盾提供了契機。

基于DPGrid-LAT軟件平臺的無人機低空數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)是集成無人機、攝影測量、遙測、通訊、3S以及慣性導(dǎo)航測量等前沿新技術(shù)為一體的空間信息獲取系統(tǒng)，有“三高一低”的特點，即高機動性、高分辨率、高度集成和低成本，已成功應(yīng)用于遙感、物探、災(zāi)害應(yīng)急、土地監(jiān)測、緝私等民用領(lǐng)域，在我國的電力工程領(lǐng)域處于研究探索和推廣階段。本文就我院無人機低空數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)在內(nèi)蒙古中部某風(fēng)電場的探索和應(yīng)用進(jìn)行闡述總結(jié)，對數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理中影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素進(jìn)行探究和分析。

2 項目生產(chǎn)工藝流程設(shè)計

應(yīng)用無人機低空數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)進(jìn)行風(fēng)電測繪和風(fēng)能優(yōu)化勘測設(shè)計，主要分為航攝、外控、數(shù)據(jù)處理和優(yōu)化勘測設(shè)計四部分。本文重點總結(jié)作業(yè)流程和數(shù)據(jù)處理，并分析數(shù)據(jù)精度和應(yīng)用評價。在本項目技術(shù)設(shè)計時，航攝參考相應(yīng)的低空攝影行業(yè)規(guī)范，數(shù)據(jù)處理執(zhí)行相應(yīng)數(shù)字?jǐn)z影測量內(nèi)業(yè)國家標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 無人機低空數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)項目生產(chǎn)工藝流程圖

3 無人機低空數(shù)字?jǐn)z影

無人機低空數(shù)字?jǐn)z影是通過無人機、飛行控制設(shè)備和影像獲取設(shè)備在地面控制遙測遙控設(shè)備的指令下獲取小面積、真彩色、高分辨率和現(xiàn)實性強的航空影像的過程。無人機低空數(shù)字?jǐn)z影具有傳統(tǒng)航空攝影測量不可比擬的優(yōu)勢：首先該系統(tǒng)技術(shù)門檻較低，使一些非專業(yè)航空攝影測量單位進(jìn)行航攝成為可能；其次作業(yè)簡便快捷，可以在數(shù)小時以內(nèi)完成風(fēng)電場航空攝影；再次，無人機實施云下作業(yè)，拓寬了航攝條件；另外，由于無人機航攝項目測區(qū)小，航線較短，不必按照傳統(tǒng)航測考慮地球偏轉(zhuǎn)因素使航線按東西方向敷設(shè)，在生產(chǎn)中為了削弱風(fēng)速的影響可以南北向敷設(shè)。

本試驗無人機為“測量者一號”，該機型采用常規(guī)氣動布局，機長2.3m，翼展2.5m，續(xù)航時間約2h，搭載佳能全像幅單反數(shù)碼相機。在航攝前委托專業(yè)檢測機構(gòu)對相機和鏡頭的內(nèi)方位元素進(jìn)行了檢測?，F(xiàn)場采用滑跑起飛，滑降回收的模式，人工遙控爬升至設(shè)計高度即可自動轉(zhuǎn)為自主飛行模式，按照預(yù)設(shè)航線完成航攝。航線敷設(shè)按照1:2000成圖的比例尺進(jìn)行，完成航攝11條航線，東西向飛行，航向間距215m，旁向間距610m，每條航帶約36條基線，共完成低空數(shù)字影像456幅，航跡示意圖見圖2。

圖2 無人機低空數(shù)字?jǐn)z影航跡示意圖

4 外控測量

外控測量為了確保風(fēng)電場坐標(biāo)基準(zhǔn)的統(tǒng)一和精度，采用分級控制的方式?；A(chǔ)控制測量采用D級GPS控制網(wǎng)，并完成與國家坐標(biāo)的聯(lián)測；外控測量按照區(qū)域網(wǎng)要求布設(shè)，像控點航向基線數(shù)跨度估算按照下所示：

公式1和公式2中，ms為連接點平面中誤差，mh為連接點的高程中誤差，K為放大成圖倍數(shù)，H為相對航高，b為基線長度，mq為視差量測單位權(quán)中誤差，n為航線方向相鄰平面控制點間隔基線數(shù)。在相機參數(shù)和項目航線敷設(shè)參數(shù)已知的情況下就可概略計算出本項目航向10～15條基線，旁向方向按照2～4條基線進(jìn)行布設(shè)就足以滿足1:5000地形圖測量的精度要求，如上圖2紅色三角形符號標(biāo)示為外控點，黑色界線為測圖范圍。

5 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

無人機低空數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)搭載的非量測數(shù)碼相機，與專業(yè)可量測航空相機相比，具有畸變差大、像幅小、基線短的特點，若使用傳統(tǒng)攝影測量軟件難以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。武漢大學(xué)引入了攝影測量領(lǐng)域的多項新理論研究成果、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和集群處理等技術(shù)研制出國際領(lǐng)先水平的數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)DPGrid，該軟件系統(tǒng)將攝影測量自動化與人機交互完全分開，生產(chǎn)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的數(shù)字?jǐn)z影測量軟件系統(tǒng)；界面友好操作簡單，能實現(xiàn)快速自動化影像數(shù)據(jù)的處理和空間信息的獲取。DPGrid-LAT軟件(DPGrid低空版)系統(tǒng)實現(xiàn)了自動空三、自動DTM、自動DEM和DOM生產(chǎn)，改進(jìn)的影像匹配算法適應(yīng)飛行姿態(tài)穩(wěn)定性較差和質(zhì)量較差的無人機低空數(shù)字?jǐn)z影測量影像，具有傳統(tǒng)攝影測量軟件不可比擬的優(yōu)勢。

5.1 DPGrid-LAT軟件數(shù)據(jù)處理流程

基于DPGrid-LAT軟件無人機低空數(shù)字?jǐn)z影測量與傳統(tǒng)數(shù)字?jǐn)z影測量數(shù)據(jù)處理流程大體上類似，包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、自動空三和3D產(chǎn)品生產(chǎn)三個階段；不同之處在于需要對原始影像進(jìn)行畸變差糾正；像點編輯和網(wǎng)平差也與常用國內(nèi)攝影測量軟件有所區(qū)別；另外DPGrid-LAT系統(tǒng)在空三后能全自動直接生產(chǎn)DEM和DOM，不需要人工過多的干預(yù)就能快速得到高分辨率DOM，圖3為試驗數(shù)據(jù)處理的流程。

5.2 無人機低空影像數(shù)據(jù)預(yù)處理

無人機低空影像數(shù)據(jù)預(yù)處理是航攝數(shù)據(jù)和外控資料的檢查核對、畸變差糾正和DPGrid-LAT項目建立。在分析相機檢校參數(shù)、原始影像、POS數(shù)據(jù)后建立數(shù)據(jù)處理項目，其中關(guān)鍵之處在于影像畸變差糾正。無人機低空數(shù)字影像為非量測相機獲取，鏡頭存在較大的畸變差，圖4和圖5為試驗相機徑向畸變差曲線和偏心畸變差曲線，可以看出，在距離像主點10mm處徑向畸變差超過10個像素，若直接使用未糾正的原始影像進(jìn)行空三作業(yè)，必然導(dǎo)致自由網(wǎng)平差不收斂。

影像畸變差糾正時注意查看相機的檢測報告，檢測方出具的檢測報告單位也不統(tǒng)一，畸變差糾正時應(yīng)統(tǒng)一換算單位，單位換算按照嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行，否則就會出現(xiàn)主點參數(shù)與橫向、徑向畸變參數(shù)(即P1P2K1K2)單位不統(tǒng)一，導(dǎo)致影像畸變改正錯誤。

圖3 DPGrid-LAT軟件數(shù)據(jù)處理流程圖

圖4 相機徑向畸變差曲線圖

圖5 相機偏心畸變差曲線圖

DPGrid-LAT項目建立時設(shè)置的參數(shù)有相機參數(shù)、控制點參數(shù)、POS參數(shù)和影像參數(shù)，應(yīng)注意相機參數(shù)的設(shè)置與影像預(yù)處理的主點及畸變改正和旋轉(zhuǎn)角度是否一致，檢查無誤后開始影像預(yù)處理，執(zhí)行翻轉(zhuǎn)、Willis變換、Harris變換、金字塔影像和快視圖處理。在影像預(yù)處理完成后引入無人機航攝POS文件可以快速的建立影像索引，避免繁瑣的航帶順序排列和檢視。

5.3 自動空中三角測量

自動空三是基于DPGrid-LAT軟件數(shù)據(jù)處理的核心內(nèi)容，空三結(jié)果質(zhì)量直接決定了最終產(chǎn)品的精度。自動空三的主要任務(wù)是自動匹配、自動挑點、自由網(wǎng)平差、像點編輯、像控點轉(zhuǎn)刺、區(qū)域網(wǎng)平差和空三成果輸出，其中像點編輯和網(wǎng)平差是空三數(shù)據(jù)處理中較為繁瑣和重要的一環(huán)。

DPGrid-LAT軟件采用了基于特征匹配的算法進(jìn)行影像匹配，該算法能夠很好的適應(yīng)重疊度和旋偏角過大的無人機低空數(shù)字?jǐn)z影影像，與VirtuoZo AAT比較，DPGrid-LAT軟件能夠?qū)Ρ驹囼灁?shù)據(jù)進(jìn)行密集匹配處理，另外，在匹配效率和速度上也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于同類航測軟件。

影像匹配完成后進(jìn)行自動挑點，由于DPGrid-LAT匹配的像點較為密集，其中包含了一部分殘差較大的點位，因此需要在標(biāo)準(zhǔn)點位附近至少保留2個像點。挑點后進(jìn)行自由網(wǎng)平差，查看像點殘差報告的超限信息，對于超限像點進(jìn)行編輯。網(wǎng)平差采用DPGrid.BA模塊，該模塊為輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差系統(tǒng)，不僅可以整體處理多源、多時相觀測數(shù)據(jù)，而且在平差模型中顧及系統(tǒng)誤差補償和粗差定位；解算精度與PATB、BLUH等國際著名光束法區(qū)域網(wǎng)平差軟件相當(dāng)。

自由網(wǎng)平差和像點編輯是一個反復(fù)交互編輯的過程，首先對殘差較大的像點進(jìn)行編輯，直至像點均方根誤差小于1/3個像素才可進(jìn)行下一步控制點轉(zhuǎn)刺和區(qū)域網(wǎng)平差。自由網(wǎng)平差時殘差大的像點主要分布于一下幾類：色調(diào)反差過大的像對、像移過大的像對、紋理較差的像對、位于樹林、屋頂、線路設(shè)施的像對，對于這些像點應(yīng)手動添加或編輯至平坦且紋理較強的區(qū)域。采用自由網(wǎng)平差探測像點粗差時，應(yīng)采取逐步減小DPGrid.BA平差界面的單位權(quán)中誤差設(shè)定值，若初始權(quán)值過于嚴(yán)格會導(dǎo)致粗差探測能力下降且無規(guī)律，在平差過程中應(yīng)逐步調(diào)整權(quán)值直至達(dá)到規(guī)范要求。

像點網(wǎng)穩(wěn)定且精度達(dá)到技術(shù)設(shè)計要求后進(jìn)行像控點轉(zhuǎn)刺。轉(zhuǎn)刺要盡量準(zhǔn)確，像控點的精度直接決定了空三解算外方位元素的質(zhì)量。區(qū)域網(wǎng)平差與自由網(wǎng)平差類似，也是一個反復(fù)交替編輯的過程，通過平差結(jié)果逐步調(diào)整控制點中殘差較大或不穩(wěn)定的點，直至殘差收斂至規(guī)范要求。剔除粗差時，由于控制點的轉(zhuǎn)刺也存在一定的“人為誤差”，在保證控制點位置準(zhǔn)備無誤基礎(chǔ)上，為了減弱像控點對像點網(wǎng)產(chǎn)生較大的變形，與自由網(wǎng)平差類似，可逐步減小控制點的精度設(shè)置，逼出錯誤像點并予以調(diào)整，直至達(dá)到規(guī)范要求基本定向點限差的1/3～1/2時，平差結(jié)果才有比較高的可靠性和精度。若平差中出現(xiàn)確定無誤的像控點殘差過大，則說明像控點周圍像點網(wǎng)不穩(wěn)定或附近像點有較大粗差，此時需要人工進(jìn)一步干預(yù)，直至結(jié)果合格，該步驟在無人機低空影像空三處理較為常見，需要仔細(xì)耐心的處理。在控制點平差完成后便可輸出空三加密成果，導(dǎo)入VirtuoZo立體測圖軟件測圖，進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)生產(chǎn)。

5.4 3D產(chǎn)品生產(chǎn)

采用DPGrid.OP模塊進(jìn)行DEM和DOM快速生產(chǎn)具有極高的效率，可以全自動的完成DEM提取和編輯、DOM勻光、色調(diào)均衡和快速鑲嵌。自動化DEM生產(chǎn)主要步驟為測區(qū)像對密集匹配、挑出粗差和生成DSM，通過對自動化處理完成的DSM進(jìn)行編輯就可以得到滿足風(fēng)電場風(fēng)能計算要求精度DEM模型。DPGrid.OP模塊可以全自動化完成快速DOM生產(chǎn)，由于該模塊使用了基于網(wǎng)絡(luò)的集群數(shù)據(jù)處理技術(shù)，將任務(wù)分配給網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的其他計算機一同完成，提高了生產(chǎn)效率。

DLG產(chǎn)品的生產(chǎn)與傳統(tǒng)立體測圖無明顯差別，區(qū)別在于無人機低空數(shù)字?jǐn)z影測量立體測圖像對面積較小，需要頻繁的切換像對進(jìn)行采集。由于DPGrid-LAT軟件系統(tǒng)與VirtuoZo全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)同為武漢大學(xué)遙感學(xué)院研制，空三加密成果與立體測圖之間可以實現(xiàn)無縫聯(lián)接，不需要重新對內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集人員進(jìn)行培訓(xùn)。

6 風(fēng)能優(yōu)化設(shè)計

以往我院風(fēng)能主要是以DLG為基礎(chǔ)進(jìn)行的勘測設(shè)計模式，該模式的核心是基于全野外數(shù)字化地形圖的三維重建和風(fēng)能流體力學(xué)分析，由于全野外數(shù)字化地形測繪1:5000地形圖信息量的局限性，在完成設(shè)計后還需去現(xiàn)場微觀選址確認(rèn)設(shè)計機位，若直接使用DEM和DOM進(jìn)行設(shè)計，則省去繁瑣的三維模型重建部分，直接使用編輯后的DEM進(jìn)行流體力學(xué)計算，將計算后的成果與DOM進(jìn)行疊加分析，最終在室內(nèi)攝影測量工作站上完成微觀選址。

基于數(shù)字?jǐn)z影測量設(shè)計模式和傳統(tǒng)模式相比，不僅實現(xiàn)了設(shè)計效率的提高，也避免了繁瑣外業(yè)微觀選址。應(yīng)用DEM和DOM進(jìn)行微觀選址可以更大程度上實現(xiàn)風(fēng)機的優(yōu)化設(shè)計，傳統(tǒng)模式在現(xiàn)場微觀選址時不能從宏觀上進(jìn)行風(fēng)機優(yōu)化配置，而前者實現(xiàn)三維立體界面下的機位量測、特殊地形地物避讓和相互影響評價。

圖6 基于無人機低空數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)3D產(chǎn)品的風(fēng)能優(yōu)化設(shè)計流程圖

7 精度分析

基于DPGrid-LAT軟件平臺的無人機低空數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)進(jìn)行風(fēng)電測繪的精度影響因素主要有設(shè)備觀測誤差、人工量測誤差和氣象等外界因素影響產(chǎn)生的誤差；首先，由于無人機低空數(shù)字?jǐn)z影系統(tǒng)在設(shè)計、制造和設(shè)備校驗過程中不能避免的存在傳感器量化過程帶來的系統(tǒng)誤差；其次因人感官鑒別能力、技術(shù)水平和工作態(tài)度的差異而導(dǎo)致在像控測量、空三和數(shù)據(jù)采集時產(chǎn)生的人為誤差；再次由于天氣狀況對無人機姿態(tài)和成像質(zhì)量的影響產(chǎn)生的誤差。由于篇幅限制，本文重點分析無人機低空數(shù)字?jǐn)z影和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的精度。

7.1 無人機航攝誤差分析

無人機航攝平臺抵御紊亂氣流的能力較弱，主要是固低空無人機的載重和體積決定的。無人機航攝瞬間存在較大的翻滾角、俯仰角和偏航角，由于空三測量平差中要建立嚴(yán)格的誤差方程式，方程的解算對獲取影像的傾斜角有一定要求，雖然基于DPGrid-LAT數(shù)據(jù)處理平臺對大傾角旋角的影像有較好的適應(yīng)性，但給空三收斂精度帶來較大的工作量和難度。如下姿態(tài)分布圖7所示，在3級風(fēng)的情況下除測區(qū)外邊緣入航處的傾角和旋角較大以外，其余11航共456張像片滿足項目技術(shù)設(shè)計的要求。

圖7 無人機低空攝影瞬間翻滾角、俯仰角、偏航角分布圖

無人機攝影數(shù)據(jù)的獲取質(zhì)量直接決定了空三精度的高低，目前無法搭載高精度POS系統(tǒng)，獲取的POS數(shù)據(jù)無法進(jìn)行空三聯(lián)合平差，只作為初始值自動排列影像。另外本項目共實施2次航攝，第1次因數(shù)碼相機的固定系統(tǒng)未適應(yīng)高海拔紊流而導(dǎo)致像移過大，后期空三收斂精度較低，在后續(xù)項目的無人機上應(yīng)安裝較為成熟的三軸云臺自穩(wěn)系統(tǒng)，減弱紊流帶來的影響。

7.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理精度分析

基于DPGrid-LAT軟件平臺內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的精度主要分空三測量和立體量測兩個方面，本試驗影像地面分辨率約為0.15m，考慮畸變差、非正交性誤差和大氣透射率等因素的影響，實際地面分辨率在0.2m左右，像控點外業(yè)選刺和轉(zhuǎn)刺一般在2個像素以內(nèi)，除個別邊緣不清晰的達(dá)到3個像素。內(nèi)業(yè)空三自由網(wǎng)平差的像點均方根誤差為0.00547mm，圖8為像點殘差統(tǒng)計圖，大多數(shù)像點殘差小于1/3的像素，只有個別像對的在1/3～2/3像素之間，主要原因是像移較大，匹配定向精度不高，但滿足本項目技術(shù)設(shè)計要求。

圖8 自由網(wǎng)平差像點殘差分布圖

圖9 區(qū)域網(wǎng)平差基本定向點平面中誤差分布圖

圖10 區(qū)域網(wǎng)平差基本定向點高程中誤差分布圖

區(qū)域網(wǎng)平差計算結(jié)束后，按照技術(shù)設(shè)計要求基本定向點平面位置中誤差小于0.75m(規(guī)范要求為1.5m)，高程中誤差為0.8m，基本定向點中誤差如圖9、圖10所示，檢查點最大平面中誤差為0.95m，高程中誤差為1.16m，達(dá)到技術(shù)設(shè)計網(wǎng)平差精度要求。

為了驗證內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理精度是否滿足風(fēng)電勘測設(shè)計的要求，在立體測圖前采集了未參與網(wǎng)平差且均勻分布測區(qū)10個平面點和10個高程點坐標(biāo)值，并進(jìn)行了統(tǒng)計，如表1所示，平面除個別特征不明顯的點位之外都有較高的精度，高程最大為1.49，經(jīng)統(tǒng)計分析，高程誤差較大的點分布于圖14中區(qū)域網(wǎng)平差高程中誤差較大的四個山頭，經(jīng)分析位于這些區(qū)域的像對存在像移和色調(diào)反差過大等問題，但數(shù)據(jù)處理結(jié)果依然滿足1:5000地形圖測量精度要求。

表1 外控檢測點精度統(tǒng)計

8 結(jié)語

應(yīng)用基于DPGrid-LAT軟件平臺的無人機低空數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)實施風(fēng)電場地形測繪和勘測設(shè)計具有重要的意義，通過具體試驗和實地檢測，本項目完全滿足技術(shù)設(shè)計的精度要求，若不考慮工期限制對項目中誤差較大的個別山頭進(jìn)行控制點加密，數(shù)據(jù)處理精度可以達(dá)到1:2000地形圖的要求。但在生產(chǎn)過程中也遇到了一定的問題，首先該技術(shù)數(shù)據(jù)生產(chǎn)精度很大程度依賴航攝的質(zhì)量，若影像數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，后期的數(shù)據(jù)處理效率和精度也相應(yīng)的較高，相關(guān)單位在實驗中曾達(dá)到過1:500的精度，因此在作業(yè)過程中首先考慮改進(jìn)航攝系統(tǒng)，其次可以通過效率和質(zhì)量較高的CORS技術(shù)進(jìn)行大密度像控測量，以提高空三精度。

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