免像控?zé)o人機(jī)航測技術(shù)在風(fēng)電場選址中的應(yīng)用及精度評價

蔡龍洲

（福州市勘測院，福建 福州350000）

近年來無人機(jī)已經(jīng)在測繪行業(yè)廣泛應(yīng)用，但是仍然存在著較多的不足，如影像相幅小、影像畸變差大、姿態(tài)不穩(wěn)定、重疊度不規(guī)則等。 在較大范圍地形圖測量中，使用傳統(tǒng)解析法測量、傳統(tǒng)航空攝影測量有困難的情況下優(yōu)先采用無人機(jī)航測，但作業(yè)過程中，由于相幅小，所需的像控點(diǎn)較多，且施測存在著諸多困難，因此免像控?zé)o人機(jī)航測技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。應(yīng)用免像控?zé)o人機(jī)航測技術(shù)，能夠在有效降低勘測成本的同時，保證勘測工作的高效率、高精度，因此加強(qiáng)免像控?zé)o人機(jī)航測技術(shù)在常規(guī)測量困難區(qū)域的應(yīng)用顯得十分必要。 以天狼星無人機(jī)為代表的免像控?zé)o人機(jī)航測系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用，并逐步被測繪工作者認(rèn)可［1］。 根據(jù)數(shù)據(jù)需求方要求，本次項目測量1 ∶1000 比例尺地形圖及DOM 等工作。

1 免像控航測系統(tǒng)

1.1 無人機(jī)系統(tǒng)

無人機(jī)航測系統(tǒng)是一系列軟硬件組成的一套測量工具，具有集成化、高度融合等特點(diǎn)，系統(tǒng)可簡單分為硬件設(shè)備、軟件系統(tǒng)組成。

（1）硬件設(shè)備主要包括無人機(jī)飛行平臺、飛行控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳感器、設(shè)備穩(wěn)定系統(tǒng)、POS 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理服務(wù)系統(tǒng)等。

（2）軟件系統(tǒng)主要包括無人機(jī)飛行控制管理系統(tǒng)、飛行數(shù)據(jù)檢查系統(tǒng)、數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng)、影像處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)提取分析系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理與檢索系統(tǒng)等。

1.2 免像控原理

免像控?zé)o人機(jī)航測系統(tǒng)其實(shí)是一種新型的軟硬件高度集成化的產(chǎn)物，集成高精度RTK 和慣導(dǎo)測量單元（IMU）采集無人機(jī)作業(yè)時準(zhǔn)確的位置與姿態(tài)信息，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理提供可靠的起算數(shù)據(jù)，有效提高了地面像點(diǎn)的解算精度，達(dá)到免于測量像控點(diǎn)的目的。 該系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）免于像控點(diǎn)測量。 免于野外像控測量降低了測量成本、縮短了工期，其成果精度不受像控點(diǎn)精度影響。

（2）數(shù)據(jù)處理自動化程度較高。 無像控航測數(shù)據(jù)處理工作在空三過程中無需添加控制點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)更加自動化的數(shù)據(jù)處理。

2 工程項目案例

2.1 項目簡介

福清市位于東南沿海，常年盛行東南風(fēng)，擁有豐富的可利用風(fēng)能資源。 某風(fēng)電公司擬建裝機(jī)容量約為20 MW，面積約13 km2區(qū)域，經(jīng)初步現(xiàn)場勘查該項目擬建設(shè)位于西北大帽山區(qū)域，區(qū)域范圍內(nèi)海拔約10～250 m，海拔落差約240 m，平均海拔約120 m。 為了精確選定風(fēng)電場廠址、規(guī)劃交通路線、設(shè)計選址、裝機(jī)等工作，急需該區(qū)域高精度地形圖。 本文以該風(fēng)電場的地形測繪為例，采用免像控?zé)o人機(jī)航測技術(shù)，使用拓?fù)淇堤炖切呛綔y系統(tǒng)進(jìn)行施測。 在確保精度符合相關(guān)規(guī)范要求的情況下，有效縮短了工期，圓滿完成了工作任務(wù)。

2.2 外業(yè)航測工作

2.2.1 天狼星無人機(jī)

天狼星免像控系統(tǒng)集成度非常高，軟硬件配備完善［3］。 拓?fù)淇堤炖切鞘且环N手拋式固定翼無人機(jī)，其翼展達(dá)到1.63 m，最大飛行高度達(dá)2 600 m，具有自動導(dǎo)航POS 輔助等重要配件。

天狼星免像控?zé)o人機(jī)搭載的相機(jī)為松下GX-1，相機(jī)焦距14 mm；1 600 萬像素；相機(jī)快門速度在在動態(tài)模式 下分 別 為1 ／ 30 ～1 ／ 6000 s、1 ／ 25 ～1 ／ 6000 s；閃光同步速度為1 ／ 160 s。 該相機(jī)為非量測相機(jī)，經(jīng)定標(biāo)測量使用畸變糾正模型［2］可進(jìn)行糾正畸變影像，經(jīng)畸變校正的影像可投入航測生產(chǎn)，滿足測量相關(guān)要求。

2.2.2 航飛實(shí)施

本測區(qū)形狀不夠規(guī)則，測區(qū)呈梯形且西北東南走向，測區(qū)范圍內(nèi)平均海拔約120 m，根據(jù)已有的基本情況劃分1 個航攝分區(qū)，有效航攝面積15 km2。具體航線規(guī)劃見圖1。

圖1 航線設(shè)計示意圖

航線設(shè)計：航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%，航攝影像地面分辨率為8 cm。

航攝工作選擇晴好天氣，避開早晚及中午陽光暴曬時段。 共拍攝像片6 915 張，影像清晰、反差適中、色調(diào)柔和、 色彩平衡，符合航測成圖及數(shù)據(jù)處理要求。

因本次項目采用免像控的無人機(jī)航測模式，現(xiàn)場無需布設(shè)像控點(diǎn)工作，節(jié)省了開支并縮短了工期，工藝流程也較為簡單。 本次航測施測采用天狼星無人機(jī)，其自身攜帶了GNSS RTK 設(shè)備，且采用福州市CORSS 站信號獲取基站服務(wù)，野外工作也無需架設(shè)基準(zhǔn)站。

2.3 數(shù)據(jù)處理與成果

當(dāng)前，市面上的航空影像數(shù)據(jù)空三處理軟件多種多樣，各有各的優(yōu)缺點(diǎn)。 針對本次項目，因采用天狼星免像控?zé)o人機(jī)航測系統(tǒng)，考慮軟件與硬件的適配性，采用了天狼星自帶軟件MAVinci Desktop 對航測像片進(jìn)行畸變糾正、勻光勻色等預(yù)處理工作。 再通過Agisoft Photoscan 軟件對影像匹配數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。 根據(jù)像片、POS 數(shù)據(jù)和福州CORSS 基準(zhǔn)站的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，依據(jù)光束法區(qū)域網(wǎng)平差計算出所有影像的準(zhǔn)確位置、姿態(tài)數(shù)據(jù)等外方位元素，從而形成空三加密成果。 采用清華山緯EPS 等軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)作業(yè)形成航測內(nèi)業(yè)草圖，再根據(jù)航測內(nèi)業(yè)草圖進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪后根據(jù)調(diào)繪手稿編輯形成地形圖正式成果。

根據(jù)空三成果進(jìn)而建立密集點(diǎn)云生成格網(wǎng)和紋理， 經(jīng)點(diǎn)云去噪等深度處理后獲得高分辨率的DOM，成果示意參見圖2。 其中，在處理DOM 數(shù)據(jù)處理階段，要特別注意積極利用原始影像進(jìn)行增補(bǔ)，以獲得感官更高的DOM。 根據(jù)選址及設(shè)計的要求，我們形成了一套完整的4D 產(chǎn)品，其中地形圖耗費(fèi)比較大的精力去完成，包含了內(nèi)外業(yè)的反復(fù)交替工作，成果在規(guī)定的工期內(nèi)順利完成。 地形圖疊加DLG 成果如圖3。

圖2 DOM 局部成果圖

圖3 DOM 疊加DLG 全圖

2.4 精度評價

為了客觀評價成果精度，保證數(shù)據(jù)成果的可靠性，采用RTK 移動站外業(yè)實(shí)測采集明顯地物點(diǎn)。 主要采集位置為房屋角點(diǎn)、道路相交點(diǎn)等在實(shí)地、影像中都能明顯辨別的位置。 采用固定解模式下采集，外業(yè)共采集65 處檢查點(diǎn)，經(jīng)與內(nèi)業(yè)采集坐標(biāo)進(jìn)行比對，在不考慮設(shè)備等誤差因素的影響下，通過計算得到平面中誤差和高程中誤差，精度比對分析結(jié)果見表1。

從表1 我們可以看出，平面坐標(biāo)較差最大點(diǎn)位JC47 點(diǎn)、高程坐標(biāo)較差最大點(diǎn)位為J32，經(jīng)根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1 ∶500 1 ∶1000 1 ∶2000數(shù)字線劃圖》，1 ∶1000 比例尺地形圖成果平面位置中誤差和高程中誤差最高限差分別為0.6 和0.7。從精度檢測結(jié)果可以看出，成果的平面中誤差為0.277 m，高程中誤差為0.262 m，成果精度范圍符合規(guī)范限差要求。

表1 大帽山風(fēng)電場地形圖精度檢查記錄表

3 結(jié)束語

綜上所述，本項目采用免像控?zé)o人機(jī)航測系統(tǒng)施測，其成果精度完全符合相關(guān)質(zhì)量要求。 采用無人機(jī)航測方式進(jìn)行測量作業(yè)正逐漸取代傳統(tǒng)野外解析測量，并有效地獲得了傳統(tǒng)航測無法企及的小范圍航測差異化市場。