無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在光伏電站勘察中的應(yīng)用

張艷秋 李艷芳

摘 要：光伏電站的勘察是光伏電站建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，光伏電站站址的測(cè)圖與傳統(tǒng)意義的地形圖測(cè)繪不同，不僅要獲取高精度的地表地貌特性的點(diǎn)位位置，也要獲得地表的地質(zhì)信息，初判覆蓋層厚度、落水洞和不良地質(zhì)的發(fā)育程度。通過無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)構(gòu)建光伏電站場(chǎng)區(qū)三維實(shí)景模型，通過實(shí)景三維模型獲取地物的地形要素和地表的地質(zhì)紋理信息，證明了三維測(cè)圖效率高、生產(chǎn)成本低、周期短、成果豐富，極大提高了光伏電站勘察設(shè)計(jì)的效率。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);傾斜攝影;三維建模;光伏電站

中圖分類號(hào)：P231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）23-0036-04

Abstract： The survey of photovoltaic power station is a key link in the construction of photovoltaic power station. The mapping of photovoltaic power station site is different from the topographic mapping in the traditional sense. It is necessary to obtain not only the point location of high-precision surface geomorphic characteristics， but also the geological information of the surface， and preliminarily judge the thickness of overburden， the development degree of sinkhole and adverse geology. The UAV tilt photography technology is used to generate the three-dimensional real scene model of the photovoltaic power station site， and the terrain elements of the ground objects and the geological texture information of the surface are obtained through the three-dimensional real scene model. The three-dimensional modeling has high efficiency， low production cost， short cycle and rich achievements， which greatly improves the efficiency of the survey and design of the photovoltaic power station.

Keywords： UAV;oblique photography;3D real scene model;photovoltaic power station

隨著經(jīng)濟(jì)的高速度和高質(zhì)量發(fā)展，電力工程建設(shè)力度也在不斷加強(qiáng)，綠色電力能源的開發(fā)越來越受到社會(huì)的關(guān)注，其中光伏電站建設(shè)成為國(guó)家鼓勵(lì)力度最大的項(xiàng)目之一。2015年，國(guó)務(wù)院扶貧辦把光伏扶貧列為我國(guó)十大精準(zhǔn)扶貧工程之一。合理利用貧困地區(qū)豐富的太陽(yáng)能資源，既能實(shí)現(xiàn)扶貧開發(fā)，又可以將清潔新能源利用和節(jié)能減排相結(jié)合。然而，我國(guó)復(fù)雜的地質(zhì)條件為光伏電站站址的選擇帶來了很大挑戰(zhàn)。光伏電站站點(diǎn)的陣列與一般建構(gòu)筑特點(diǎn)不同，場(chǎng)地的勘察更應(yīng)針對(duì)其特點(diǎn)采取靈活的方案[1]，因此合理確定站點(diǎn)位置具有重要意義。扶貧光伏電站建設(shè)要充分利用現(xiàn)有資源，以為貧困地區(qū)人民提供創(chuàng)業(yè)、就業(yè)崗位和資金收入為目的，提高光伏電站建設(shè)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。扶貧電站勘察設(shè)計(jì)具有工作量大、要求高、工期短等特性，傳統(tǒng)的人工測(cè)圖周期長(zhǎng)、成本高，在時(shí)間節(jié)點(diǎn)上很難滿足工程建設(shè)的工期要求。

無人機(jī)傾斜攝影是近年來興起的一門新技術(shù)，在城市三維建模、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]，但在光伏電站勘察方面還未發(fā)揮獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。本研究擬將無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)用于光伏電站站址選擇的前期勘察中，利用無人機(jī)搭載高清攝像機(jī)獲取場(chǎng)區(qū)的多視角影像數(shù)據(jù)，再用Smart3D建模軟件建立研究區(qū)三維實(shí)景模型和裸眼三維測(cè)圖獲得地形要素和地表紋理信息，具有建模速度快、精度高、費(fèi)用低以及工期短等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合研究區(qū)的地質(zhì)條件，選擇合適的光伏電站位置，可以免去外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)勘察不良地質(zhì)區(qū)域的麻煩，極大提高生產(chǎn)效率，降低成本，最重要的是能夠達(dá)到光伏電站勘察設(shè)計(jì)精度的要求，在未來推動(dòng)光伏電站勘察設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)型和升級(jí)，提升光伏電站勘察的效率。

1 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 技術(shù)簡(jiǎn)介

傾斜攝影技術(shù)是測(cè)繪領(lǐng)域近年來新興的對(duì)地觀測(cè)技術(shù)。與傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量只從垂直角度拍攝地物不同，其利用無人機(jī)作為平臺(tái)搭載多角度攝像機(jī)，分別從一個(gè)垂直和多個(gè)傾斜角度拍攝同一地物的影像[3]，利用專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)傾斜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像密集匹配，快速生成地物表面三角網(wǎng)模型（Triangulated Irregular Network，TIN）[4]，實(shí)現(xiàn)三維實(shí)景模型構(gòu)建，進(jìn)而直接讀取地物的外觀、位置、高度等屬性信息[5-6]。以無人機(jī)為平臺(tái)的傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，能夠以大范圍、高精度、高清晰的方式，更加全面地感知復(fù)雜場(chǎng)景，大大降低了三維建模成本。通過采集多樣化、多角度的數(shù)據(jù)形式，將獲取的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化建模，同時(shí)對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行調(diào)整，將實(shí)景模型和傾斜攝影獲得的影像結(jié)合到一起獲取一體化的測(cè)圖環(huán)境，大大降低了野外調(diào)繪的工作量，保證了地形圖的測(cè)制質(zhì)量。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

無人機(jī)傾斜攝影主要由3個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成。

1.2.1 飛行平臺(tái)。低空航空攝影使用的航測(cè)無人機(jī)不受場(chǎng)地的限制，并且能在航攝過程中保持飛行的穩(wěn)定性。為了兼顧效率，本項(xiàng)目?jī)?yōu)先選用六旋翼無人機(jī)，搭載高性能傳感器，自動(dòng)化、智能化同步記錄拍攝時(shí)的位置和姿態(tài)等信息。

1.2.2 傳感器。傳感器由多鏡頭相機(jī)和GNSS定位裝置組成。為了建立三維實(shí)景模型，且保證拍攝對(duì)象立面影像信息的可用性，傾斜攝影獲取影像時(shí)通常以45°為優(yōu)，從5個(gè)方向獲取目標(biāo)地物的實(shí)景信息，包括1個(gè)垂直方向和4個(gè)側(cè)面方向[7-9]。

1.2.3 三維模型建立軟件處理系統(tǒng)。以Smart3D為代表的人機(jī)交互半自動(dòng)三維建模軟件，通過在獲得的目標(biāo)區(qū)域傾斜影像上進(jìn)行同名點(diǎn)提取、多視角匹配、三角網(wǎng)構(gòu)建以及紋理映射等操作步驟，實(shí)現(xiàn)把簡(jiǎn)單連續(xù)的傾斜攝影影像轉(zhuǎn)換成實(shí)景真三維模型，且不需要太多的人工干預(yù)，既保證了精度又提高了建模效率。

2 研究區(qū)自然地理概況

項(xiàng)目研究區(qū)位于我國(guó)西部山區(qū)，青藏高原東邊，隴西盆地西緣，主要由黃土山區(qū)和砂粒巖壑區(qū)組成，屬黃土丘陵溝壑區(qū)第四副區(qū)，地勢(shì)東北高、西南低，海拔懸殊，河谷縱橫，山川交錯(cuò)，地形復(fù)雜，交通條件極差，經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后。建立光伏電站，把光伏應(yīng)用和農(nóng)村資源有效結(jié)合，不僅可以解決當(dāng)?shù)鼐用竦挠秒婋y題，而且可以通過剩余電能源的輸出，幫助當(dāng)?shù)鼐用裰赂弧?/p>

3 光伏電站傾斜攝影測(cè)量技術(shù)流程

扶貧光伏電站不僅要測(cè)繪地形要素，還要獲取地表地質(zhì)信息。它的作業(yè)流程主要包括測(cè)區(qū)資料收集、布設(shè)像控點(diǎn)布設(shè)、航線布設(shè)、航飛任務(wù)實(shí)施、傾斜數(shù)據(jù)處理、要素信息提取等步驟，技術(shù)流程如圖1所示。

3.1 測(cè)區(qū)資料收集

本次需要建立扶貧光伏電站的地區(qū)是西部山區(qū)，地形復(fù)雜，研究難度大。光伏電站建立前，收集相關(guān)的測(cè)區(qū)資料至關(guān)重要。一方面需要收集光伏電站建立的相關(guān)信息，分析光伏電站建設(shè)的相關(guān)要求;另一方面，收集研究區(qū)已有的航攝資料、基礎(chǔ)控制點(diǎn)資料、各種地圖資料，包括相關(guān)地形圖、交通圖、水利圖、行政區(qū)劃圖、地名錄以及地質(zhì)圖等。

3.2 像控點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)航測(cè)區(qū)域的范圍和地形地貌，確定需要布設(shè)的像控點(diǎn)位置和數(shù)量，對(duì)航測(cè)數(shù)據(jù)后期處理的精度影響巨大。因此，選擇和布設(shè)像控點(diǎn)要盡量規(guī)范、嚴(yán)格、精確，布設(shè)結(jié)果如圖2所示。在飛行前，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行撒白灰作業(yè)[10]。地面標(biāo)記點(diǎn)選在地形平坦且顏色反差較大處，地面白灰標(biāo)記為15 cm的L形拐角。拐角要清晰，不能出現(xiàn)模糊或圓潤(rùn)的情況。做好地面標(biāo)記后，利用CORS接收機(jī)按照室內(nèi)規(guī)劃好的點(diǎn)號(hào)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集信息。如果現(xiàn)場(chǎng)地面標(biāo)記與室內(nèi)布點(diǎn)位置不符，應(yīng)做好現(xiàn)場(chǎng)記錄，以便內(nèi)業(yè)工作人員空三加密時(shí)對(duì)照刺點(diǎn)。電力線路標(biāo)高嚴(yán)重影響光伏電站組件布置設(shè)計(jì)，在布設(shè)像控點(diǎn)的同時(shí)，實(shí)測(cè)電力線路的準(zhǔn)確位置和高程等屬性信息。

3.3 航飛任務(wù)實(shí)施

實(shí)施無人機(jī)航飛前，制定詳細(xì)的飛行計(jì)劃必不可少。預(yù)估航飛過程中可能出現(xiàn)的緊急情況，制定航飛應(yīng)急預(yù)案。在確保飛行安全的前提下，可實(shí)施云下攝影，并保證在風(fēng)力小于5級(jí)的情況下飛行，設(shè)定航向重疊度80%、旁向重疊度70%，這樣就能得到穩(wěn)定、高清的地面傾斜攝影原始數(shù)碼影像和照片拍攝點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)與姿態(tài)信息，航線布設(shè)結(jié)果如圖3所示。

3.4 傾斜數(shù)據(jù)處理

傾斜數(shù)據(jù)處理主要包括原始影像預(yù)處理、POS數(shù)據(jù)解算、空三加密、密集匹配以及生成實(shí)景三維模型。利用傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)建立三維模型的詳細(xì)流程包括像控點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入、坐標(biāo)系匹配、像控點(diǎn)刺點(diǎn)、空中三角測(cè)量以及三維模型建立，如圖4所示。

其中，空三加密是傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理的核心，其精度直接影響三維實(shí)景模型的精度。圖5為無人機(jī)傾斜攝影相片經(jīng)過預(yù)處理、POS數(shù)據(jù)解算、空三加密流程后生成的測(cè)區(qū)高精度三維實(shí)景模型圖。

3.5 要素信息提取

地形要素的提取依賴模型的點(diǎn)位信息和紋理信息的質(zhì)量。傾斜攝影測(cè)量的重要成果還包括三維網(wǎng)格、數(shù)字正射影像、數(shù)字表面模型等。結(jié)合外業(yè)調(diào)繪成果和航飛前布設(shè)的像控點(diǎn)，在實(shí)景三維模型上標(biāo)注重要的地物和高程點(diǎn)，準(zhǔn)確高效地提取地形和地質(zhì)要素信息，繪制成1∶1 000比例尺的地形圖，如圖6所示。

3.6 幾何精度驗(yàn)證

為了保證光伏電站勘察的準(zhǔn)確定和可靠性，本項(xiàng)目共布設(shè)了15個(gè)像控點(diǎn)。場(chǎng)區(qū)地形圖繪制完成后，選擇20個(gè)點(diǎn)作為檢查點(diǎn)（GCD1～GCD20），按照《電力工程數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量規(guī)程》（DL/T 5138—2014）要求，檢查地形圖的地理精度、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、平面精度、高程精度、數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)完整性等內(nèi)容，其中對(duì)地物點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程值進(jìn)行精度檢查，如表1所示。

經(jīng)過計(jì)算，檢查點(diǎn)的平面中誤差為[Ms=±ΔX2+ΔY2/20][=±4.3]cm，高程中誤差為[Ms=±i=120ΔH2/20=±6.8] cm，測(cè)圖結(jié)果滿足《電力工程數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量規(guī)程》中（DL/T 5138—2014）1∶1 000比例測(cè)圖的精度要求，可以作為光伏電站位置確定的底圖數(shù)據(jù)。

3.7 光伏位置確定

西部山區(qū)的光伏電站一般都位于低中山區(qū)或山前黃土丘陵，根據(jù)繪制的場(chǎng)區(qū)地形圖，結(jié)合交通設(shè)施、管線設(shè)施、水系設(shè)施、地貌土質(zhì)、植被紋理、市政部件、覆蓋層厚度、落水洞以及不良地質(zhì)的發(fā)育區(qū)域等要素進(jìn)行光伏組件的位置設(shè)計(jì)。圖7為局部設(shè)計(jì)圖，提供給新能源工程設(shè)計(jì)單位作為光伏位置確定的參考。

4 結(jié)語(yǔ)

傾斜攝影技術(shù)改變了傳統(tǒng)只有正射投影的航空攝影測(cè)量模式，有利于解決工作人員難以抵達(dá)地區(qū)（如山地等）的測(cè)圖問題，從而降低了野外測(cè)量作業(yè)難度。利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取測(cè)區(qū)的多角度高分辨率影像，不僅能夠充分保證影像的時(shí)效性，而且高分辨率影像上的房屋、重要地物等清晰可見，再結(jié)合航飛前布設(shè)的一定數(shù)量像控點(diǎn)進(jìn)行空三加密處理，構(gòu)建高分辨率、高精度三維實(shí)景模型，用來測(cè)繪地形與地質(zhì)要素信息，滿足扶貧光伏電站三維設(shè)計(jì)的需要，提高了勘察設(shè)計(jì)的效率，有效縮短了工程周期，減少了外業(yè)工作的時(shí)間，達(dá)到了提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐澤友，鄧霞.光伏電站巖土工程勘察的探討[J].山西建筑，2017（7）：49-50.

[2]周志峰，安志宏，鄭少開，等.無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在自然資源督察中的探索與實(shí)踐[J].工程勘察，2021（3）：43-46.

[3]李曉斌，林志軍，楊璽，等.基于激光掃描和傾斜攝影技術(shù)的三維實(shí)景融合建模研究[J].激光雜志，2021（8）：166-170.

[4]黃騫，張玥，汪悅.基于傾斜攝影的實(shí)景三維公路地質(zhì)災(zāi)害識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)研究[J].公路，2018（1）：154-158.

[5]王光明，叢聯(lián)宇.無人機(jī)航空攝影測(cè)量在地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用[J].測(cè)繪與空間地理信息，2017（6）：220-221.

[6]賈曉笛.傾斜攝影技術(shù)大比例尺測(cè)圖的探析[J].安徽建筑，2019（10）：110-111.

[7]黃騫，代成，張金海，等.傾斜攝影技術(shù)在公路勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用初探[J].公路，2018（3）：170-174.

[8]任本偉，彭占山.無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在礦區(qū)地形測(cè)量中的應(yīng)用研究[J].測(cè)繪與空間地理信息，2021（4）：202-207.

[9]付國(guó)興.無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)的探索與應(yīng)用研究[J].林業(yè)科技情報(bào)，2020（3）：126-128.

[10]孫生海，張建，景欽剛.無人機(jī)低空航空攝影測(cè)量在變電站大比例尺地形圖的應(yīng)用[J].電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2020（2）：36-39.