無人機航空攝影測量技術在風能開發勘測方面的應用

孫朝陽，鄭彥春，徐秀云

(1.北京洛斯達數字遙感技術有限公司，北京 100120；2. 北京威特空間科技有限公司，北京 102628)

無人機航空攝影測量技術在風能開發勘測方面的應用

孫朝陽1，鄭彥春1，徐秀云2

(1.北京洛斯達數字遙感技術有限公司，北京 100120；2. 北京威特空間科技有限公司，北京 102628)

隨著我國經濟社會發展，資源與環境問題已成為我國經濟和社會發展所面臨的重要問題，對風能的大力開發可緩解這一矛盾。而無人機航攝技術是一種新的、高效的風能開發勘測技術手段。本文對無人機技術的特點及應用現狀做了簡單分析，以工程應用為實例，對無人機航攝數據處理的整個作業流程做了介紹，分析了DEM、DLG、DOM產品生產方法，運用外業實測數據檢測了DLG、DOM成果精度情況，并對其成果數據的應用形式做了簡單闡述。最后對無人機航攝技術在風電開發方面的勘測應用做了總結。

無人機 ；航空攝影測量；風電場 ；精度。

1 概述

能源是經濟和社會發展的重要基礎，目前我國能源消費以煤炭為主，由此造成的生態、環境問題十分突出。隨著我國經濟的快速發展和人民生活水平的不斷提高，對能源的需求還將不斷增加，資源與環境問題已成為我國經濟和社會發展所面臨的重要問題。而風能是可再生的清潔能源，開發風電是有效增加能源供給能力，緩解資源與環境矛盾，實現能源可持續發展、低碳經濟增長的重要舉措。

云南地處中國西部，海拔高，山區地形多，隨著海拔高度的增加風速增加較快，風能資源非常豐富。根據規劃，目前云南規劃的風能發電場達數十個。但這些地區普遍存在缺乏現成、較新的基礎地形圖資料，使得規劃設計工作受到一定影響。因此需要對這些場址區域進行勘測工作，得到較新的基礎地形圖數據。

如何獲取這些數據，一般來說可以通過實地外業工測的方式測繪地形圖，或者通過常規航空攝影測量，內外業結合的方式進行測繪地形圖。但這兩種方式工期都較長，難以滿足工程規劃設計需求。而無人機航空攝影測量技術是目前一種較新的測繪技術手段，可滿足快速獲取測區影像數據，生產DEM、DLG、DOM等產品的需求，為中小測區特別是風能利用風電場建設前期勘察設計提供了有效的航測遙感技術服務手段。

2 無人機航攝技術簡介

無人機航空攝影測量是以無人駕駛飛機作為空中平臺，以機載高分辨率CCD數碼相機、攝像機等獲取影像或視頻信息，用航空攝影測量工作站對圖像信息進行處理，并按照一定精度要求制作成地形圖、數字高程模型、正射影像圖等系列3D產品。是集成了高空拍攝、遙控、遙感、以及航空攝影測量的新型應用測繪技術。無人機系統結構簡單、機動靈活、使用成本低，不但能完成有人駕駛飛機執行的任務，更適用于有人飛機不宜執行的任務。

2.1 無人機航攝技術特點

無人機航攝系統是一種小型的、各種先進技術和設備高度集成的系統，與常規航攝系統相比，一般具有以下特點：

①無需專業機場起降；②執行任務方便快捷、高效，攜帶方便，易于轉場。③系統體積小但集成度高。無人機機翼、機身長一般2m～3m，系統集成了飛行平臺、全球導航衛星系統設備、飛行控制裝置、通訊系統以及數碼相機傳感器等，以及慣性導航測量裝置(IMU)，各種設備技術的發展和系統整體集成技術相對成熟。④天氣條件要求相對較低。⑤影像分辨率高、現勢性強。⑥系統維護相對簡單。⑦工程安全風險相對較低。

2.2 無人機攝影測量技術應用現狀

隨著計算機技術、自動控制技術、數字通訊技術、數碼相機技術、3S技術的發展，無人機航攝技術也得到了迅速發展，是航測遙感領域的有效補充。無人機航攝技術的成熟與民用領域需求的不斷擴大，使得該技術已滲入到民用領域的各個行業，無人機航攝系統可應用于國家基礎地圖測繪、數字城市建設、通信站點建設、國土資源調查、土地地籍管理、城市規劃、突發事件實時監測、災害預測與評估、城市交通、網線鋪設、數字農業、測繪、環境治理、生態保護、森林管理、礦產開發等領域，對國民經濟的發展具有十分重要的現實意義。

3 工程應用實例——云南省楚雄州某風電場規劃1:2000地形圖測繪

3.1 數據獲取

云南省楚雄州某風電場規劃工程測區地勢北低南高，海拔分布為1450m～2750m，平均海拔在2350m左右，地形高差大。

本測區航空攝影采用無人機搭載PHASE ONE P45+相機進行航拍，航攝時間2010年5月27日～30日，采用45.4073mm鏡頭航拍，其平均相對航高為900m，航飛比例尺為1:20000，成圖比例尺1:2000，共飛行6個架次。

3.2 數據情況

數據經過畸變糾正、格式轉換等預處理工作，共獲取有效航片1813張。像幅：7216像素×5412像素(49mm×36mm)，像元大小：6.8μm；平均地面分辨率為0.17m。影像色彩均勻、清晰，顏色飽和，無云影和劃痕，層次豐富，反差適中。

3.3 外業控制測量與調繪

本工程外業控制調繪前，先經過相對定向處理，利用提供的粗略POS數據，進行了空三加密，然后進行無縫鑲嵌，生成大幅面影像，進行沖洗，供外業控制測量和調繪使用。

3.4 基礎控制測量

本次控制測量采用靜態GPS觀測按照GPS E級精度要求施測，共收集7個已知點，埋設49個基礎控制點。

3.4.1 像片控制點布點方案

根據CH/Z 3004-2010規范附錄A公式計算精度預估，見表1。

表1 平面、高程精度預估值

參考CH/Z 3003-2010規范，成1:2000地形圖山地地形時的平面檢查點限差為2.5m，山地高程檢查點的限差為2.0m。因此按照平面2.5m、高程2.0m限差要求進行布點。結合本文表1數據，即平面控制航向間隔基線數不大于20條基線，高程控制航向間隔基線數不大于15條基線。

3.4.2 像片控制點測量

航向方向按照間隔不超過15條基線布設一對平高控制點，為提高高程精度，15條基線之間增測高程控制點。旁向方向按照2-4條基線進行布設。布點能有效控制住成圖范圍，測段接頭處無漏洞。選刺在像片航向及旁向重疊六片(五片)范圍內，并且相鄰各片都清楚。共測量平高像控點95個。

圖1 像控點布設示意圖

3.4.3 野外調繪

采用綜合判讀調繪法，也就是先室內判讀調繪、后野外檢核、調查和定性，最后室內清繪整飾的方法。利用制作正射影像圖(DOM)按1:2000比例尺進行打印，通過野外現場核實進行外業調繪定性，內業測繪定位。對像片上各種明顯的、依比例尺表示的地物，調繪只作性質、數量說明，其位置、形狀以內業立體模型為準。

調繪內容主要包括居民地及設施，交通信息、管線、地貌、植被及土質、地理名稱等。

3.5 空三加密及地形圖測繪

3.5.1 空三加密

空三加密采用德國INPHO全數字攝影測量工作站完成，空三加密經過影像輸入、內定向、自動生成連接點、控制點轉刺、區域網平差計算過程。

為了提高空三精度和提高作業效率，本項目按兩個加密區作作業。像點匹配精度為1.8um，收斂值接近1/4個像素。滿足規范要求，最后輸出空中三角測量成果。

3.5.2 地形圖測繪及修側

(1)立體模型下數據采集

由空三成果數據恢復立體模型，地物、地貌要素的采集按編碼分層進行采集，分類碼執行《1:500、1:1000、1:2000地形圖要素分類與代碼》。測區內居民地及獨立地物較少，主要是地貌部分的要素還有少量的道路及水系要素。

(2)圖形編輯

作業平臺比例尺設置、線型、符號庫正確后，將攝影測量工作站采集的圖形數據轉換成正確的CAD數據(*.dwg)；再通過地形圖轉換文件轉換成CASS格式，轉換完成后參照調繪片檢查地物遺漏；以上無誤后把調繪、外業補測內容上圖(包括：線路、注記、獨立地物、植被)并處理圖面關系、點線矛盾、及圖廓整飾。

(3)地形圖修側

將外業測量的實測檢查點導入立體平臺，進行數據平面高程精度檢查，發現精度不滿足要求的地方，利用外業數據對內業數據進行修側。被利用修側的外業點數據不再作為檢查點進行圖形檢查。

圖2 無人機航測數據正射影像圖、正射影像疊加地形圖、地形圖

3.5.3 DEM、DOM產品生產

由于是利用立體采集數據生成的格網間距為5.0m×5.0m的DEM，精度取決于地形圖精度，而且沒有再次接邊的工作。但是由于是內插生成的DEM，精度會降低一些。

DOM是根據單張航片的內外方位元素和數字高程模型DEM，采用微分糾正軟件對各個模型的數字化航空像片進行影像重采樣，糾正影像因地面起伏、飛機傾斜等因素引起的失真，把中心投影轉換為垂直投影，從而得到單張像片的正射影像。單片正射影像經調色、勻光、鑲嵌、裁切、檢查編輯等步驟，生成標準分幅的正射影像圖。

3.6 精度檢查

3.6.1 地形圖精度檢查

抽查10個圖幅(50cm×50cm)，利用外業實測的120個平面檢測點，652個高程檢測點，在立體平臺下進行觀測，求得其較差，經計算，具體差值分布見表2和圖3、圖4。

圖3 平面檢查點誤差分布圖(0.1m間距)

圖4 高程檢查點誤差分布圖

3.6.2 DOM精度檢查情況

DOM精度檢查情況見表3。從表3中的數據可以看出DOM精度較好，滿足規范要求。

表3 DOM精度檢查統計

4 無人機航攝數據用于風電場規劃設計應用分析

利用無人機航攝相關數據產品，進行了楚雄某風電場建設規劃選址，綜合考慮風能資源、聯網條件、地形地貌和交通運輸等條件，確定每臺風機的位置，以獲得風電場最大的年發電量和最佳經濟效益，實現風電場的最優選址，從而達到合理建設風電場、有效利用風能的目的。利用其成果數據的主要應用方面有：

①風電場風機排布及其容量計算；②通過解譯等技術，進行風電場土地利用類型和地表粗糙度的確定；③風電場區地物分類和高度平臺及面積統計研究；④風電場區坡度分析；風電場區坡向分析；⑤風電場區剖面分析；⑥居民地緩沖區分析和河流匯水線分析；⑦進場道路的運輸分析；⑧不同排布方式下的尾流系數的GIS分析等等。見圖5。

圖5 無人機航攝成果的應用

5 總結

利用無人機機動、快速航攝等特點，成功完成了海拔高、風速大等條件下的無人機航空攝影。使用無人機獲取的高分辨率影像，通過布設一定的像控點，再進行空三加密處理，在航測數字測圖系統中進行地形圖測繪，并結合外業調繪數據、外業檢測點數據進行地形圖修測，高效提供了DLG、DEM、DOM等豐富的數據產品，精度滿足規范要求。無人機航攝技術在風電場規劃、勘測設計等應用方面可以提高工作效率，促進勘測技術水平的創新，有效縮短工程周期，減小外業勞動強度。該技術的成功應用豐富了新能源開發勘測技術手段，有助于推動我國新能源的開發利用。但是無人機攝影測量技術在應用上還存在一些問題，由于像幅小，造成野外像片控制測量、空三加密、立體采集等工作量數倍增加，需要進一步研究。

[1] 李兵，等.無人機攝影測量技術的探索與應用研究[J].北京測繪，2008，(1).

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[6] CH/Z 3004-2010，低空數字航空攝影測量外業規范[S]. 測繪出版社.2010.

Application of Unmanned Aerial Vehicle Photogrammetric Technique to Wind Power Development and Survey

SUN Chao-yang, ZHENG Yan-chun, XU Xiu-yun
(1. Beijing Northt-Star Digital Remote Sensing Technology Co. Ltd., Beijing 100120, China; 2. Beijing Vit-Space Technology INC., Beijing 102628, China)

With the economic and social development, resources and environmental issues have become China’s most important issues in economic and social development, and development of the wind power can alleviate this contradiction. Unmanned Aerial Vehicle Photogrammetric Technique is a new and highly eff cient method in the Wind Power Development and Survey. Based on the engineering application, this paper simply analyses the characters and application of UAV technology, and introduces the entire workf ow of processing UAV data, analyses the method of producing DEM, DLG and DOM, detects the accuracy of DLG and DOM using the survey data, and expatiates the application form of the results. Finally, summarizes The Application of Unmanned Aerial Vehicle Photogrammetric Technique in the Wind Power Development and Survey.

UAV; aerial photography surveying; wind farm.

P2

B

1671-9913(2011)05-0024-06

2011-07-21

孫朝陽(1980- )，男，湖北漢川人，工程師。