無人機低空數字攝影測量技術在風電工程中的應用

毛 克，劉江龍，黃會珍，孫義君

(內蒙古電力勘測設計院，內蒙古 呼和浩特 010020)

1 概述

近年來，攝影測量和遙感技術的迅速發展和應用為電力工程勘測設計行業帶來了一場前所未有的技術革命，應用航空攝影測量技術進行電力工程的優化勘測設計呈現常態化的趨勢，但受航攝成本核算的影響，該技術的應用僅限于大型的發電和輸變電項目。風電項目因核準規模和上網政策的制約，建設規模一般為每期49.5MW，測繪場址面積也在100km2以下，這為風電應用數字攝影測量技術帶來了困難，另外若采用全野外數字化地形測繪，工期無法滿足進度要求，迫切需要一種低成本、高效率、靈活性強的技術實施風電測繪，基于DPGrid-LAT軟件平臺的無人機低空數字攝影測量技術的應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字攝影測量技術是集成無人機、攝影測量、遙測、通訊、3S以及慣性導航測量等前沿新技術為一體的空間信息獲取系統，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，已成功應用于遙感、物探、災害應急、土地監測、緝私等民用領域，在我國的電力工程領域處于研究探索和推廣階段。本文就我院無人機低空數字攝影測量技術在內蒙古中部某風電場的探索和應用進行闡述總結，對數據獲取和數據處理中影響產品質量的因素進行探究和分析。

2 項目生產工藝流程設計

應用無人機低空數字攝影測量技術進行風電測繪和風能優化勘測設計，主要分為航攝、外控、數據處理和優化勘測設計四部分。本文重點總結作業流程和數據處理，并分析數據精度和應用評價。在本項目技術設計時，航攝參考相應的低空攝影行業規范，數據處理執行相應數字攝影測量內業國家標準。

圖1 無人機低空數字攝影測量技術項目生產工藝流程圖

3 無人機低空數字攝影

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

本試驗無人機為“測量者一號”，該機型采用常規氣動布局，機長2.3m，翼展2.5m，續航時間約2h，搭載佳能全像幅單反數碼相機。在航攝前委托專業檢測機構對相機和鏡頭的內方位元素進行了檢測。現場采用滑跑起飛，滑降回收的模式，人工遙控爬升至設計高度即可自動轉為自主飛行模式，按照預設航線完成航攝。航線敷設按照1:2000成圖的比例尺進行，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，共完成低空數字影像456幅，航跡示意圖見圖2。

圖2 無人機低空數字攝影航跡示意圖

4 外控測量

外控測量為了確保風電場坐標基準的統一和精度，采用分級控制的方式。基礎控制測量采用D級GPS控制網，并完成與國家坐標的聯測；外控測量按照區域網要求布設，像控點航向基線數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，H為相對航高，b為基線長度，mq為視差量測單位權中誤差，n為航線方向相鄰平面控制點間隔基線數。在相機參數和項目航線敷設參數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條基線進行布設就足以滿足1:5000地形圖測量的精度要求，如上圖2紅色三角形符號標示為外控點，黑色界線為測圖范圍。

5 內業數據處理

無人機低空數字攝影測量系統搭載的非量測數碼相機，與專業可量測航空相機相比，具有畸變差大、像幅小、基線短的特點，若使用傳統攝影測量軟件難以進行數據處理。武漢大學引入了攝影測量領域的多項新理論研究成果、計算機網絡技術和集群處理等技術研制出國際領先水平的數字攝影測量系統DPGrid，該軟件系統將攝影測量自動化與人機交互完全分開，生產效率遠遠高于現有的數字攝影測量軟件系統；界面友好操作簡單，能實現快速自動化影像數據的處理和空間信息的獲取。DPGrid-LAT軟件(DPGrid低空版)系統實現了自動空三、自動DTM、自動DEM和DOM生產，改進的影像匹配算法適應飛行姿態穩定性較差和質量較差的無人機低空數字攝影測量影像，具有傳統攝影測量軟件不可比擬的優勢。

5.1 DPGrid-LAT軟件數據處理流程

基于DPGrid-LAT軟件無人機低空數字攝影測量與傳統數字攝影測量數據處理流程大體上類似，包括數據預處理、自動空三和3D產品生產三個階段；不同之處在于需要對原始影像進行畸變差糾正；像點編輯和網平差也與常用國內攝影測量軟件有所區別；另外DPGrid-LAT系統在空三后能全自動直接生產DEM和DOM，不需要人工過多的干預就能快速得到高分辨率DOM，圖3為試驗數據處理的流程。

5.2 無人機低空影像數據預處理

無人機低空影像數據預處理是航攝數據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、原始影像、POS數據后建立數據處理項目，其中關鍵之處在于影像畸變差糾正。無人機低空數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行空三作業，必然導致自由網平差不收斂。

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一，畸變差糾正時應統一換算單位，單位換算按照嚴格的數學模型進行，否則就會出現主點參數與橫向、徑向畸變參數(即P1P2K1K2)單位不統一，導致影像畸變改正錯誤。

圖3 DPGrid-LAT軟件數據處理流程圖

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項目建立時設置的參數有相機參數、控制點參數、POS參數和影像參數，應注意相機參數的設置與影像預處理的主點及畸變改正和旋轉角度是否一致，檢查無誤后開始影像預處理，執行翻轉、Willis變換、Harris變換、金字塔影像和快視圖處理。在影像預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軟件數據處理的核心內容，空三結果質量直接決定了最終產品的精度。自動空三的主要任務是自動匹配、自動挑點、自由網平差、像點編輯、像控點轉刺、區域網平差和空三成果輸出，其中像點編輯和網平差是空三數據處理中較為繁瑣和重要的一環。

DPGrid-LAT軟件采用了基于特征匹配的算法進行影像匹配，該算法能夠很好的適應重疊度和旋偏角過大的無人機低空數字攝影影像，與VirtuoZo AAT比較，DPGrid-LAT軟件能夠對本試驗數據進行密集匹配處理，另外，在匹配效率和速度上也遠遠優于同類航測軟件。

影像匹配完成后進行自動挑點，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，因此需要在標準點位附近至少保留2個像點。挑點后進行自由網平差，查看像點殘差報告的超限信息，對于超限像點進行編輯。網平差采用DPGrid.BA模塊，該模塊為輔助光束法區域網平差系統，不僅可以整體處理多源、多時相觀測數據，而且在平差模型中顧及系統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域網平差軟件相當。

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

像點網穩定且精度達到技術設計要求后進行像控點轉刺。轉刺要盡量準確，像控點的精度直接決定了空三解算外方位元素的質量。區域網平差與自由網平差類似，也是一個反復交替編輯的過程，通過平差結果逐步調整控制點中殘差較大或不穩定的點，直至殘差收斂至規范要求。剔除粗差時，由于控制點的轉刺也存在一定的“人為誤差”，在保證控制點位置準備無誤基礎上，為了減弱像控點對像點網產生較大的變形，與自由網平差類似，可逐步減小控制點的精度設置，逼出錯誤像點并予以調整，直至達到規范要求基本定向點限差的1/3～1/2時，平差結果才有比較高的可靠性和精度。若平差中出現確定無誤的像控點殘差過大，則說明像控點周圍像點網不穩定或附近像點有較大粗差，此時需要人工進一步干預，直至結果合格，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，導入VirtuoZo立體測圖軟件測圖，進行下一步的數據生產。

5.4 3D產品生產

采用DPGrid.OP模塊進行DEM和DOM快速生產具有極高的效率，可以全自動的完成DEM提取和編輯、DOM勻光、色調均衡和快速鑲嵌。自動化DEM生產主要步驟為測區像對密集匹配、挑出粗差和生成DSM，通過對自動化處理完成的DSM進行編輯就可以得到滿足風電場風能計算要求精度DEM模型。DPGrid.OP模塊可以全自動化完成快速DOM生產，由于該模塊使用了基于網絡的集群數據處理技術，將任務分配給網絡內部的其他計算機一同完成，提高了生產效率。

DLG產品的生產與傳統立體測圖無明顯差別，區別在于無人機低空數字攝影測量立體測圖像對面積較小，需要頻繁的切換像對進行采集。由于DPGrid-LAT軟件系統與VirtuoZo全數字攝影測量系統同為武漢大學遙感學院研制，空三加密成果與立體測圖之間可以實現無縫聯接，不需要重新對內業數據采集人員進行培訓。

6 風能優化設計

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

基于數字攝影測量設計模式和傳統模式相比，不僅實現了設計效率的提高，也避免了繁瑣外業微觀選址。應用DEM和DOM進行微觀選址可以更大程度上實現風機的優化設計，傳統模式在現場微觀選址時不能從宏觀上進行風機優化配置，而前者實現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 基于無人機低空數字攝影測量技術3D產品的風能優化設計流程圖

7 精度分析

基于DPGrid-LAT軟件平臺的無人機低空數字攝影測量技術進行風電測繪的精度影響因素主要有設備觀測誤差、人工量測誤差和氣象等外界因素影響產生的誤差；首先，由于無人機低空數字攝影系統在設計、制造和設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誤差；其次因人感官鑒別能力、技術水平和工作態度的差異而導致在像控測量、空三和數據采集時產生的人為誤差；再次由于天氣狀況對無人機姿態和成像質量的影響產生的誤差。由于篇幅限制，本文重點分析無人機低空數字攝影和內業數據處理的精度。

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數據處理平臺對大傾角旋角的影像有較好的適應性，但給空三收斂精度帶來較大的工作量和難度。如下姿態分布圖7所示，在3級風的情況下除測區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設計的要求。

圖7 無人機低空攝影瞬間翻滾角、俯仰角、偏航角分布圖

無人機攝影數據的獲取質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，獲取的POS數據無法進行空三聯合平差，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次因數碼相機的固定系統未適應高海拔紊流而導致像移過大，后期空三收斂精度較低，在后續項目的無人機上應安裝較為成熟的三軸云臺自穩系統，減弱紊流帶來的影響。

7.2 內業數據處理精度分析

基于DPGrid-LAT軟件平臺內業數據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，像控點外業選刺和轉刺一般在2個像素以內，除個別邊緣不清晰的達到3個像素。內業空三自由網平差的像點均方根誤差為0.00547mm，圖8為像點殘差統計圖，大多數像點殘差小于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，但滿足本項目技術設計要求。

圖8 自由網平差像點殘差分布圖

圖9 區域網平差基本定向點平面中誤差分布圖

圖10 區域網平差基本定向點高程中誤差分布圖

區域網平差計算結束后，按照技術設計要求基本定向點平面位置中誤差小于0.75m(規范要求為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，達到技術設計網平差精度要求。

為了驗證內業數據處理精度是否滿足風電勘測設計的要求，在立體測圖前采集了未參與網平差且均勻分布測區10個平面點和10個高程點坐標值，并進行了統計，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，經統計分析，高程誤差較大的點分布于圖14中區域網平差高程中誤差較大的四個山頭，經分析位于這些區域的像對存在像移和色調反差過大等問題，但數據處理結果依然滿足1:5000地形圖測量精度要求。

表1 外控檢測點精度統計

8 結語

應用基于DPGrid-LAT軟件平臺的無人機低空數字攝影測量技術實施風電場地形測繪和勘測設計具有重要的意義，通過具體試驗和實地檢測，本項目完全滿足技術設計的精度要求，若不考慮工期限制對項目中誤差較大的個別山頭進行控制點加密，數據處理精度可以達到1:2000地形圖的要求。但在生產過程中也遇到了一定的問題，首先該技術數據生產精度很大程度依賴航攝的質量，若影像數據質量較高，后期的數據處理效率和精度也相應的較高，相關單位在實驗中曾達到過1:500的精度，因此在作業過程中首先考慮改進航攝系統，其次可以通過效率和質量較高的CORS技術進行大密度像控測量，以提高空三精度。

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