無人機低空攝影測量在云南高原山區風電場地形測量中的應用

摘 要：文章通過對云南高原山區風電場地形圖測繪實例，總結了利用無人機低空攝影測量制作1/2000比例尺地形圖的作業流程，探討了影響無人機低空攝影測量精度的因素和解決方法。

關鍵詞：無人機低空攝影測量；高原山區；風電場；地形圖測量；應用

引言

云南風電場工程大多位于高山峻嶺之上，山高坡陡、地形復雜多變，平均海拔均在2000米以上，地形高差變化最大達1000米。采用全野外測圖不僅勞動強度大、效率低，而且測量精度也難以顯著提高。隨著無人機低空攝影測量技術的發展和應用，使用該技術完成云南高原山區風電場地形圖測量工作是必然選擇。

與傳統的航空攝影測量比較，無人機低空攝影測量具有以下幾個特點：（1）低空飛行，空域申請便利；（2）云下飛行，降低了對天氣條件的要求；（3）平臺構建、維護以及作業成本低；（4）飛行高度低，能獲取大比例尺精度影像；（5）影像重疊度高，增強了后續處理的可靠性。

無人機低空攝影測量系統主要由固定翼無人機、 CCD數碼相機、自駕儀、相機穩定平臺和地面站等硬件構成。

1 作業流程

無人機低空攝影測量技術在地形圖測量過程中，主要分為六個步驟：（1）獲取影像；（2）像控與調繪；（3）空三加密；（4）內業測圖；（5）外業檢查；（6）數據處理與圖幅整飾。

1.1 影像獲取

獲取高質量航攝影像是地形圖測量的前提條件，其基本步驟如圖1所示。

1.1.1 航帶設計

以云南某風電場1：2000地形測量為例，測量面積約70平方千米，采用中測新圖ZC-1固定翼輕型無人機航攝系統，航攝相機為Canon EOS 5D Mark II，像幅大小為5616*3744 pix，相機焦距為35毫米，像元大小6.41？滋m。

（1）本次航飛共布設四個架次，飛行航片約3450張。最高點高程2610米，最低點高程1875米，平均地面高度為2340米，飛行高度3050米，其相對航高為440～1175米。影像地面分辨率（GSD）在0.08米-0.21米之間。

（2）四個架次航向間距約為100米，旁向間距約為80米，一架次共14條航帶，每條航帶約48條基線到80條基線左右；二架次共11條航帶，每條行帶約95條基線左右；三架次共14條航帶，每條航帶約約67條基線到80條基線左右；四架次共6條航帶，每條航帶約70條基線左右。

（3）影像質量：像片傾斜角大部分小于4°，所有相片旋偏角小于7°，航線彎曲度小于3%，同航線高差小于30米，實際與設計航向小于30米。像片位移誤差小于30米。影像清晰，層次豐富，反差適中，色調柔和，有薄薄的云影，無大面積反光，能夠建立清晰的模型。

1.1.2 像控點布設

根據《低空數字航空攝影測量外業規范》（CH/Z 3004-2010）要求，航向方向按照10-15條基線，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。像控點選刺在像片航向及旁向重疊六片（五片）范圍內。本次攝影面積約70平方千米，共布設了111個像控點。

1.1.3 空三加密

無人機低空攝影測量與傳統的攝影測量相比，存在攝影平臺穩定性較差，采用的非量測相機像幅小，像片數量多，鏡頭畸變等不利因素，傳統的攝影測量處理軟件很難處理無人機影像。目前涉及低空攝影測量比較成熟的軟件有武漢大學遙感院研制開發的DPGrid，超圖股份有限公司研發的INPHO。在本風電場項目中采用了INPHO進行控三加密，并用MatchAT光束法平差軟件進行空三計算。

量測外控點時，先量測測區四周6個像控點，進行平差；其它像控點就可以通過預測的功能來找到大概位置，達到快速量測的目的。測區基本平面和高程控制點亦參與計算，以提升空三加密的整體精度。

本項目共分為三個空三加密區域：飛行一架次為加密一區、飛行二架次為加密二區、飛行三、四架次為加密三區。其最終空三加密點對附近野外控制點的精度為Mxy=0.179米，Mz=0.739米；滿足于高山地區1：2000地形圖成圖精度要求。

1.2 內業成圖

空三加密完成后進行1：2000比例尺地形圖測繪工作，量取地物點平面和高程信息等。

1.3精度檢查

為檢驗無人機低空攝影測量在高原山區地形圖測量精度情況，我們對該風電場1：2000地形圖進行了外業檢查。檢查采用RTK實測地形點和地物點的平面和高程，共測量地形點1843個，地物點267個，其平面最大較差為0.34米，高程最大較差為1.73米；平面最小較差0.007米，高程最小較差0.022米；地物點平面中誤差為±0.40米，等高線高程中誤差為±0.61米，滿足于高山地區地形圖測量精度要求。

2 影響精度因素分析

2.1 天氣因素

采用固定翼無人機進行航空攝影，與傳統的測繪航空攝影相同，在條件許可的情況下，盡可能選擇晴朗、能見度高的天氣進行航空攝影，這樣能夠獲得色彩、地面信息豐富的影像，同時，能見度好的天氣，地面霧霾影響較小，影像曝光時光線的折射、散射現象較少，可以大幅度提高成圖的精度。

2.2 加密因素

固定翼無人機航空攝影獲取的航空影像幅面較小，采用原有的空三軟件進行平差解算，在多個測區處理過程中，均會發生不同程度的錯誤，加密測區的選構尤為重要，目前使用較多的PATB平差軟件，對此類小幅面數碼影像的剔錯能力遠遠小于23*23幅面，這往往表現在高程方面。

2.3 飛行姿態

固定翼無人機作為飛行平臺，體積和重量遠小于常規的大型運輸機，在執行航空攝影任務時，容易受氣流變化和風力的影響，由于采用了二維姿態穩定平臺，在小范圍短時間內，受風力和風向的變化影響不大，容易通過姿態穩定平臺的糾正獲得理想的姿態角度，但是氣流的突變往往造成穩定平臺的糾正不及時，曝光獲取的影像姿態角度較大，往往在突變瞬間曝光的影像還會出現重影，不能滿足成圖的需要，同時，由于姿態的影響，相片傾角將造成模型高程面進行扭曲，其扭曲的結果為一二次拋物面的扭曲，其大小與模型左右片傾角有關。

3 結束語

（1）通過對該風電場1：2000地形圖測量和精度檢查，說明利用固定翼無人機作為飛行平臺以及利用經過可量測化處理后的CCD工業數碼相機獲取測區航空影像，進行云南高原山區1：2000比例尺地形圖測量是切實可行的，并具有經濟、高效等特點。

（2）進行固定翼無人機機載GPS的研究，在此基礎上采用構架航線實現機載GPS獲取每張航片外方位元素的三個線元素，大大減少地面相片控制點的數量，更進一步提高該系統的作業效率。

（3）進行CCD芯片數碼影像在航向上的像移補償研究，采用TDI（時間延遲積分）技術，降低對相機快門速度的要求，獲取較大光通量的同時獲取無航向像移的航空影像，對于提高無人機低空航空攝影高程精度有著積極的意義。

參考文獻

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