基于無人機影像的INPHO航測系統在風電工程中的應用

楊雪雯

摘 要：隨著我國風電項目建設進度的加快，基于傳統的電力勘測設計模式已不能滿足目前風電發展要求。無人機航空攝影技術是現階段非常前沿的技術，其高機動性、高度集成和低成本等特點使其在各個領域的勘測設計中有著成熟的應用。INPHO航測系統高精度、高效率、高度自動化的特點使其在4D產品的生產制作中有極大的優勢，大大提高了內業生產的效率以及產品成果的質量。該文以福建某一風電工程為例，對基于無人機影像的INPHO航測系統空三加密的流程進行介紹，并對其在微觀選址、道路路徑設計等方面勘測應用的技術優勢進行總結。

關鍵詞：無人機 航測 INPHO 風電場

中圖分類號：P23 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（b）-0080-02

風電以其可再生和清潔等特點，已經引起國家的重視，風電場已在電力行業中占有一席之地。近年來，隨著無人機技術的不斷發展，以及航空攝影測量技術在勘測領域的不斷深入，基于無人機的航空攝影測量技術目前已被廣泛應用于電力行業中。

福建省地處中國東南沿海，有著“依山傍海”的地理特點，九成陸地面積為山地丘陵地帶，臺灣海峽“狹管效應”賦予了福建得天獨厚的風力發電條件。但也正因為這些地理特點，對風電場的勘測工作帶來一定的難度。

基于無人機影像在INPHO平臺上的攝影測量技術是目前一種較新的測繪科技手段，以其快速獲取測區影像數據及其處理的特點，對中小測區尤其風電場建設前期勘察設計具有明顯的優勢和重要意義。

1 無人機航攝技術簡介

無人機航攝系統是一種小型、先進技術與設備高度集成的系統，與常規航攝系統相比具有以下特點：（1）執行任務快捷、高效、輕便。（2）無需機場起降。（3）高度集成了飛行平臺、GPS導航系統、飛機控制裝置、通訊裝置和數碼傳感器及慣性導航測量裝置（IMU）。（4）較低的天氣條件要求。（5）維護簡單便捷。（6）工程安全風險較低。

2 INPHO系統介紹

INPHO系統是國際著名的專業數字攝影測量系統，由斯圖加特大學阿克曼教授創建于德國，1980—1990年提供空三和地形建模產品，1990—2000年成為數字攝影測量的組件供應商，提供地形自動化提取和自動化三角測量的產品。其中包括MATCH-AT——空三加密、Match-T DSM——自動且精確提取DTM/DSM，OrthoMaster——影像正射糾正，Ortho Vista——自動高效的影像鑲嵌勻色等模塊等。與其他攝影測量系統比較，有很多獨到之處，其連接點匹配算法是基于特征級和最小二乘匹配相結合的多級影像金字塔匹配算法，其高精度、高效率的匹配特征能夠保證每張像片超過100個匹配的連接點，自動匹配有效連接點的功能強大，即使在沙漠森林等紋理比較弱的區域也可以很好地進行匹配，有效提高數字攝影、測量、制圖的質量、速度，對數字影像糾正、拼接、數據處理也有良好的效果，大大減少了人工參與度，提高工作效率。

3 工作流程

3.1 數據準備

生產數字正射影像圖之前，需要進行以下數據測量工作：通過無人機獲取測量區域航片影像；通過布設一定密度的像控點來調整成圖精度，在野外選取像控點時需要選擇地理環境特別區，測量實際三維坐標，幫助空中三角進行平差解算，像片主距、像點坐標、框標坐標。

3.2 空三加密及區域網平差

在INPHO系統中進行空三加密：在系統中開始進行新建工程（相機文件設置；影像引入；GPS/IMU數據引入；像控點引入；設置航線等）。使用自動空三時，建立相鄰航片之間的連接結構，并且整合所有獨立航片，創造成穩定的網狀連接狀態。使用外業控制數據。通過數字模型自動匹配模塊，使用高效影像匹配法，提取像對中相鄰的同名像點，自動獲取像對中存在的數字模型與高程模型，為正射影像圖提供糾正數據。

進入Match-AT模塊，選擇Postprocessing（adjustment only）進行區域網平差，根據區域網平差后各控制點的殘差值進行點位微調、刪除殘差較大的點，并通過人機交互式編輯方式使其控制點位盡量準確，直至各控制點的殘差值滿足測圖精度要求。

3.3 影像糾正

數字正射影像圖糾正是通過對工程項目導入相機數據、影像數據、區域高程模型等資料，對單張航片正射糾正，最終獲得單位航片區域正射影像圖。軟件的特點是采取通用空三處理結果與DEM數據，并且對航片之間的重疊度與糾正結果進行實時檢測。航拍需要一定重疊度來獲取航片，根據不同光照角度、光線強度以及曝光條件，使糾正后的影像在色彩上達到統一，并且確定自然分幅圖可以無縫連接，對后期影像拼接進行緩沖，保證影像具備均光功能。數字正射影像需要拼接工程文件，引入單片正射影像，加強拼接線，選擇影像較好的部分，最終裁切為符合使用要求的正射影像圖。

4 工程應用實例

4.1 數據獲取

該實驗風電場位于福建省某一山區內，其地勢西北高，東南低，呈層狀傾斜，以丘陵臺地為主。最高山峰主峰海拔約789 m。地表多為矮小但通行困難的灌木，局部地表為較茂密林地。溪河短淺，多獨流入海。場區共有擬建風機23臺，分為5個片區。由于距離海岸線相對較近，加上海拔高度較高，風速相對較大，風能資源豐富集中。較有利于利用航測法測制1∶2 000地形圖。

此次航攝設計相對飛行高度為700 m，航向設計重疊度為60%～75%，最旁向重疊度為30%～55%，采用Nikon D800相機作為航攝儀，相機焦距為36.170 67 mm。

4.2 數據情況

數據經過畸變糾正、格式轉換等預處理工作，像幅大小為7 360×4 912像素，像元大小4.88 μm；平均地面分辨率為0.10 m，影像色彩均勻、清晰、顏色飽和，部分影像含有少量云影，但符合相關規范的要求。

4.3 控制測量與調繪

根據飛行形狀結合實地情況，預計在各擬建風機位中心、進場道路附近以及測區外側共布平高像控點80個（考慮到測區植被多為樹林、草地、灌木等，大部分區域無適合作為外業控制點的明顯地物點，不能用傳統的方法布測外業像控點，因此該次以人工的方式，在航飛前對各航帶鋪設“地物點”標志，主要以紅色油漆、麻袋等組成，標志為1.5 m×1.5 m的正方形，外部以淺灰色填充，中心十字標志尺寸為1 m×1 m，寬度為0.1 cm，顏色為白色，實地布點時要選擇在視野開闊，周圍無水域等可能引起影像曝光過度的位置，不能在弧形地物及高程變化較大的斜坡處布設像控點）。

對野外現場進行外業調繪：對像片上各種明顯地物作性質、數量說明，具體調繪內容包括居民地、道路、管線、地貌、水系等。

4.4 空三加密及數字線畫圖生產

采用INPHO中進行空三加密，即經過影像輸入、內定向、自動生成連接點、控制點轉刺、區域網平差等計算過程。區域網平面位置中誤差為0.3 m，高程中誤差為0.26 m。

數字高程模型（DEM）利用外業控制點以及空三加密成果自動生成。

由自動空三成果數據恢復立體模型，將地物、地貌要素的采集根據《1∶500、1∶1 000、1∶2 000地形圖要素分類與代碼》進行人機交互式采集。因測區位于山區，其范圍內居民地及其獨立地物相對較少，地物主要為地貌、道路及少量水系。

正射影像圖DOM是根據單張航片的內外方位元素和數字高程模型DEM，通過OrthoMaster模塊進行正射影像處理即通過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從而得到單張像片的正射影像，再通過OrthoVista模塊對圖像進行拼接處理，最終生成標準的正射影像圖。

4.5 立體模型檢查精度

將空三加密成果（外方位元素文件）導入海拉瓦攝影測量立體平臺中進行精度檢查。主要通過以下兩種方式，一種是檢查控制點在單模型中的精度和在不同模型中的精度差異，一種是檢查野外實測的檢查點與模型的精度差異。通過檢查發現，控制點在單個立體模型中貼合較好，平面和高程誤差較小，且同一個控制點在不同立體模型中均貼合較好，模型差較小；同時，采集的野外檢查點在平面及高程上跟模型差別較小，符合實際工程情況要求。

5 該項目設計應用分析

利用基于無人機影像在INPHO平臺上的攝影測量技術，對福建某風電場進行了前期勘測及規劃選址工作，綜合考慮了風能資源、地形地貌以及交通運輸等條件，確定了每臺風機的位置，以獲得風電場最優的發電量及經濟效益。其成果數據主要應用于：（1）風電場風機位排布及其容量計算；（2）風電場區域內地物分類及面積統計研究；（3）風電場區坡度分析；（4）居民地緩沖區分析和河流匯水線分析；（5）進場道路的運輸分析。

6 結語

福建地屬沿海，風能資源豐富，但由于福建省特殊的地理環境，海拔高、植被茂密、道路交通條件差等情況，采用人工野外實測地形點成本高、耗時長，不能滿足風電工程預可研階段對地形資料的快速獲取要求。利用無人機機動靈活、快速航攝等特點，在風速大、海拔高的情況下正確獲取測區范圍內的高分辨率影像，通過布設一定數量的像控點，結合高精度、高效率的INPHO數字攝影測量軟件進行空三加密，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內業地形圖修測，高效提供了DLG等數據產品，精度滿足工程需求。

無人機攝影測量技術在風電場的規劃、設計選址等方面有著實質性的幫助：工作效率的提高、工程周期的縮短、外業工作量的減少等等，對我國新能源的開發利用、勘測技術手段的不斷提升也有著很大的推動作用。然而，無人機航測技術也存在一些不足：影像數據旋偏角受氣候影響不夠穩定、影像數據量龐大、外控點較多等。因此，在無人機自身專業技術的提升以及針對具體項目的變通處理上都有著較大空間的深化研究空間。

參考文獻

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