免像控無人機航測技術在風電場選址中的應用及精度評價

蔡龍洲

（福州市勘測院，福建 福州350000）

近年來無人機已經在測繪行業廣泛應用，但是仍然存在著較多的不足，如影像相幅小、影像畸變差大、姿態不穩定、重疊度不規則等。 在較大范圍地形圖測量中，使用傳統解析法測量、傳統航空攝影測量有困難的情況下優先采用無人機航測，但作業過程中，由于相幅小，所需的像控點較多，且施測存在著諸多困難，因此免像控無人機航測技術應運而生。應用免像控無人機航測技術，能夠在有效降低勘測成本的同時，保證勘測工作的高效率、高精度，因此加強免像控無人機航測技術在常規測量困難區域的應用顯得十分必要。 以天狼星無人機為代表的免像控無人機航測系統已經成功應用，并逐步被測繪工作者認可［1］。 根據數據需求方要求，本次項目測量1 ∶1000 比例尺地形圖及DOM 等工作。

1 免像控航測系統

1.1 無人機系統

無人機航測系統是一系列軟硬件組成的一套測量工具，具有集成化、高度融合等特點，系統可簡單分為硬件設備、軟件系統組成。

（1）硬件設備主要包括無人機飛行平臺、飛行控制系統、數據傳輸系統、地面控制系統、數據采集傳感器、設備穩定系統、POS 數據采集系統、數據處理服務系統等。

（2）軟件系統主要包括無人機飛行控制管理系統、飛行數據檢查系統、數據預處理系統、影像處理系統、數據提取分析系統、數據管理與檢索系統等。

1.2 免像控原理

免像控無人機航測系統其實是一種新型的軟硬件高度集成化的產物，集成高精度RTK 和慣導測量單元（IMU）采集無人機作業時準確的位置與姿態信息，為后續數據處理提供可靠的起算數據，有效提高了地面像點的解算精度，達到免于測量像控點的目的。 該系統主要有以下優點：

（1）免于像控點測量。 免于野外像控測量降低了測量成本、縮短了工期，其成果精度不受像控點精度影響。

（2）數據處理自動化程度較高。 無像控航測數據處理工作在空三過程中無需添加控制點，可實現更加自動化的數據處理。

2 工程項目案例

2.1 項目簡介

福清市位于東南沿海，常年盛行東南風，擁有豐富的可利用風能資源。 某風電公司擬建裝機容量約為20 MW，面積約13 km2區域，經初步現場勘查該項目擬建設位于西北大帽山區域，區域范圍內海拔約10～250 m，海拔落差約240 m，平均海拔約120 m。 為了精確選定風電場廠址、規劃交通路線、設計選址、裝機等工作，急需該區域高精度地形圖。 本文以該風電場的地形測繪為例，采用免像控無人機航測技術，使用拓撲康天狼星航測系統進行施測。 在確保精度符合相關規范要求的情況下，有效縮短了工期，圓滿完成了工作任務。

2.2 外業航測工作

2.2.1 天狼星無人機

天狼星免像控系統集成度非常高，軟硬件配備完善［3］。 拓撲康天狼星是一種手拋式固定翼無人機，其翼展達到1.63 m，最大飛行高度達2 600 m，具有自動導航POS 輔助等重要配件。

天狼星免像控無人機搭載的相機為松下GX-1，相機焦距14 mm；1 600 萬像素；相機快門速度在在動態模式 下分 別 為1 ／ 30 ～1 ／ 6000 s、1 ／ 25 ～1 ／ 6000 s；閃光同步速度為1 ／ 160 s。 該相機為非量測相機，經定標測量使用畸變糾正模型［2］可進行糾正畸變影像，經畸變校正的影像可投入航測生產，滿足測量相關要求。

2.2.2 航飛實施

本測區形狀不夠規則，測區呈梯形且西北東南走向，測區范圍內平均海拔約120 m，根據已有的基本情況劃分1 個航攝分區，有效航攝面積15 km2。具體航線規劃見圖1。

圖1 航線設計示意圖

航線設計：航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%，航攝影像地面分辨率為8 cm。

航攝工作選擇晴好天氣，避開早晚及中午陽光暴曬時段。 共拍攝像片6 915 張，影像清晰、反差適中、色調柔和、 色彩平衡，符合航測成圖及數據處理要求。

因本次項目采用免像控的無人機航測模式，現場無需布設像控點工作，節省了開支并縮短了工期，工藝流程也較為簡單。 本次航測施測采用天狼星無人機，其自身攜帶了GNSS RTK 設備，且采用福州市CORSS 站信號獲取基站服務，野外工作也無需架設基準站。

2.3 數據處理與成果

當前，市面上的航空影像數據空三處理軟件多種多樣，各有各的優缺點。 針對本次項目，因采用天狼星免像控無人機航測系統，考慮軟件與硬件的適配性，采用了天狼星自帶軟件MAVinci Desktop 對航測像片進行畸變糾正、勻光勻色等預處理工作。 再通過Agisoft Photoscan 軟件對影像匹配數據進行后處理。 根據像片、POS 數據和福州CORSS 基準站的坐標數據，依據光束法區域網平差計算出所有影像的準確位置、姿態數據等外方位元素，從而形成空三加密成果。 采用清華山緯EPS 等軟件進行內業作業形成航測內業草圖，再根據航測內業草圖進行外業調繪后根據調繪手稿編輯形成地形圖正式成果。

根據空三成果進而建立密集點云生成格網和紋理， 經點云去噪等深度處理后獲得高分辨率的DOM，成果示意參見圖2。 其中，在處理DOM 數據處理階段，要特別注意積極利用原始影像進行增補，以獲得感官更高的DOM。 根據選址及設計的要求，我們形成了一套完整的4D 產品，其中地形圖耗費比較大的精力去完成，包含了內外業的反復交替工作，成果在規定的工期內順利完成。 地形圖疊加DLG 成果如圖3。

圖2 DOM 局部成果圖

圖3 DOM 疊加DLG 全圖

2.4 精度評價

為了客觀評價成果精度，保證數據成果的可靠性，采用RTK 移動站外業實測采集明顯地物點。 主要采集位置為房屋角點、道路相交點等在實地、影像中都能明顯辨別的位置。 采用固定解模式下采集，外業共采集65 處檢查點，經與內業采集坐標進行比對，在不考慮設備等誤差因素的影響下，通過計算得到平面中誤差和高程中誤差，精度比對分析結果見表1。

從表1 我們可以看出，平面坐標較差最大點位JC47 點、高程坐標較差最大點位為J32，經根據規范標準《基礎地理信息數字成果1 ∶500 1 ∶1000 1 ∶2000數字線劃圖》，1 ∶1000 比例尺地形圖成果平面位置中誤差和高程中誤差最高限差分別為0.6 和0.7。從精度檢測結果可以看出，成果的平面中誤差為0.277 m，高程中誤差為0.262 m，成果精度范圍符合規范限差要求。

表1 大帽山風電場地形圖精度檢查記錄表

3 結束語

綜上所述，本項目采用免像控無人機航測系統施測，其成果精度完全符合相關質量要求。 采用無人機航測方式進行測量作業正逐漸取代傳統野外解析測量，并有效地獲得了傳統航測無法企及的小范圍航測差異化市場。