孫朝陽，鄭彥春，徐秀云

(1.北京洛斯達數(shù)字遙感技術(shù)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(shù)在風能開發(fā)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(shù)字遙感技術(shù)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(jīng)濟社會發(fā)展，資源與環(huán)境問題已成為我國經(jīng)濟和社會發(fā)展所面臨的重要問題，對風能的大力開發(fā)可緩解這一矛盾。而無人機航攝技術(shù)是一種新的、高效的風能開發(fā)勘測技術(shù)手段。本文對無人機技術(shù)的特點及應用現(xiàn)狀做了簡單分析，以工程應用為實例，對無人機航攝數(shù)據(jù)處理的整個作業(yè)流程做了介紹，分析了DEM、DLG、DOM產(chǎn)品生產(chǎn)方法，運用外業(yè)實測數(shù)據(jù)檢測了DLG、DOM成果精度情況，并對其成果數(shù)據(jù)的應用形式做了簡單闡述。最后對無人機航攝技術(shù)在風電開發(fā)方面的勘測應用做了總結(jié)。

無人機 ；航空攝影測量；風電場 ；精度。

1 概述

能源是經(jīng)濟和社會發(fā)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(tài)、環(huán)境問題十分突出。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)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(huán)境問題已成為我國經(jīng)濟和社會發(fā)展所面臨的重要問題。而風能是可再生的清潔能源，開發(fā)風電是有效增加能源供給能力，緩解資源與環(huán)境矛盾，實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展、低碳經(jīng)濟增長的重要舉措。

云南地處中國西部，海拔高，山區(qū)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(jù)規(guī)劃，目前云南規(guī)劃的風能發(fā)電場達數(shù)十個。但這些地區(qū)普遍存在缺乏現(xiàn)成、較新的基礎地形圖資料，使得規(guī)劃設計工作受到一定影響。因此需要對這些場址區(qū)域進行勘測工作，得到較新的基礎地形圖數(shù)據(jù)。

如何獲取這些數(shù)據(jù)，一般來說可以通過實地外業(yè)工測的方式測繪地形圖，或者通過常規(guī)航空攝影測量，內(nèi)外業(yè)結(jié)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(guī)劃設計需求。而無人機航空攝影測量技術(shù)是目前一種較新的測繪技術(shù)手段，可滿足快速獲取測區(qū)影像數(shù)據(jù)，生產(chǎn)DEM、DLG、DOM等產(chǎn)品的需求，為中小測區(qū)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(shù)服務手段。

2 無人機航攝技術(shù)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(shù)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(shù)字高程模型、正射影像圖等系列3D產(chǎn)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(shù)。無人機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、機動靈活、使用成本低，不但能完成有人駕駛飛機執(zhí)行的任務，更適用于有人飛機不宜執(zhí)行的任務。

2.1 無人機航攝技術(shù)特點

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

①無需專業(yè)機場起降；②執(zhí)行任務方便快捷、高效，攜帶方便，易于轉(zhuǎn)場。③系統(tǒng)體積小但集成度高。無人機機翼、機身長一般2m～3m，系統(tǒng)集成了飛行平臺、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)設備、飛行控制裝置、通訊系統(tǒng)以及數(shù)碼相機傳感器等，以及慣性導航測量裝置(IMU)，各種設備技術(shù)的發(fā)展和系統(tǒng)整體集成技術(shù)相對成熟。④天氣條件要求相對較低。⑤影像分辨率高、現(xiàn)勢性強。⑥系統(tǒng)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(shù)應用現(xiàn)狀

隨著計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、數(shù)字通訊技術(shù)、數(shù)碼相機技術(shù)、3S技術(shù)的發(fā)展，無人機航攝技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，是航測遙感領域的有效補充。無人機航攝技術(shù)的成熟與民用領域需求的不斷擴大，使得該技術(shù)已滲入到民用領域的各個行業(yè)，無人機航攝系統(tǒng)可應用于國家基礎地圖測繪、數(shù)字城市建設、通信站點建設、國土資源調(diào)查、土地地籍管理、城市規(guī)劃、突發(fā)事件實時監(jiān)測、災害預測與評估、城市交通、網(wǎng)線鋪設、數(shù)字農(nóng)業(yè)、測繪、環(huán)境治理、生態(tài)保護、森林管理、礦產(chǎn)開發(fā)等領域，對國民經(jīng)濟的發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實意義。

3 工程應用實例——云南省楚雄州某風電場規(guī)劃1:2000地形圖測繪

3.1 數(shù)據(jù)獲取

云南省楚雄州某風電場規(guī)劃工程測區(qū)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(qū)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(shù)據(jù)情況

數(shù)據(jù)經(jīng)過畸變糾正、格式轉(zhuǎn)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?。?.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(yè)控制測量與調(diào)繪

本工程外業(yè)控制調(diào)繪前，先經(jīng)過相對定向處理，利用提供的粗略POS數(shù)據(jù)，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(yè)控制測量和調(diào)繪使用。

3.4 基礎控制測量

本次控制測量采用靜態(tài)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(jù)CH/Z 3004-2010規(guī)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(guī)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(jié)合本文表1數(shù)據(jù)，即平面控制航向間隔基線數(shù)不大于20條基線，高程控制航向間隔基線數(shù)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(nèi)，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(diào)繪

采用綜合判讀調(diào)繪法，也就是先室內(nèi)判讀調(diào)繪、后野外檢核、調(diào)查和定性，最后室內(nèi)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(xiàn)場核實進行外業(yè)調(diào)繪定性，內(nèi)業(yè)測繪定位。對像片上各種明顯的、依比例尺表示的地物，調(diào)繪只作性質(zhì)、數(shù)量說明，其位置、形狀以內(nèi)業(yè)立體模型為準。

調(diào)繪內(nèi)容主要包括居民地及設施，交通信息、管線、地貌、植被及土質(zhì)、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(shù)字攝影測量工作站完成，空三加密經(jīng)過影像輸入、內(nèi)定向、自動生成連接點、控制點轉(zhuǎn)刺、區(qū)域網(wǎng)平差計算過程。

為了提高空三精度和提高作業(yè)效率，本項目按兩個加密區(qū)作作業(yè)。像點匹配精度為1.8um，收斂值接近1/4個像素。滿足規(guī)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(cè)

(1)立體模型下數(shù)據(jù)采集

由空三成果數(shù)據(jù)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(zhí)行《1:500、1:1000、1:2000地形圖要素分類與代碼》。測區(qū)內(nèi)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(yè)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成正確的CAD數(shù)據(jù)(*.dwg)；再通過地形圖轉(zhuǎn)換文件轉(zhuǎn)換成CASS格式，轉(zhuǎn)換完成后參照調(diào)繪片檢查地物遺漏；以上無誤后把調(diào)繪、外業(yè)補測內(nèi)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(cè)

將外業(yè)測量的實測檢查點導入立體平臺，進行數(shù)據(jù)平面高程精度檢查，發(fā)現(xiàn)精度不滿足要求的地方，利用外業(yè)數(shù)據(jù)對內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)進行修側(cè)。被利用修側(cè)的外業(yè)點數(shù)據(jù)不再作為檢查點進行圖形檢查。

圖2 無人機航測數(shù)據(jù)正射影像圖、正射影像疊加地形圖、地形圖

3.5.3 DEM、DOM產(chǎn)品生產(chǎn)

由于是利用立體采集數(shù)據(jù)生成的格網(wǎng)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(nèi)插生成的DEM，精度會降低一些。

DOM是根據(jù)單張航片的內(nèi)外方位元素和數(shù)字高程模型DEM，采用微分糾正軟件對各個模型的數(shù)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(zhuǎn)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(jīng)調(diào)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(yè)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(jīng)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(shù)據(jù)可以看出DOM精度較好，滿足規(guī)范要求。

表3 DOM精度檢查統(tǒng)計

4 無人機航攝數(shù)據(jù)用于風電場規(guī)劃設計應用分析

利用無人機航攝相關數(shù)據(jù)產(chǎn)品，進行了楚雄某風電場建設規(guī)劃選址，綜合考慮風能資源、聯(lián)網(wǎng)條件、地形地貌和交通運輸?shù)葪l件，確定每臺風機的位置，以獲得風電場最大的年發(fā)電量和最佳經(jīng)濟效益，實現(xiàn)風電場的最優(yōu)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(shù)據(jù)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(shù)，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(qū)地物分類和高度平臺及面積統(tǒng)計研究；④風電場區(qū)坡度分析；風電場區(qū)坡向分析；⑤風電場區(qū)剖面分析；⑥居民地緩沖區(qū)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(shù)的GIS分析等等。見圖5。

圖5 無人機航攝成果的應用

5 總結(jié)

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(shù)字測圖系統(tǒng)中進行地形圖測繪，并結(jié)合外業(yè)調(diào)繪數(shù)據(jù)、外業(yè)檢測點數(shù)據(jù)進行地形圖修測，高效提供了DLG、DEM、DOM等豐富的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，精度滿足規(guī)范要求。無人機航攝技術(shù)在風電場規(guī)劃、勘測設計等應用方面可以提高工作效率，促進勘測技術(shù)水平的創(chuàng)新，有效縮短工程周期，減小外業(yè)勞動強度。該技術(shù)的成功應用豐富了新能源開發(fā)勘測技術(shù)手段，有助于推動我國新能源的開發(fā)利用。但是無人機攝影測量技術(shù)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(shù)倍增加，需要進一步研究。

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

[2] 鄭團結(jié)，等.無人機數(shù)字攝影測量系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制，2006，14(5).

[3] 程崇木，張俊華，孫煒，等.固定翼無人機航空攝影測量精度探討[J].人民長江.2010，(11).

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[5] 韓文軍，雷遠華，周學文.無人機航測技術(shù)及其在電網(wǎng)工程建設中的應用探討[J].電力勘測設計.2010，(3).

[6] CH/Z 3004-2010，低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)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。