張艷秋 李艷芳

摘 要：光伏電站的勘察是光伏電站建設的關鍵環(huán)節(jié)，光伏電站站址的測圖與傳統(tǒng)意義的地形圖測繪不同，不僅要獲取高精度的地表地貌特性的點位位置，也要獲得地表的地質(zhì)信息，初判覆蓋層厚度、落水洞和不良地質(zhì)的發(fā)育程度。通過無人機傾斜攝影技術構建光伏電站場區(qū)三維實景模型，通過實景三維模型獲取地物的地形要素和地表的地質(zhì)紋理信息，證明了三維測圖效率高、生產(chǎn)成本低、周期短、成果豐富，極大提高了光伏電站勘察設計的效率。

關鍵詞：無人機;傾斜攝影;三維建模;光伏電站

中圖分類號：P231 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）23-0036-04

Abstract： The survey of photovoltaic power station is a key link in the construction of photovoltaic power station. The mapping of photovoltaic power station site is different from the topographic mapping in the traditional sense. It is necessary to obtain not only the point location of high-precision surface geomorphic characteristics， but also the geological information of the surface， and preliminarily judge the thickness of overburden， the development degree of sinkhole and adverse geology. The UAV tilt photography technology is used to generate the three-dimensional real scene model of the photovoltaic power station site， and the terrain elements of the ground objects and the geological texture information of the surface are obtained through the three-dimensional real scene model. The three-dimensional modeling has high efficiency， low production cost， short cycle and rich achievements， which greatly improves the efficiency of the survey and design of the photovoltaic power station.

Keywords： UAV;oblique photography;3D real scene model;photovoltaic power station

隨著經(jīng)濟的高速度和高質(zhì)量發(fā)展，電力工程建設力度也在不斷加強，綠色電力能源的開發(fā)越來越受到社會的關注，其中光伏電站建設成為國家鼓勵力度最大的項目之一。2015年，國務院扶貧辦把光伏扶貧列為我國十大精準扶貧工程之一。合理利用貧困地區(qū)豐富的太陽能資源，既能實現(xiàn)扶貧開發(fā)，又可以將清潔新能源利用和節(jié)能減排相結合。然而，我國復雜的地質(zhì)條件為光伏電站站址的選擇帶來了很大挑戰(zhàn)。光伏電站站點的陣列與一般建構筑特點不同，場地的勘察更應針對其特點采取靈活的方案[1]，因此合理確定站點位置具有重要意義。扶貧光伏電站建設要充分利用現(xiàn)有資源，以為貧困地區(qū)人民提供創(chuàng)業(yè)、就業(yè)崗位和資金收入為目的，提高光伏電站建設的經(jīng)濟和社會效益。扶貧電站勘察設計具有工作量大、要求高、工期短等特性，傳統(tǒng)的人工測圖周期長、成本高，在時間節(jié)點上很難滿足工程建設的工期要求。

無人機傾斜攝影是近年來興起的一門新技術，在城市三維建模、生態(tài)環(huán)境保護、資源調(diào)查等領域得到了廣泛應用[2]，但在光伏電站勘察方面還未發(fā)揮獨特優(yōu)勢。本研究擬將無人機傾斜攝影測量技術用于光伏電站站址選擇的前期勘察中，利用無人機搭載高清攝像機獲取場區(qū)的多視角影像數(shù)據(jù)，再用Smart3D建模軟件建立研究區(qū)三維實景模型和裸眼三維測圖獲得地形要素和地表紋理信息，具有建模速度快、精度高、費用低以及工期短等優(yōu)點。結合研究區(qū)的地質(zhì)條件，選擇合適的光伏電站位置，可以免去外業(yè)現(xiàn)場勘察不良地質(zhì)區(qū)域的麻煩，極大提高生產(chǎn)效率，降低成本，最重要的是能夠達到光伏電站勘察設計精度的要求，在未來推動光伏電站勘察設計的轉(zhuǎn)型和升級，提升光伏電站勘察的效率。

1 無人機傾斜攝影測量技術簡介

1.1 技術簡介

傾斜攝影技術是測繪領域近年來新興的對地觀測技術。與傳統(tǒng)航空攝影測量只從垂直角度拍攝地物不同，其利用無人機作為平臺搭載多角度攝像機，分別從一個垂直和多個傾斜角度拍攝同一地物的影像[3]，利用專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件對傾斜影像數(shù)據(jù)進行圖像密集匹配，快速生成地物表面三角網(wǎng)模型（Triangulated Irregular Network，TIN）[4]，實現(xiàn)三維實景模型構建，進而直接讀取地物的外觀、位置、高度等屬性信息[5-6]。以無人機為平臺的傾斜攝影測量技術，能夠以大范圍、高精度、高清晰的方式，更加全面地感知復雜場景，大大降低了三維建模成本。通過采集多樣化、多角度的數(shù)據(jù)形式，將獲取的影像數(shù)據(jù)進行自動化建模，同時對局部區(qū)域進行調(diào)整，將實景模型和傾斜攝影獲得的影像結合到一起獲取一體化的測圖環(huán)境，大大降低了野外調(diào)繪的工作量，保證了地形圖的測制質(zhì)量。

1.2 系統(tǒng)構成

無人機傾斜攝影主要由3個系統(tǒng)構成。

1.2.1 飛行平臺。低空航空攝影使用的航測無人機不受場地的限制，并且能在航攝過程中保持飛行的穩(wěn)定性。為了兼顧效率，本項目優(yōu)先選用六旋翼無人機，搭載高性能傳感器，自動化、智能化同步記錄拍攝時的位置和姿態(tài)等信息。

1.2.2 傳感器。傳感器由多鏡頭相機和GNSS定位裝置組成。為了建立三維實景模型，且保證拍攝對象立面影像信息的可用性，傾斜攝影獲取影像時通常以45°為優(yōu)，從5個方向獲取目標地物的實景信息，包括1個垂直方向和4個側(cè)面方向[7-9]。

1.2.3 三維模型建立軟件處理系統(tǒng)。以Smart3D為代表的人機交互半自動三維建模軟件，通過在獲得的目標區(qū)域傾斜影像上進行同名點提取、多視角匹配、三角網(wǎng)構建以及紋理映射等操作步驟，實現(xiàn)把簡單連續(xù)的傾斜攝影影像轉(zhuǎn)換成實景真三維模型，且不需要太多的人工干預，既保證了精度又提高了建模效率。

2 研究區(qū)自然地理概況

項目研究區(qū)位于我國西部山區(qū)，青藏高原東邊，隴西盆地西緣，主要由黃土山區(qū)和砂粒巖壑區(qū)組成，屬黃土丘陵溝壑區(qū)第四副區(qū)，地勢東北高、西南低，海拔懸殊，河谷縱橫，山川交錯，地形復雜，交通條件極差，經(jīng)濟發(fā)展落后。建立光伏電站，把光伏應用和農(nóng)村資源有效結合，不僅可以解決當?shù)鼐用竦挠秒婋y題，而且可以通過剩余電能源的輸出，幫助當?shù)鼐用裰赂弧?/p>

3 光伏電站傾斜攝影測量技術流程

扶貧光伏電站不僅要測繪地形要素，還要獲取地表地質(zhì)信息。它的作業(yè)流程主要包括測區(qū)資料收集、布設像控點布設、航線布設、航飛任務實施、傾斜數(shù)據(jù)處理、要素信息提取等步驟，技術流程如圖1所示。

3.1 測區(qū)資料收集

本次需要建立扶貧光伏電站的地區(qū)是西部山區(qū)，地形復雜，研究難度大。光伏電站建立前，收集相關的測區(qū)資料至關重要。一方面需要收集光伏電站建立的相關信息，分析光伏電站建設的相關要求;另一方面，收集研究區(qū)已有的航攝資料、基礎控制點資料、各種地圖資料，包括相關地形圖、交通圖、水利圖、行政區(qū)劃圖、地名錄以及地質(zhì)圖等。

3.2 像控點布設

根據(jù)航測區(qū)域的范圍和地形地貌，確定需要布設的像控點位置和數(shù)量，對航測數(shù)據(jù)后期處理的精度影響巨大。因此，選擇和布設像控點要盡量規(guī)范、嚴格、精確，布設結果如圖2所示。在飛行前，現(xiàn)場進行撒白灰作業(yè)[10]。地面標記點選在地形平坦且顏色反差較大處，地面白灰標記為15 cm的L形拐角。拐角要清晰，不能出現(xiàn)模糊或圓潤的情況。做好地面標記后，利用CORS接收機按照室內(nèi)規(guī)劃好的點號現(xiàn)場實時采集信息。如果現(xiàn)場地面標記與室內(nèi)布點位置不符，應做好現(xiàn)場記錄，以便內(nèi)業(yè)工作人員空三加密時對照刺點。電力線路標高嚴重影響光伏電站組件布置設計，在布設像控點的同時，實測電力線路的準確位置和高程等屬性信息。

3.3 航飛任務實施

實施無人機航飛前，制定詳細的飛行計劃必不可少。預估航飛過程中可能出現(xiàn)的緊急情況，制定航飛應急預案。在確保飛行安全的前提下，可實施云下攝影，并保證在風力小于5級的情況下飛行，設定航向重疊度80%、旁向重疊度70%，這樣就能得到穩(wěn)定、高清的地面傾斜攝影原始數(shù)碼影像和照片拍攝點的空間位置坐標與姿態(tài)信息，航線布設結果如圖3所示。

3.4 傾斜數(shù)據(jù)處理

傾斜數(shù)據(jù)處理主要包括原始影像預處理、POS數(shù)據(jù)解算、空三加密、密集匹配以及生成實景三維模型。利用傾斜攝影測量數(shù)據(jù)建立三維模型的詳細流程包括像控點坐標導入、坐標系匹配、像控點刺點、空中三角測量以及三維模型建立，如圖4所示。

其中，空三加密是傾斜攝影測量數(shù)據(jù)處理的核心，其精度直接影響三維實景模型的精度。圖5為無人機傾斜攝影相片經(jīng)過預處理、POS數(shù)據(jù)解算、空三加密流程后生成的測區(qū)高精度三維實景模型圖。

3.5 要素信息提取

地形要素的提取依賴模型的點位信息和紋理信息的質(zhì)量。傾斜攝影測量的重要成果還包括三維網(wǎng)格、數(shù)字正射影像、數(shù)字表面模型等。結合外業(yè)調(diào)繪成果和航飛前布設的像控點，在實景三維模型上標注重要的地物和高程點，準確高效地提取地形和地質(zhì)要素信息，繪制成1∶1 000比例尺的地形圖，如圖6所示。

3.6 幾何精度驗證

為了保證光伏電站勘察的準確定和可靠性，本項目共布設了15個像控點。場區(qū)地形圖繪制完成后，選擇20個點作為檢查點（GCD1～GCD20），按照《電力工程數(shù)字攝影測量規(guī)程》（DL/T 5138—2014）要求，檢查地形圖的地理精度、數(shù)學基礎、平面精度、高程精度、數(shù)據(jù)及結構完整性等內(nèi)容，其中對地物點的平面坐標和高程值進行精度檢查，如表1所示。

經(jīng)過計算，檢查點的平面中誤差為[Ms=±ΔX2+ΔY2/20][=±4.3]cm，高程中誤差為[Ms=±i=120ΔH2/20=±6.8] cm，測圖結果滿足《電力工程數(shù)字攝影測量規(guī)程》中（DL/T 5138—2014）1∶1 000比例測圖的精度要求，可以作為光伏電站位置確定的底圖數(shù)據(jù)。

3.7 光伏位置確定

西部山區(qū)的光伏電站一般都位于低中山區(qū)或山前黃土丘陵，根據(jù)繪制的場區(qū)地形圖，結合交通設施、管線設施、水系設施、地貌土質(zhì)、植被紋理、市政部件、覆蓋層厚度、落水洞以及不良地質(zhì)的發(fā)育區(qū)域等要素進行光伏組件的位置設計。圖7為局部設計圖，提供給新能源工程設計單位作為光伏位置確定的參考。

4 結語

傾斜攝影技術改變了傳統(tǒng)只有正射投影的航空攝影測量模式，有利于解決工作人員難以抵達地區(qū)（如山地等）的測圖問題，從而降低了野外測量作業(yè)難度。利用無人機傾斜攝影技術獲取測區(qū)的多角度高分辨率影像，不僅能夠充分保證影像的時效性，而且高分辨率影像上的房屋、重要地物等清晰可見，再結合航飛前布設的一定數(shù)量像控點進行空三加密處理，構建高分辨率、高精度三維實景模型，用來測繪地形與地質(zhì)要素信息，滿足扶貧光伏電站三維設計的需要，提高了勘察設計的效率，有效縮短了工程周期，減少了外業(yè)工作的時間，達到了提高經(jīng)濟效益的目的。

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