劉 麗,魏海霞,祖為國,譚金石

(廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 廣州 510000)

光伏產(chǎn)業(yè)是指利用光電效應(yīng)將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能的產(chǎn)業(yè)。光伏產(chǎn)業(yè)作為低碳環(huán)保新能源,在國家構(gòu)建綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟體系戰(zhàn)略下,必將進(jìn)入發(fā)展快車道,成為快速興起的朝陽產(chǎn)業(yè),是實現(xiàn)制造強國和能源革命的重大關(guān)鍵領(lǐng)域[1]。屋頂光伏發(fā)電是一種利用太陽能將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù),具有環(huán)保、可再生、分布式等優(yōu)點。為了合理規(guī)劃光伏電站的建設(shè),需要進(jìn)行屋頂光伏資源調(diào)查,以確定光伏電站建設(shè)的最佳地點和電站容量。

光伏資源調(diào)查主要包括光照強度、光伏組件的傾角和朝向、溫度、風(fēng)速、氣象數(shù)據(jù)等方面[2]。其中,光照強度的調(diào)查需要摸清區(qū)域內(nèi)建筑屋頂面積及屋頂遮擋情況,測算屋頂立面總面積,進(jìn)而結(jié)合單位面積光伏發(fā)電量推算發(fā)光發(fā)電量。傳統(tǒng)的屋頂光伏資源調(diào)查采用實地勘測的方法,但是該方式需要統(tǒng)計每棟建筑的樓頂面積及遮擋情況,存在外業(yè)工作量大、成圖效率低等問題[3-5],難以達(dá)到高效光伏調(diào)查的目的。無人機傾斜攝影測量作為近幾年廣泛興起的一項高新技術(shù),具有非接觸式、高效率、高精度獲取物體表面三維點云數(shù)據(jù)的優(yōu)勢,可以快速獲取豐富的地面信息,在大比例尺地形測圖、城市實景三維建模、城市規(guī)劃等方面具有廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)相比于傳統(tǒng)角度局限的垂直攝影技術(shù),可以獲取更高分辨率、高視場角、多視維度的地物信息,再結(jié)合三維模型測圖,可以快速識別建筑物輪廓范圍和實現(xiàn)立面信息采集[6-7]。

因此,本文以廣東省南海區(qū)屋頂光伏資源調(diào)查為例,從無人機傾斜攝影、三維建模、圖件制作、測圖精度評估等方面進(jìn)行分析評估,為無人機傾斜攝影技術(shù)用于可建設(shè)屋頂資源調(diào)查提供科學(xué)依據(jù)。

1 傾斜攝影測量關(guān)鍵技術(shù)

傳統(tǒng)攝影測量是通過一個正射鏡頭獲取目標(biāo)物影像數(shù)據(jù),這種方式只能得到地物的俯視面紋理,若要同時獲取地物的立面紋理,則需要利用傾斜攝影測量從不同的傾斜角度采集目標(biāo)物紋理數(shù)據(jù),從而得到高精度、可量測性的立體模型[8]。目前解決方案有單鏡頭、搖擺雙鏡頭及五鏡頭,由于傾斜角度的方向有差異,同一目標(biāo)物可以在多張相片上找到,在建模時選取分辨率最高的照片進(jìn)行紋理映射[9]。其中,主要涉及的關(guān)鍵技術(shù)有多視影像聯(lián)合平差、多視影像聯(lián)合匹配和紋理映射。

1.1 多視影像聯(lián)合平差

多視影像聯(lián)合平差將下視影像數(shù)據(jù)與傾斜影像有效結(jié)合,且在空中三角測量時多方面顧及源數(shù)據(jù)之間的幾何變形與遮擋關(guān)系,利用初始外方位元素,選擇金字塔匹配策略,在各級數(shù)據(jù)上選用連接點自動匹配及自由網(wǎng)光束法平差,獲取效果不錯的同名點匹配結(jié)果,且組成的同名點和連接線、像控點位置、POS數(shù)據(jù)的多視影像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差的誤差方程,經(jīng)過一并求解,保證運算結(jié)果的準(zhǔn)確性[10-11]。

1.2 多視影像聯(lián)合匹配

同名點匹配誤差是攝影測量不可避免的問題之一,擁有重疊度高、紋理清晰的多視影像在同名點匹配上具有很大優(yōu)勢,在匹配中如何多方面考慮冗余數(shù)據(jù),高效地得到連接點位置,從而獲得目標(biāo)物的立體信息,是多視影像匹配的關(guān)鍵。多種策略并用往往能達(dá)到意想不到的效果,因此,計算機視覺等新解決方案成為影像匹配的研究熱點。目前,在計算機視覺研究領(lǐng)域中已得到了關(guān)鍵性的突破,如目標(biāo)地物側(cè)面紋理信息的自動獲取,通過遍歷地物影像上的特征,獲取目標(biāo)物的二維矢量數(shù)據(jù)集,并將不同視角的影像聯(lián)合分析,從而得到地物的三維矢量數(shù)據(jù)[12]。

1.3 紋理映射

紋理映射是將影像上的紋理一一對應(yīng)到三維模型上。但是由于傾斜攝影獲取的是地形目標(biāo)的多視角影像,因此,三維模型上同一個點會出現(xiàn)在多張不同視角的原始影像中。為了選取合適的目標(biāo)影像,紋理映射主要依據(jù)影像與模型三角形面片法線方程間夾角關(guān)系進(jìn)行取舍,夾角較小的影像和三角形面片更接近平行關(guān)系,紋理映射效果更好。通過計算每個三角形面片與影像間的角度關(guān)系,逐一完成紋理映射,生成逼真的三維模型。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

研究區(qū)位于廣東省佛山市南海區(qū),試驗區(qū)內(nèi)有學(xué)校、醫(yī)院、政府部門等公有物業(yè)建筑,共計272個地塊。選取具有代表性的西樵高級中學(xué)作為研究對象,該區(qū)域位于西樵鎮(zhèn)中心地帶,東臨北江,毗鄰樵高路、樵金路,距西樵大橋、龍灣大橋,占地約8.67 hm2。其中有教學(xué)樓、教職工宿舍共17棟,均為多層框架結(jié)構(gòu)建筑。

采用大疆M300 RTK無人機作為飛行平臺,搭載禪思P1鏡頭組成傾斜攝影測量系統(tǒng),該系統(tǒng)采用“下置旋翼”技術(shù),可實現(xiàn)精準(zhǔn)垂直起降功能,同時具備高精度差分導(dǎo)航定位系統(tǒng)。

在研究區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)了5個像控點,設(shè)置航向重疊度為80%、旁向重疊度為65%、航高為150 m。航線飛行共1個架次,獲取像片532張,其中有效像片522張。根據(jù)飛行航高和地面分辨率的關(guān)系,計算獲得影像地面分辨率為3 cm,滿足制作1∶500比例尺地形圖要求。公式為

(1)

式中,H為相對航高;a為相機像元尺寸;f為相機焦距。

為了評估項目精度,選取20個特征點作為模型精度檢查點、20個房角點作為成果圖件精度檢查點、10條邊作為圖件成果精度檢查邊、10組面積作為成果建筑面積檢查項。

3 研究方法

3.1 總體技術(shù)流程

外業(yè)作業(yè)前首先完成收集資料,制定像控點布設(shè)方案,并依據(jù)方案實地采集和布設(shè)像控點。然后開展無人機傾斜攝影航測工作,獲取測區(qū)下視、前視、后視等多視角影像,航測后,通過數(shù)據(jù)預(yù)處理、影像匹配、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、多視影像密集匹配、三維模型生產(chǎn),并進(jìn)行裸眼三維數(shù)字化測圖,完成建筑物面積測量,標(biāo)注可能存在遮擋的物體與建筑物之間的高度差及水平距離[13]。最后根據(jù)區(qū)域所在位置的單位光伏板年發(fā)電量測算屋頂光伏電量,同時利用全站儀外業(yè)實測點坐標(biāo)對模型、方角點、建筑物邊長和房屋建筑面積進(jìn)行精度評定,并將評定結(jié)果與國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求比對,探索該研究方案的可行性。總體技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 可建設(shè)屋頂光伏資源調(diào)查總體技術(shù)流程

3.2 數(shù)據(jù)處理

基于Dji Terra開展實景三維建模。首先聯(lián)合下視影像和傾斜影像進(jìn)行光束法區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合空中三角測量,計算得到影像準(zhǔn)確的外方位元素;然后利用多視影像密集匹配處理技術(shù),生成高密度三維點云,基于點云構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng),再優(yōu)化三角網(wǎng)模型制作三維模型白模;最后根據(jù)影像紋理,映射到白模三角形面片上,制作高精度數(shù)字三維模型。最終實景三維模型局部效果如圖2所示。

圖2 實景三維模型局部效果

3.3 圖件制作

基于南方CASS平臺,結(jié)合CASS 3D插件進(jìn)行裸眼三維數(shù)字化測圖,將實景三維模型和數(shù)字正射影像導(dǎo)入三維測圖軟件,基于二、三維聯(lián)動窗口開展地形圖測繪。屋頂光伏資源調(diào)查需要準(zhǔn)確的屋頂平面結(jié)構(gòu)和面積信息。按照要求繪制屋頂平面結(jié)構(gòu)圖且標(biāo)注面積,如屋頂有構(gòu)筑物或大型設(shè)備,需標(biāo)注屋頂構(gòu)筑物或大型設(shè)備高度、平面面積,如建筑物周邊有更高且明顯遮擋太陽光照射的遮擋物(如其他建筑物、樹木等),需標(biāo)注遮擋物與建筑物之間的高度差及水平距離。對內(nèi)業(yè)無法確定屬性的地物、地貌要素進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪補測,整飾編輯圖形,圖3為完成的建筑物地形圖繪制成果。

圖3 圖件成果

3.4 可建設(shè)屋頂光伏資源評估

可建設(shè)屋頂光伏發(fā)電量估算最重要的是確定城市中建筑屋頂?shù)目偯娣e和區(qū)域光伏板年發(fā)電量。如圖4所示,建筑物屋頂總面積可以根據(jù)無人機傾斜攝影三維測圖的結(jié)果計算,光伏板輻射面積一般取屋頂總面積的30%～50%;而區(qū)域光伏板年發(fā)電量則結(jié)合城市年輻射總量和光伏組件效率推算得到。如監(jiān)測可得,2015-2020年廣州市的年太陽輻射量為3 943.35～5 007.85 MJ/m2,多晶硅光伏組件的效率為16%,兩者相乘可以得到區(qū)域單位光伏板年發(fā)電量[14]。

圖4 屋頂光伏發(fā)電量推算方式

由光伏有效面積和區(qū)域單位光伏板年發(fā)電量計算得到屋頂光伏發(fā)電量。公式為

Epotential=Apv×Gt×η×λ

(2)

式中,Epotential為城市年輻射總量;Apv為屋頂光伏組件面積;η為光伏轉(zhuǎn)換效率,本文取16%;λ為光伏系統(tǒng)運行效率,常見屋頂光伏運行效率為0.75～0.8。

4 試驗結(jié)果與精度評定

4.1 實景三維模型精度評定

為了驗證實景三維模型的數(shù)學(xué)精度,將外業(yè)實測的20個明顯特征點與模型同名點進(jìn)行精度驗證,具體誤差統(tǒng)計值如圖5所示。其中,ΔX、ΔY、ΔZ為模型坐標(biāo)和實測坐標(biāo)的差值,其中3個方向的最大誤差值分別為6.2、5.7、6.7 cm。

圖5 檢查點誤差統(tǒng)計

根據(jù)中誤差計算公式,三維模型平面位置中誤差為3.9 cm,高程中誤差為4.3 cm,成果精度滿足1∶500地形圖規(guī)范要求。

4.2 房角點點位精度評定

房角點測量是測定房屋建筑物實際地理位置,是準(zhǔn)確量算房屋建筑面積的基礎(chǔ)。本文使用全站儀施測了20個房角點,并將施測坐標(biāo)與裸眼測圖圖解坐標(biāo)比對,計算坐標(biāo)差值,計算結(jié)果見表1。

表1 房角點精度統(tǒng)計

圖6為檢查點平面和高程誤差統(tǒng)計?？梢钥闯?20個房屋角點誤差X、Y、Z3個方向波動均較小。其中,最小誤差為1.6 cm,最大誤差為6.2 cm。計算可得房角點點位平面中誤差為3.1 cm。房角點點位中誤差滿足《房產(chǎn)測量規(guī)范》(GB/T 17986-2000)中高精度中誤差要求。計算公式分別為

圖6 檢查點平面和高程誤差統(tǒng)計

(3)

4.3 建筑物邊長精度評定

為了評估成果相對精度,選擇10條建筑物邊長與實測結(jié)果進(jìn)行對比。實測建筑物邊長采用精度為2 mm的激光測距儀測量得到。實測邊長和圖上量測邊長誤差見表2。根據(jù)中誤差公式計算可得,邊長中誤差為3.1 cm,建筑物間距滿足《房產(chǎn)測量規(guī)范》(GB/T 17986-2000)精度要求。

表2 建筑物邊長較差統(tǒng)計 m

4.4 房屋建筑物面積精度評定

通過對實景三維模型進(jìn)行裸眼測圖,獲取每幢樓建筑物樓頂面積。為了驗證裸眼測圖精度,通過全站儀實測房角點坐標(biāo),計算對應(yīng)房屋實際面積,將全站儀施測計算的面積與裸眼測圖計算的面積進(jìn)行房屋樓頂面積較差計算,計算結(jié)果見表3。依據(jù)《房產(chǎn)測量規(guī)范》(GB/T 17986-2000)規(guī)范要求,房屋面積誤差限差符合城市商品房二級精度面積限差要求。

表3 房屋建筑物面積較差統(tǒng)計 m2

綜上所述,通過案例結(jié)果可知,實景三維模型的模型點中誤差,地形圖的房角點點位中誤差和建筑物邊長中誤差均在厘米級,符合國標(biāo)規(guī)范相應(yīng)限差要求。

5 結(jié) 語

本文將無人機傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用于可建設(shè)光伏屋頂面積調(diào)查,通過無人機搭載可見光傳感器獲取測區(qū)影像,并通過內(nèi)業(yè)建模、裸眼測圖、成果圖件制作及精度評定,證明了該技術(shù)用于屋頂光伏資源調(diào)查任務(wù)可行、可靠。

無人機傾斜攝影測量技術(shù)為南海區(qū)可建設(shè)光伏屋頂資源調(diào)查提供了強大的技術(shù)服務(wù),降低了外業(yè)工作強度與風(fēng)險,提高了成圖效率,彌補了實地勘測中效率低,地物要素測量不全的不足。