無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在風(fēng)能開發(fā)勘測(cè)方面的應(yīng)用

孫朝陽，鄭彥春，徐秀云

(1.北京洛斯達(dá)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(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在風(fēng)能開發(fā)勘測(cè)方面的應(yīng)用

孫朝陽1，鄭彥春1，徐秀云2

(1.北京洛斯達(dá)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(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，資源與環(huán)境問題已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展所面臨的重要問題，對(duì)風(fēng)能的大力開發(fā)可緩解這一矛盾。而無人機(jī)航攝技術(shù)是一種新的、高效的風(fēng)能開發(fā)勘測(cè)技術(shù)手段。本文對(duì)無人機(jī)技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀做了簡(jiǎn)單分析，以工程應(yīng)用為實(shí)例，對(duì)無人機(jī)航攝數(shù)據(jù)處理的整個(gè)作業(yè)流程做了介紹，分析了DEM、DLG、DOM產(chǎn)品生產(chǎn)方法，運(yùn)用外業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)檢測(cè)了DLG、DOM成果精度情況，并對(duì)其成果數(shù)據(jù)的應(yīng)用形式做了簡(jiǎn)單闡述。最后對(duì)無人機(jī)航攝技術(shù)在風(fēng)電開發(fā)方面的勘測(cè)應(yīng)用做了總結(jié)。

無人機(jī) ；航空攝影測(cè)量；風(fēng)電場(chǎng) ；精度。

1 概述

能源是經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，目前我國(guó)能源消費(fèi)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(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，對(duì)能源的需求還將不斷增加，資源與環(huán)境問題已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展所面臨的重要問題。而風(fēng)能是可再生的清潔能源，開發(fā)風(fēng)電是有效增加能源供給能力，緩解資源與環(huán)境矛盾，實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展、低碳經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重要舉措。

云南地處中國(guó)西部，海拔高，山區(qū)地形多，隨著海拔高度的增加風(fēng)速增加較快，風(fēng)能資源非常豐富。根據(jù)規(guī)劃，目前云南規(guī)劃的風(fēng)能發(fā)電場(chǎng)達(dá)數(shù)十個(gè)。但這些地區(qū)普遍存在缺乏現(xiàn)成、較新的基礎(chǔ)地形圖資料，使得規(guī)劃設(shè)計(jì)工作受到一定影響。因此需要對(duì)這些場(chǎng)址區(qū)域進(jìn)行勘測(cè)工作，得到較新的基礎(chǔ)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(shí)地外業(yè)工測(cè)的方式測(cè)繪地形圖，或者通過常規(guī)航空攝影測(cè)量，內(nèi)外業(yè)結(jié)合的方式進(jìn)行測(cè)繪地形圖。但這兩種方式工期都較長(zhǎng)，難以滿足工程規(guī)劃設(shè)計(jì)需求。而無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)是目前一種較新的測(cè)繪技術(shù)手段，可滿足快速獲取測(cè)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(cè)區(qū)特別是風(fēng)能利用風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)前期勘察設(shè)計(jì)提供了有效的航測(cè)遙感技術(shù)服務(wù)手段。

2 無人機(jī)航攝技術(shù)簡(jiǎn)介

無人機(jī)航空攝影測(cè)量是以無人駕駛飛機(jī)作為空中平臺(tái)，以機(jī)載高分辨率CCD數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)等獲取影像或視頻信息，用航空攝影測(cè)量工作站對(duì)圖像信息進(jìn)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(cè)量的新型應(yīng)用測(cè)繪技術(shù)。無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)靈活、使用成本低，不但能完成有人駕駛飛機(jī)執(zhí)行的任務(wù)，更適用于有人飛機(jī)不宜執(zhí)行的任務(wù)。

2.1 無人機(jī)航攝技術(shù)特點(diǎn)

無人機(jī)航攝系統(tǒng)是一種小型的、各種先進(jìn)技術(shù)和設(shè)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(diǎn)：

①無需專業(yè)機(jī)場(chǎng)起降；②執(zhí)行任務(wù)方便快捷、高效，攜帶方便，易于轉(zhuǎn)場(chǎng)。③系統(tǒng)體積小但集成度高。無人機(jī)機(jī)翼、機(jī)身長(zhǎng)一般2m～3m，系統(tǒng)集成了飛行平臺(tái)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)設(shè)備、飛行控制裝置、通訊系統(tǒng)以及數(shù)碼相機(jī)傳感器等，以及慣性導(dǎo)航測(cè)量裝置(IMU)，各種設(shè)備技術(shù)的發(fā)展和系統(tǒng)整體集成技術(shù)相對(duì)成熟。④天氣條件要求相對(duì)較低。⑤影像分辨率高、現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)。⑥系統(tǒng)維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單。⑦工程安全風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低。

2.2 無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)字通訊技術(shù)、數(shù)碼相機(jī)技術(shù)、3S技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)航攝技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，是航測(cè)遙感領(lǐng)域的有效補(bǔ)充。無人機(jī)航攝技術(shù)的成熟與民用領(lǐng)域需求的不斷擴(kuò)大，使得該技術(shù)已滲入到民用領(lǐng)域的各個(gè)行業(yè)，無人機(jī)航攝系統(tǒng)可應(yīng)用于國(guó)家基礎(chǔ)地圖測(cè)繪、數(shù)字城市建設(shè)、通信站點(diǎn)建設(shè)、國(guó)土資源調(diào)查、土地地籍管理、城市規(guī)劃、突發(fā)事件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)測(cè)與評(píng)估、城市交通、網(wǎng)線鋪設(shè)、數(shù)字農(nóng)業(yè)、測(cè)繪、環(huán)境治理、生態(tài)保護(hù)、森林管理、礦產(chǎn)開發(fā)等領(lǐng)域，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3 工程應(yīng)用實(shí)例——云南省楚雄州某風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃1:2000地形圖測(cè)繪

3.1 數(shù)據(jù)獲取

云南省楚雄州某風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃工程測(cè)區(qū)地勢(shì)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(cè)區(qū)航空攝影采用無人機(jī)搭載PHASE ONE P45+相機(jī)進(jìn)行航拍，航攝時(shí)間2010年5月27日～30日，采用45.4073mm鏡頭航拍，其平均相對(duì)航高為900m，航飛比例尺為1:20000，成圖比例尺1:2000，共飛行6個(gè)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(yù)處理工作，共獲取有效航片1813張。像幅：7216像素×5412像素(49mm×36mm)，像元大小：6.8μm；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(cè)量與調(diào)繪

本工程外業(yè)控制調(diào)繪前，先經(jīng)過相對(duì)定向處理，利用提供的粗略POS數(shù)據(jù)，進(jìn)行了空三加密，然后進(jìn)行無縫鑲嵌，生成大幅面影像，進(jìn)行沖洗，供外業(yè)控制測(cè)量和調(diào)繪使用。

3.4 基礎(chǔ)控制測(cè)量

本次控制測(cè)量采用靜態(tài)GPS觀測(cè)按照GPS E級(jí)精度要求施測(cè)，共收集7個(gè)已知點(diǎn)，埋設(shè)49個(gè)基礎(chǔ)控制點(diǎn)。

3.4.1 像片控制點(diǎn)布點(diǎn)方案

根據(jù)CH/Z 3004-2010規(guī)范附錄A公式計(jì)算精度預(yù)估，見表1。

表1 平面、高程精度預(yù)估值

參考CH/Z 3003-2010規(guī)范，成1:2000地形圖山地地形時(shí)的平面檢查點(diǎn)限差為2.5m，山地高程檢查點(diǎn)的限差為2.0m。因此按照平面2.5m、高程2.0m限差要求進(jìn)行布點(diǎn)。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(diǎn)測(cè)量

航向方向按照間隔不超過15條基線布設(shè)一對(duì)平高控制點(diǎn)，為提高高程精度，15條基線之間增測(cè)高程控制點(diǎn)。旁向方向按照2-4條基線進(jìn)行布設(shè)。布點(diǎn)能有效控制住成圖范圍，測(cè)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(cè)量平高像控點(diǎn)95個(gè)。

圖1 像控點(diǎn)布設(shè)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(jìn)行打印，通過野外現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪定性，內(nèi)業(yè)測(cè)繪定位。對(duì)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(zhǔn)。

調(diào)繪內(nèi)容主要包括居民地及設(shè)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(cè)繪

3.5.1 空三加密

空三加密采用德國(guó)INPHO全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站完成，空三加密經(jīng)過影像輸入、內(nèi)定向、自動(dòng)生成連接點(diǎn)、控制點(diǎn)轉(zhuǎn)刺、區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算過程。

為了提高空三精度和提高作業(yè)效率，本項(xiàng)目按兩個(gè)加密區(qū)作作業(yè)。像點(diǎn)匹配精度為1.8um，收斂值接近1/4個(gè)像素。滿足規(guī)范要求，最后輸出空中三角測(cè)量成果。

3.5.2 地形圖測(cè)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(fù)立體模型，地物、地貌要素的采集按編碼分層進(jìn)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(cè)區(qū)內(nèi)居民地及獨(dú)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(tái)比例尺設(shè)置、線型、符號(hào)庫正確后，將攝影測(cè)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(bǔ)測(cè)內(nèi)容上圖(包括：線路、注記、獨(dú)立地物、植被)并處理圖面關(guān)系、點(diǎn)線矛盾、及圖廓整飾。

(3)地形圖修側(cè)

將外業(yè)測(cè)量的實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)導(dǎo)入立體平臺(tái)，進(jìn)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(duì)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修側(cè)。被利用修側(cè)的外業(yè)點(diǎn)數(shù)據(jù)不再作為檢查點(diǎn)進(jìn)行圖形檢查。

圖2 無人機(jī)航測(cè)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(huì)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(duì)各個(gè)模型的數(shù)字化航空像片進(jìn)行影像重采樣，糾正影像因地面起伏、飛機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)圖幅(50cm×50cm)，利用外業(yè)實(shí)測(cè)的120個(gè)平面檢測(cè)點(diǎn)，652個(gè)高程檢測(cè)點(diǎn)，在立體平臺(tái)下進(jìn)行觀測(cè)，求得其較差，經(jīng)計(jì)算，具體差值分布見表2和圖3、圖4。

圖3 平面檢查點(diǎn)誤差分布圖(0.1m間距)

圖4 高程檢查點(diǎn)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(jì)

4 無人機(jī)航攝數(shù)據(jù)用于風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)用分析

利用無人機(jī)航攝相關(guān)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，進(jìn)行了楚雄某風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)規(guī)劃選址，綜合考慮風(fēng)能資源、聯(lián)網(wǎng)條件、地形地貌和交通運(yùn)輸?shù)葪l件，確定每臺(tái)風(fēng)機(jī)的位置，以獲得風(fēng)電場(chǎng)最大的年發(fā)電量和最佳經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的最優(yōu)選址，從而達(dá)到合理建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)、有效利用風(fēng)能的目的。利用其成果數(shù)據(jù)的主要應(yīng)用方面有：

①風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)排布及其容量計(jì)算；②通過解譯等技術(shù)，進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)土地利用類型和地表粗糙度的確定；③風(fēng)電場(chǎng)區(qū)地物分類和高度平臺(tái)及面積統(tǒng)計(jì)研究；④風(fēng)電場(chǎng)區(qū)坡度分析；風(fēng)電場(chǎng)區(qū)坡向分析；⑤風(fēng)電場(chǎng)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(jìn)場(chǎng)道路的運(yùn)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(jī)航攝成果的應(yīng)用

5 總結(jié)

利用無人機(jī)機(jī)動(dòng)、快速航攝等特點(diǎn)，成功完成了海拔高、風(fēng)速大等條件下的無人機(jī)航空攝影。使用無人機(jī)獲取的高分辨率影像，通過布設(shè)一定的像控點(diǎn)，再進(jìn)行空三加密處理，在航測(cè)數(shù)字測(cè)圖系統(tǒng)中進(jìn)行地形圖測(cè)繪，并結(jié)合外業(yè)調(diào)繪數(shù)據(jù)、外業(yè)檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行地形圖修測(cè)，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(jī)航攝技術(shù)在風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃、勘測(cè)設(shè)計(jì)等應(yīng)用方面可以提高工作效率，促進(jìn)勘測(cè)技術(shù)水平的創(chuàng)新，有效縮短工程周期，減小外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度。該技術(shù)的成功應(yīng)用豐富了新能源開發(fā)勘測(cè)技術(shù)手段，有助于推動(dòng)我國(guó)新能源的開發(fā)利用。但是無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在應(yīng)用上還存在一些問題，由于像幅小，造成野外像片控制測(cè)量、空三加密、立體采集等工作量數(shù)倍增加，需要進(jìn)一步研究。

[1] 李兵，等.無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)的探索與應(yīng)用研究[J].北京測(cè)繪，2008，(1).

[2] 鄭團(tuán)結(jié)，等.無人機(jī)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2006，14(5).

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

[4] 鄭小兵，鄭彥春，張紅軍，蔡山.無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)用于電力勘測(cè)工程的探索與設(shè)想[J].電力勘測(cè)設(shè)計(jì).2009，(6).

[5] 韓文軍，雷遠(yuǎn)華，周學(xué)文.無人機(jī)航測(cè)技術(shù)及其在電網(wǎng)工程建設(shè)中的應(yīng)用探討[J].電力勘測(cè)設(shè)計(jì).2010，(3).

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