基于多源數據融合的光伏電站地形圖測繪方法研究

仝紅菊，李 斌，倪大眾，胡守超，楊富春

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013)

0 引言

近年來，隨著測繪地理信息行業和無人機的快速發展，無人機憑借操作簡單、機動靈活、使用成本低等優點，成為測繪行業數據來源的重要途徑之一，越來越多單位采用無人機航測技術取代傳統的人工為主的地形圖測繪工作[1-4]。現今無人機主要分為固定翼無人機和旋翼無人機2種，旋翼無人機航攝系統較固定翼無人機航攝系統受天氣影響更小，靈活性更高，但不適合大面積作業，因此固定翼無人機和旋翼無人機在很多項目中可結合使用，提高作業效率。

本文以商城縣某幾個光伏扶貧電站工程為例，根據其分布零散、面積大小各異的特點，采用固定翼無人機和旋翼無人機聯合航攝方法采集數據，利用EPS三維測圖和基于實時核線影像的立體采集作業實現三維成圖，在保證成果可靠性的同時提高了工作效率。

1 技術流程

本項目的作業流程主要由固定翼無人機影像數據采集、旋翼無人機影像數據采集、無人機影像數據處理、精度檢核、三維測圖和成果提交幾部分組成。主要技術流程如圖1所示。

圖1 技術流程圖

2 項目實施

2.1 項目概況

本工程測區影像位置如圖2所示，位于河南省商城縣西北方向，3個光伏電站，2個升壓站，面積總計12.4 km2，丘陵地形，各類地物地貌較豐富。

圖2 測區影像位置圖

2.2 設備投入

本項目選用飛馬F300型固定翼無人機及大疆PHANTOM4 RTK旋翼無人機聯合作業。F300型固定翼無人機相對于旋翼無人機具有續航時間長、姿態穩定、安全性高、空三成果可用于立體測量等優點，本工程采用F300航攝三個較大的光伏電站范圍；旋翼無人機航攝系統作為測繪行業近年發展起來的高新技術，可垂直起降、定點懸停，具有很強的靈活性和時效性，受天氣變化影響較小，本工程用于2個升壓站的航攝以及補充部分因工期緊張、天氣原因導致固定翼無人機無法按期飛完的部分光伏電站區域[5-7]。

3 無人機影像處理

本工程無人機影像處理分為固定翼無人機影像處理及旋翼無人機影像處理。

3.1 固定翼無人機影像處理

固定翼無人機影像處理采用的軟件是無人機管家，但由于采集的原始影像數據一般都存在畸變，若直接進行空三計算，得到的結果無法用于基于核線影像的立體數據采集工作。因此一般在航飛前應首先對相機進行標定，得到相機檢校文件，確定相機的內方位元素和畸變參數。在獲取航飛數據后利用相機檢校文件中的參數將原始影像根據以下畸變校正公式進行畸變校正，并保存已糾正的影像。

利用經初始校正的影像進行特征點提取及空三計算，并導入野外測量點進行空三優化，最后生成正射影像和數字高程模型；空三結果和畸變校正后的影像可用于航天遠景(Mapmtrix)下立體測圖。具體技術流程如圖3所示。

圖3 固定翼無人機數據處理流程圖

3.2 旋翼無人機影像處理

旋翼無人機影像空三處理采用的是PIX4D軟件，首先將獲取的影像導入PIX4D軟件中，利用運動重建(structure from motion，SFM)算法進行影像匹配，導入野外測量的控制點坐標，并在相應的影像上刺點，然后進行空三運算及正射影像圖(digital orthophoto map，DOM)和數字表面模型 (digital surface model，DSM)生成[8]。具體技術流程如圖4所示。

圖4 旋翼無人機數據處理流程圖

3.3 三維成圖

目前主流的三維成圖方法一般是采用EPS三維測圖軟件實現，但由于EPS三維測圖使用的高程信息來自于DSM，在植被覆蓋區域地表高程受植被高程擬合影響，精度無法保證，傳統方式是采用野外實測點進行補充。本文中旋翼無人機采集的小區域采用野外實地數據進行補充，固定翼無人機采集區域數據采用基于實時核線重采樣的立體測圖方法進行補充，在保證精度的同時能大幅提高工作效率。

1)基于DOM/DSM三維場景立體測圖方法

旋翼無人機影像處理結果在成圖模式中采用EPS三維測圖模式采集地形數據，將生成的正射影像和數字表面模型加載到EPS三維測圖中，生成垂直攝影立體模型，然后導入EPS三維測圖軟件，實現二、三維連動的效果，進行三維測圖工作。

2)基于實時核線重采樣的立體測圖方法

核線影像就是基于核線幾何關系，利用傾斜影像生成沿核線方向(數字影像的行方向為核線方向)排列的數字影像。實時核線重采樣是根據相對定向的結果確定核線重采樣矩陣R，在測圖過程中隨著測圖窗口不斷生成核線影像。

固定翼無人機的成果數據采集使用EPS三維測圖和航天遠景軟件立體采集結合模式進行，植被覆蓋少的地區如道路、房屋、陡坎區域采用EPS三維測圖，利用數字表面模型DSM和正射影像DOM生成的可視化三維場景可以實現測圖的精確化，尤其是能彌補以往在南方CASS等軟件中方向易畫錯陡坎方向等問題。

針對植被覆蓋部分，高程點使用EPS三維測圖的方式精度無法保證，需使用航天遠景軟件立體采集作為補充，即利用糾正好的影像和空三結果恢復立體像對，利用實時核線影像立體采集植被的間隙部分碎步點，由于測區一般較大，而影像覆蓋的面積又相對較小，因此一般采集中采用實時核線重采樣方法，即在測圖的模式下，影像在漫游的過程中，當視口判斷需要更新影像塊時，在內存中加載所需影像塊并同時對影像塊進行核線重采樣，這樣減少了人工干預核線影像生成，提高了作業效率。

本工程使用EPS三維測圖和航天遠景軟件立體采集結合模式進行三維測圖，能在最大限度保證精度的情況下提高工作效率。

4 精度評價

在固定翼無人機航飛測區和旋翼無人機航飛測區內的DSM成果中道路、建筑物、陡坎等裸露地物處分別選擇了236個和51個同名的特征點，并將野外實地測量的數據和獲取的數據進行比較分析，所得結果如圖5～圖6所示。

圖5 野外實測和固定翼無人機數據精度對比圖

圖6 野外實測和旋翼無人機數據精度對比圖

根據DL/T 5138—2014《電力工程數字攝影測量規程》(以下簡稱《規程》)第10.1.2條規定，DEM成果的精度用格網點的高程中誤差表示，高程中誤差應按式(3)計算。

式中：mh代表模型的高程中誤差，m；n代表檢查點個數；Δi代表高程較差，m。

則固定翼成果：

旋翼無人機成果：

此工程區域地形類型為丘陵，根據《規程》第10.3.2條，場站工程數字高程模型高程中誤差精度指標要求，見表1所列，1∶1 000比例尺DSM高程中誤差限差為0.5 m，模型精度滿足中的規范測量精度要求。

表1 數字高程模型精度指標 m

5 結論

本文根據工程特性采用2種航飛手段結合及多技術手段處理成果數據的方法，在保證成果可靠性的同時提高了光伏電站地形圖成圖的工作效率，并根據實際作業過程總結兩種航飛及相應技術處理手段的優劣，得出以下結論。

1)固定翼無人機航攝和旋翼無人機航攝較常規航攝系統具有靈活性高和成本低的優點。

2)固定翼無人機航攝系統較旋翼無人機航攝系統作業有效時間長，適用于作業面積相對較大區域，在植被覆蓋區域其成果可采用航天遠景軟件立體采集，高程精度可靠性更好。

3)旋翼無人機航攝系統較固定翼無人機航攝系統受天氣影響較小、靈活性更高，適用于小面積作業，但成果在植被覆蓋區域高程精度可靠性不高。

4)后續可對植被覆蓋度較高區域采用無人機搭載激光雷達技術手段嘗試。