基于無人機(jī)影像的INPHO航測(cè)系統(tǒng)在風(fēng)電工程中的應(yīng)用

楊雪雯

摘 要：隨著我國(guó)風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度的加快，基于傳統(tǒng)的電力勘測(cè)設(shè)計(jì)模式已不能滿足目前風(fēng)電發(fā)展要求。無人機(jī)航空攝影技術(shù)是現(xiàn)階段非常前沿的技術(shù)，其高機(jī)動(dòng)性、高度集成和低成本等特點(diǎn)使其在各個(gè)領(lǐng)域的勘測(cè)設(shè)計(jì)中有著成熟的應(yīng)用。INPHO航測(cè)系統(tǒng)高精度、高效率、高度自動(dòng)化的特點(diǎn)使其在4D產(chǎn)品的生產(chǎn)制作中有極大的優(yōu)勢(shì)，大大提高了內(nèi)業(yè)生產(chǎn)的效率以及產(chǎn)品成果的質(zhì)量。該文以福建某一風(fēng)電工程為例，對(duì)基于無人機(jī)影像的INPHO航測(cè)系統(tǒng)空三加密的流程進(jìn)行介紹，并對(duì)其在微觀選址、道路路徑設(shè)計(jì)等方面勘測(cè)應(yīng)用的技術(shù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行總結(jié)。

關(guān)鍵詞：無人機(jī) 航測(cè) INPHO 風(fēng)電場(chǎng)

中圖分類號(hào)：P23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）12（b）-0080-02

風(fēng)電以其可再生和清潔等特點(diǎn)，已經(jīng)引起國(guó)家的重視，風(fēng)電場(chǎng)已在電力行業(yè)中占有一席之地。近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及航空攝影測(cè)量技術(shù)在勘測(cè)領(lǐng)域的不斷深入，基于無人機(jī)的航空攝影測(cè)量技術(shù)目前已被廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)中。

福建省地處中國(guó)東南沿海，有著“依山傍?！钡牡乩硖攸c(diǎn)，九成陸地面積為山地丘陵地帶，臺(tái)灣海峽“狹管效應(yīng)”賦予了福建得天獨(dú)厚的風(fēng)力發(fā)電條件。但也正因?yàn)檫@些地理特點(diǎn)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的勘測(cè)工作帶來一定的難度。

基于無人機(jī)影像在INPHO平臺(tái)上的攝影測(cè)量技術(shù)是目前一種較新的測(cè)繪科技手段，以其快速獲取測(cè)區(qū)影像數(shù)據(jù)及其處理的特點(diǎn)，對(duì)中小測(cè)區(qū)尤其風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)前期勘察設(shè)計(jì)具有明顯的優(yōu)勢(shì)和重要意義。

1 無人機(jī)航攝技術(shù)簡(jiǎn)介

無人機(jī)航攝系統(tǒng)是一種小型、先進(jìn)技術(shù)與設(shè)備高度集成的系統(tǒng)，與常規(guī)航攝系統(tǒng)相比具有以下特點(diǎn)：（1）執(zhí)行任務(wù)快捷、高效、輕便。（2）無需機(jī)場(chǎng)起降。（3）高度集成了飛行平臺(tái)、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、飛機(jī)控制裝置、通訊裝置和數(shù)碼傳感器及慣性導(dǎo)航測(cè)量裝置（IMU）。（4）較低的天氣條件要求。（5）維護(hù)簡(jiǎn)單便捷。（6）工程安全風(fēng)險(xiǎn)較低。

2 INPHO系統(tǒng)介紹

INPHO系統(tǒng)是國(guó)際著名的專業(yè)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，由斯圖加特大學(xué)阿克曼教授創(chuàng)建于德國(guó)，1980—1990年提供空三和地形建模產(chǎn)品，1990—2000年成為數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的組件供應(yīng)商，提供地形自動(dòng)化提取和自動(dòng)化三角測(cè)量的產(chǎn)品。其中包括MATCH-AT——空三加密、Match-T DSM——自動(dòng)且精確提取DTM/DSM，OrthoMaster——影像正射糾正，Ortho Vista——自動(dòng)高效的影像鑲嵌勻色等模塊等。與其他攝影測(cè)量系統(tǒng)比較，有很多獨(dú)到之處，其連接點(diǎn)匹配算法是基于特征級(jí)和最小二乘匹配相結(jié)合的多級(jí)影像金字塔匹配算法，其高精度、高效率的匹配特征能夠保證每張像片超過100個(gè)匹配的連接點(diǎn)，自動(dòng)匹配有效連接點(diǎn)的功能強(qiáng)大，即使在沙漠森林等紋理比較弱的區(qū)域也可以很好地進(jìn)行匹配，有效提高數(shù)字?jǐn)z影、測(cè)量、制圖的質(zhì)量、速度，對(duì)數(shù)字影像糾正、拼接、數(shù)據(jù)處理也有良好的效果，大大減少了人工參與度，提高工作效率。

3 工作流程

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

生產(chǎn)數(shù)字正射影像圖之前，需要進(jìn)行以下數(shù)據(jù)測(cè)量工作：通過無人機(jī)獲取測(cè)量區(qū)域航片影像；通過布設(shè)一定密度的像控點(diǎn)來調(diào)整成圖精度，在野外選取像控點(diǎn)時(shí)需要選擇地理環(huán)境特別區(qū)，測(cè)量實(shí)際三維坐標(biāo)，幫助空中三角進(jìn)行平差解算，像片主距、像點(diǎn)坐標(biāo)、框標(biāo)坐標(biāo)。

3.2 空三加密及區(qū)域網(wǎng)平差

在INPHO系統(tǒng)中進(jìn)行空三加密：在系統(tǒng)中開始進(jìn)行新建工程（相機(jī)文件設(shè)置；影像引入；GPS/IMU數(shù)據(jù)引入；像控點(diǎn)引入；設(shè)置航線等）。使用自動(dòng)空三時(shí)，建立相鄰航片之間的連接結(jié)構(gòu)，并且整合所有獨(dú)立航片，創(chuàng)造成穩(wěn)定的網(wǎng)狀連接狀態(tài)。使用外業(yè)控制數(shù)據(jù)。通過數(shù)字模型自動(dòng)匹配模塊，使用高效影像匹配法，提取像對(duì)中相鄰的同名像點(diǎn)，自動(dòng)獲取像對(duì)中存在的數(shù)字模型與高程模型，為正射影像圖提供糾正數(shù)據(jù)。

進(jìn)入Match-AT模塊，選擇Postprocessing（adjustment only）進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，根據(jù)區(qū)域網(wǎng)平差后各控制點(diǎn)的殘差值進(jìn)行點(diǎn)位微調(diào)、刪除殘差較大的點(diǎn)，并通過人機(jī)交互式編輯方式使其控制點(diǎn)位盡量準(zhǔn)確，直至各控制點(diǎn)的殘差值滿足測(cè)圖精度要求。

3.3 影像糾正

數(shù)字正射影像圖糾正是通過對(duì)工程項(xiàng)目導(dǎo)入相機(jī)數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、區(qū)域高程模型等資料，對(duì)單張航片正射糾正，最終獲得單位航片區(qū)域正射影像圖。軟件的特點(diǎn)是采取通用空三處理結(jié)果與DEM數(shù)據(jù)，并且對(duì)航片之間的重疊度與糾正結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。航拍需要一定重疊度來獲取航片，根據(jù)不同光照角度、光線強(qiáng)度以及曝光條件，使糾正后的影像在色彩上達(dá)到統(tǒng)一，并且確定自然分幅圖可以無縫連接，對(duì)后期影像拼接進(jìn)行緩沖，保證影像具備均光功能。數(shù)字正射影像需要拼接工程文件，引入單片正射影像，加強(qiáng)拼接線，選擇影像較好的部分，最終裁切為符合使用要求的正射影像圖。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

4.1 數(shù)據(jù)獲取

該實(shí)驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)位于福建省某一山區(qū)內(nèi)，其地勢(shì)西北高，東南低，呈層狀傾斜，以丘陵臺(tái)地為主。最高山峰主峰海拔約789 m。地表多為矮小但通行困難的灌木，局部地表為較茂密林地。溪河短淺，多獨(dú)流入海。場(chǎng)區(qū)共有擬建風(fēng)機(jī)23臺(tái)，分為5個(gè)片區(qū)。由于距離海岸線相對(duì)較近，加上海拔高度較高，風(fēng)速相對(duì)較大，風(fēng)能資源豐富集中。較有利于利用航測(cè)法測(cè)制1∶2 000地形圖。

此次航攝設(shè)計(jì)相對(duì)飛行高度為700 m，航向設(shè)計(jì)重疊度為60%～75%，最旁向重疊度為30%～55%，采用Nikon D800相機(jī)作為航攝儀，相機(jī)焦距為36.170 67 mm。

4.2 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，像幅大小為7 360×4 912像素，像元大小4.88 μm；平均地面分辨率為0.10 m，影像色彩均勻、清晰、顏色飽和，部分影像含有少量云影，但符合相關(guān)規(guī)范的要求。

4.3 控制測(cè)量與調(diào)繪

根據(jù)飛行形狀結(jié)合實(shí)地情況，預(yù)計(jì)在各擬建風(fēng)機(jī)位中心、進(jìn)場(chǎng)道路附近以及測(cè)區(qū)外側(cè)共布平高像控點(diǎn)80個(gè)（考慮到測(cè)區(qū)植被多為樹林、草地、灌木等，大部分區(qū)域無適合作為外業(yè)控制點(diǎn)的明顯地物點(diǎn)，不能用傳統(tǒng)的方法布測(cè)外業(yè)像控點(diǎn)，因此該次以人工的方式，在航飛前對(duì)各航帶鋪設(shè)“地物點(diǎn)”標(biāo)志，主要以紅色油漆、麻袋等組成，標(biāo)志為1.5 m×1.5 m的正方形，外部以淺灰色填充，中心十字標(biāo)志尺寸為1 m×1 m，寬度為0.1 cm，顏色為白色，實(shí)地布點(diǎn)時(shí)要選擇在視野開闊，周圍無水域等可能引起影像曝光過度的位置，不能在弧形地物及高程變化較大的斜坡處布設(shè)像控點(diǎn)）。

對(duì)野外現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪：對(duì)像片上各種明顯地物作性質(zhì)、數(shù)量說明，具體調(diào)繪內(nèi)容包括居民地、道路、管線、地貌、水系等。

4.4 空三加密及數(shù)字線畫圖生產(chǎn)

采用INPHO中進(jìn)行空三加密，即經(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)平差等計(jì)算過程。區(qū)域網(wǎng)平面位置中誤差為0.3 m，高程中誤差為0.26 m。

數(shù)字高程模型（DEM）利用外業(yè)控制點(diǎn)以及空三加密成果自動(dòng)生成。

由自動(dòng)空三成果數(shù)據(jù)恢復(fù)立體模型，將地物、地貌要素的采集根據(jù)《1∶500、1∶1 000、1∶2 000地形圖要素分類與代碼》進(jìn)行人機(jī)交互式采集。因測(cè)區(qū)位于山區(qū)，其范圍內(nèi)居民地及其獨(dú)立地物相對(duì)較少，地物主要為地貌、道路及少量水系。

正射影像圖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，通過OrthoMaster模塊進(jìn)行正射影像處理即通過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從而得到單張像片的正射影像，再通過OrthoVista模塊對(duì)圖像進(jìn)行拼接處理，最終生成標(biāo)準(zhǔn)的正射影像圖。

4.5 立體模型檢查精度

將空三加密成果（外方位元素文件）導(dǎo)入海拉瓦攝影測(cè)量立體平臺(tái)中進(jìn)行精度檢查。主要通過以下兩種方式，一種是檢查控制點(diǎn)在單模型中的精度和在不同模型中的精度差異，一種是檢查野外實(shí)測(cè)的檢查點(diǎn)與模型的精度差異。通過檢查發(fā)現(xiàn)，控制點(diǎn)在單個(gè)立體模型中貼合較好，平面和高程誤差較小，且同一個(gè)控制點(diǎn)在不同立體模型中均貼合較好，模型差較??；同時(shí)，采集的野外檢查點(diǎn)在平面及高程上跟模型差別較小，符合實(shí)際工程情況要求。

5 該項(xiàng)目設(shè)計(jì)應(yīng)用分析

利用基于無人機(jī)影像在INPHO平臺(tái)上的攝影測(cè)量技術(shù)，對(duì)福建某風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行了前期勘測(cè)及規(guī)劃選址工作，綜合考慮了風(fēng)能資源、地形地貌以及交通運(yùn)輸?shù)葪l件，確定了每臺(tái)風(fēng)機(jī)的位置，以獲得風(fēng)電場(chǎng)最優(yōu)的發(fā)電量及經(jīng)濟(jì)效益。其成果數(shù)據(jù)主要應(yīng)用于：（1）風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)位排布及其容量計(jì)算；（2）風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域內(nèi)地物分類及面積統(tǒng)計(jì)研究；（3）風(fēng)電場(chǎng)區(qū)坡度分析；（4）居民地緩沖區(qū)分析和河流匯水線分析；（5）進(jìn)場(chǎng)道路的運(yùn)輸分析。

6 結(jié)語

福建地屬沿海，風(fēng)能資源豐富，但由于福建省特殊的地理環(huán)境，海拔高、植被茂密、道路交通條件差等情況，采用人工野外實(shí)測(cè)地形點(diǎn)成本高、耗時(shí)長(zhǎng)，不能滿足風(fēng)電工程預(yù)可研階段對(duì)地形資料的快速獲取要求。利用無人機(jī)機(jī)動(dòng)靈活、快速航攝等特點(diǎn)，在風(fēng)速大、海拔高的情況下正確獲取測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的高分辨率影像，通過布設(shè)一定數(shù)量的像控點(diǎn)，結(jié)合高精度、高效率的INPHO數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量軟件進(jìn)行空三加密，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)行內(nèi)業(yè)地形圖修測(cè)，高效提供了DLG等數(shù)據(jù)產(chǎn)品，精度滿足工程需求。

無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)選址等方面有著實(shí)質(zhì)性的幫助：工作效率的提高、工程周期的縮短、外業(yè)工作量的減少等等，對(duì)我國(guó)新能源的開發(fā)利用、勘測(cè)技術(shù)手段的不斷提升也有著很大的推動(dòng)作用。然而，無人機(jī)航測(cè)技術(shù)也存在一些不足：影像數(shù)據(jù)旋偏角受氣候影響不夠穩(wěn)定、影像數(shù)據(jù)量龐大、外控點(diǎn)較多等。因此，在無人機(jī)自身專業(yè)技術(shù)的提升以及針對(duì)具體項(xiàng)目的變通處理上都有著較大空間的深化研究空間。

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