無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在抽水蓄能電站場(chǎng)地布置中的應(yīng)用

王志浩

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司,成都 610066)

抽水蓄能電站是當(dāng)前技術(shù)最成熟、經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)、最具大規(guī)模開(kāi)發(fā)條件的電力系統(tǒng)綠色低碳清潔靈活調(diào)節(jié)電源,加快發(fā)展抽水蓄能,是構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的迫切要求,是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要支撐,是可再生能源大規(guī)模發(fā)展的重要保障。在全球應(yīng)對(duì)氣候變化,我國(guó)努力實(shí)現(xiàn)“2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和”目標(biāo),加快能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的新形勢(shì)下,抽水蓄能加快發(fā)展勢(shì)在必行。抽水蓄能電站,一般由上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、廠房及尾水系統(tǒng)等部分組成,通常蓄能電站建設(shè)都是在地形起伏大的山區(qū),因此構(gòu)建三維模型還原現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景對(duì)于電站規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工建設(shè)起到至關(guān)重要的作用。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影三維實(shí)景建模[1]是由無(wú)人機(jī)搭載一個(gè)或多個(gè)(通常兩個(gè)或五個(gè))數(shù)碼相機(jī)攝影系統(tǒng)來(lái)獲取多角度的地面影像,通過(guò)建模軟件對(duì)影像POS與多視影像進(jìn)行處理即可完成最終三維實(shí)景模型的建立。飛馬D2000無(wú)人機(jī)基于高精度GNSS的免像控空三處理,可以有效克服蓄能電站山高林密、外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)難的特點(diǎn)。因此,本文以浙江某蓄能電站為應(yīng)用實(shí)踐,探討基于飛馬D2000無(wú)人機(jī)傾斜攝影在抽水蓄能電站場(chǎng)地布置中的應(yīng)用。

1 項(xiàng)目測(cè)區(qū)概況

本抽水蓄能電站項(xiàng)目位于浙江省金華市,電站主要由上水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、地面開(kāi)關(guān)站及下水庫(kù)等建筑物組成。測(cè)區(qū)范圍內(nèi)高差起伏較大、植被茂密、隧洞及道路呈現(xiàn)點(diǎn)多面廣的特點(diǎn)。下水庫(kù)施工區(qū)域約3 km2,上水庫(kù)施工區(qū)域約2 km2,電站下庫(kù)區(qū)總布置見(jiàn)圖1。

圖1 電站下庫(kù)區(qū)總布置

2 航飛設(shè)備選擇與技術(shù)流程

根據(jù)項(xiàng)目的特點(diǎn),本次航測(cè)的設(shè)備最終選擇了飛馬D2000搭載OP4000傾斜攝影模塊。飛馬D2000無(wú)人機(jī)集成的高精度GNSS板卡不僅能夠同時(shí)接收北斗、GPS、GLONASS雙頻觀測(cè)數(shù)據(jù),而且基于GNSS精確授時(shí)機(jī)制和持續(xù)校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了亞毫秒級(jí)同步精度,其慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)能夠?qū)崟r(shí)記錄飛機(jī)的姿態(tài)信息,從而有效確保了POS原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。該項(xiàng)目因測(cè)區(qū)高差起伏大,通常情況下很難滿足不同海拔高度航攝分辨率的一致,飛馬D2000無(wú)人機(jī)具備的仿地飛行功能很好地解決了這一技術(shù)難題,飛行過(guò)程中根據(jù)測(cè)區(qū)海拔變化實(shí)時(shí)變高飛行,有效保證了航攝重疊度和分辨率的一致,從而保證了數(shù)據(jù)的精度。OP4000傾斜攝影模塊是全畫幅定制改裝相機(jī),結(jié)合無(wú)人機(jī)管家智能航線設(shè)計(jì),具備高質(zhì)量的側(cè)面紋理采集及高效率的作業(yè)能力;具備五相機(jī)同步曝光和逐相機(jī)打標(biāo)能力,精確獲取每個(gè)相機(jī)的精確曝光位置信息,搭配無(wú)人機(jī)管家數(shù)據(jù)處理模塊,可提供免像控高精度傾斜航攝完整軟硬件系統(tǒng)解決方案,可適配飛馬D2000、D20、V10飛行平臺(tái)。設(shè)備主要參數(shù)見(jiàn)表1和表2。項(xiàng)目航測(cè)技術(shù)流程見(jiàn)圖2。

表1 D2000規(guī)格參數(shù)

表2 OP4000傾斜模塊規(guī)格參數(shù)

圖2 項(xiàng)目航測(cè)技術(shù)流程

3 航線規(guī)劃

本次航測(cè)的測(cè)區(qū)為電站下庫(kù)區(qū)范圍,高差大、現(xiàn)場(chǎng)有多條高壓電線,為保證建模效果和安全因素考慮,本次航線規(guī)劃采用變高仿地飛行的方式。在仿地飛行規(guī)劃之前在智航線中先規(guī)劃分辨率為10 cm的預(yù)掃航線,生成DSM輔助航線設(shè)計(jì),然后在無(wú)人機(jī)管家智航線中導(dǎo)入預(yù)先生成的DSM,設(shè)計(jì)地面分辨率為2.5 cm,航向、旁向重疊度均為80 %的變高航線,相對(duì)航線為266 m,航線規(guī)劃完成后就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作,本次下庫(kù)區(qū)共飛行3個(gè)架次,影像2658張。

4 數(shù)據(jù)獲取

4.1 像控點(diǎn)布設(shè)

本次像控點(diǎn)采集直接采用千尋CORS網(wǎng)絡(luò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)的7個(gè)像控點(diǎn)[2-3]進(jìn)行測(cè)定。為保證測(cè)量精度,每個(gè)像控點(diǎn)采集20個(gè)平滑值,共采集4測(cè)回,每測(cè)回間平面誤差小于2 cm,高程誤差小于3 cm,取4測(cè)回平均值作為像控點(diǎn)坐標(biāo)。

由于在山區(qū)作業(yè),像控點(diǎn)布設(shè)過(guò)程中充分考慮地形變化的影響,確保測(cè)區(qū)山坡、山谷均有點(diǎn)位覆蓋。并且對(duì)識(shí)別度較高的地物采集部分點(diǎn)位作為模型精度的檢查點(diǎn),針對(duì)方便的道路等位置像控點(diǎn)優(yōu)先采用斑馬線標(biāo)志或者“L”形噴漆的內(nèi)角進(jìn)行測(cè)量,在不便識(shí)別的山坡、灌木等區(qū)域采用“十”字膠帶布設(shè)像控。

4.2 數(shù)據(jù)采集

利用飛馬無(wú)人機(jī)管家智飛行軟件打開(kāi)智航線規(guī)劃好的測(cè)區(qū)任務(wù),連接電臺(tái)和飛機(jī),登錄千尋CORS網(wǎng)絡(luò),檢查對(duì)應(yīng)的設(shè)置即可點(diǎn)擊飛行,飛機(jī)將按照預(yù)設(shè)的航線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。無(wú)人機(jī)在起飛前要確保起降場(chǎng)地的空曠,仔細(xì)檢查地面站、飛行平臺(tái)、電池電量等。飛機(jī)降落之后把飛機(jī)的POS數(shù)據(jù)和航拍的照片進(jìn)行拷貝,檢查數(shù)據(jù)的完整性。

5 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

5.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

首先,需要對(duì)下載的機(jī)載POS數(shù)據(jù)利用無(wú)人機(jī)管家內(nèi)部的智理圖中的GPS處理功能把飛機(jī)的POS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的Renix格式;然后,利用GPS解算功能下載基準(zhǔn)站文件;隨后,進(jìn)行融合PPK差分后處理,進(jìn)而得到精準(zhǔn)的POS坐標(biāo)信息。利用快速圖像整理工具將照片和POS一一對(duì)應(yīng),去除冗余影像,視外業(yè)拍攝的照片情況選擇對(duì)原始影像進(jìn)行勻光、勻色、亮度增強(qiáng)等。

5.2 影像數(shù)據(jù)處理

本次航測(cè)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理采用瞰景Smart3D進(jìn)行處理,導(dǎo)入影像照片2658張,檢查POS信息與圖像一一對(duì)應(yīng),相機(jī)參數(shù)正確后,即可對(duì)影像提交第一次空三運(yùn)算。瞰景Smart3D通過(guò)對(duì)多視角影像提取同名像點(diǎn),軟件自動(dòng)匹配同名點(diǎn),根據(jù)同名點(diǎn)求解出每個(gè)影像的位置和姿態(tài)?？杖馑銟?biāo)定照片之后即可導(dǎo)入外業(yè)采集的像控點(diǎn)再利用像控點(diǎn)約束平差空三結(jié)果,每個(gè)像控點(diǎn)需要刺至少4～5張照片,并且盡可能保障像控點(diǎn)的視角在照片的中間。

當(dāng)空三精度合格后,重新提交任務(wù)進(jìn)行重建三維實(shí)景模型[4],根據(jù)電腦配置選取瓦塊大小,根據(jù)項(xiàng)目要求選擇精度進(jìn)行處理。瓦塊大小要根據(jù)實(shí)際電腦配置進(jìn)行選擇,填寫合適的數(shù)值使得運(yùn)行效率達(dá)到最佳,選取需要成圖的瓦塊或?qū)敕秶匀コ舳嘤嗟某蓤D面積,減少不必要的工作。待軟件把所有的瓦塊都處理完成,即可瀏覽三維模型。

表3 檢查點(diǎn)精度

由表3可見(jiàn)傾斜模型的精度滿足《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》(CH/T 9015-2012)中規(guī)定的要求。

6 蓄能電站布置套合與場(chǎng)地布置優(yōu)化應(yīng)用

生成的傾斜模型OSGB數(shù)據(jù)格式可以支持多平臺(tái)的數(shù)據(jù)共享,結(jié)合電站總體布置的平面圖,可以直觀地分析場(chǎng)地布置的合理性、臨時(shí)施工道路的坡度等信息。相比傳統(tǒng)的地形圖在整體布置上傾斜模型具有直觀、精準(zhǔn)、方便修改優(yōu)化的優(yōu)勢(shì),同時(shí)傾斜模型具有高程信息可以計(jì)算場(chǎng)地的填挖方量、進(jìn)而實(shí)現(xiàn)土方的平衡[5],實(shí)踐應(yīng)用見(jiàn)圖3場(chǎng)地土方平衡分析。在設(shè)計(jì)規(guī)劃階段可以利用傾斜模型對(duì)電站臨時(shí)生產(chǎn)設(shè)施用地做整體布置;在施工準(zhǔn)備階段因多數(shù)場(chǎng)地布置屬于一般項(xiàng)目中的總價(jià)承包項(xiàng)目,合理優(yōu)化場(chǎng)地布置方案能夠降本增效。

圖3 場(chǎng)地土方平衡分析

通過(guò)本次生產(chǎn)的傾斜模型在浙江某蓄能電站上融合設(shè)計(jì)規(guī)劃階段的場(chǎng)地布置圖,施工單位對(duì)業(yè)主交付的9塊臨時(shí)設(shè)施場(chǎng)地布置進(jìn)行了場(chǎng)平的優(yōu)化調(diào)整,對(duì)部分場(chǎng)地位置進(jìn)行調(diào)整,大大節(jié)約了成本。

7 結(jié)論

本工程把飛馬D2000無(wú)人機(jī)生成的傾斜模型較好地與蓄能電站場(chǎng)地布置有效地結(jié)合。通過(guò)項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)踐,證明了飛馬D2000無(wú)人機(jī)在高差起伏大的山區(qū)作業(yè)的優(yōu)勢(shì),作業(yè)效率大大提高,生產(chǎn)的傾斜模型精度滿足《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》(CH/T 9015-2012)中規(guī)定的要求,并且可以輔助優(yōu)化蓄能電站場(chǎng)地布置,為蓄能電站參建各方提供技術(shù)借鑒。