无人机航空摄影测量技术在风能开发勘测方面的应用

孙朝阳，郑彦春，徐秀云

(1.北京洛斯达数字遥感技术有限公司，北京 100120；2. 北京威特空间科技有限公司，北京 102628)

无人机航空摄影测量技术在风能开发勘测方面的应用

孙朝阳1，郑彦春1，徐秀云2

(1.北京洛斯达数字遥感技术有限公司，北京 100120；2. 北京威特空间科技有限公司，北京 102628)

随着我国经济社会发展，资源与环境问题已成为我国经济和社会发展所面临的重要问题，对风能的大力开发可缓解这一矛盾。而无人机航摄技术是一种新的、高效的风能开发勘测技术手段。本文对无人机技术的特点及应用现状做了简单分析，以工程应用为实例，对无人机航摄数据处理的整个作业流程做了介绍，分析了DEM、DLG、DOM产品生产方法，运用外业实测数据检测了DLG、DOM成果精度情况，并对其成果数据的应用形式做了简单阐述。最后对无人机航摄技术在风电开发方面的勘测应用做了总结。

无人机 ；航空摄影测量；风电场 ；精度。

1 概述

能源是经济和社会发展的重要基础，目前我国能源消费以煤炭为主，由此造成的生态、环境问题十分突出。随着我国经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，对能源的需求还将不断增加，资源与环境问题已成为我国经济和社会发展所面临的重要问题。而风能是可再生的清洁能源，开发风电是有效增加能源供给能力，缓解资源与环境矛盾，实现能源可持续发展、低碳经济增长的重要举措。

云南地处中国西部，海拔高，山区地形多，随着海拔高度的增加风速增加较快，风能资源非常丰富。根据规划，目前云南规划的风能发电场达数十个。但这些地区普遍存在缺乏现成、较新的基础地形图资料，使得规划设计工作受到一定影响。因此需要对这些场址区域进行勘测工作，得到较新的基础地形图数据。

如何获取这些数据，一般来说可以通过实地外业工测的方式测绘地形图，或者通过常规航空摄影测量，内外业结合的方式进行测绘地形图。但这两种方式工期都较长，难以满足工程规划设计需求。而无人机航空摄影测量技术是目前一种较新的测绘技术手段，可满足快速获取测区影像数据，生产DEM、DLG、DOM等产品的需求，为中小测区特别是风能利用风电场建设前期勘察设计提供了有效的航测遥感技术服务手段。

2 无人机航摄技术简介

无人机航空摄影测量是以无人驾驶飞机作为空中平台，以机载高分辨率CCD数码相机、摄像机等获取影像或视频信息，用航空摄影测量工作站对图像信息进行处理，并按照一定精度要求制作成地形图、数字高程模型、正射影像图等系列3D产品。是集成了高空拍摄、遥控、遥感、以及航空摄影测量的新型应用测绘技术。无人机系统结构简单、机动灵活、使用成本低，不但能完成有人驾驶飞机执行的任务，更适用于有人飞机不宜执行的任务。

2.1 无人机航摄技术特点

无人机航摄系统是一种小型的、各种先进技术和设备高度集成的系统，与常规航摄系统相比，一般具有以下特点：

①无需专业机场起降；②执行任务方便快捷、高效，携带方便，易于转场。③系统体积小但集成度高。无人机机翼、机身长一般2m～3m，系统集成了飞行平台、全球导航卫星系统设备、飞行控制装置、通讯系统以及数码相机传感器等，以及惯性导航测量装置(IMU)，各种设备技术的发展和系统整体集成技术相对成熟。④天气条件要求相对较低。⑤影像分辨率高、现势性强。⑥系统维护相对简单。⑦工程安全风险相对较低。

2.2 无人机摄影测量技术应用现状

随着计算机技术、自动控制技术、数字通讯技术、数码相机技术、3S技术的发展，无人机航摄技术也得到了迅速发展，是航测遥感领域的有效补充。无人机航摄技术的成熟与民用领域需求的不断扩大，使得该技术已渗入到民用领域的各个行业，无人机航摄系统可应用于国家基础地图测绘、数字城市建设、通信站点建设、国土资源调查、土地地籍管理、城市规划、突发事件实时监测、灾害预测与评估、城市交通、网线铺设、数字农业、测绘、环境治理、生态保护、森林管理、矿产开发等领域，对国民经济的发展具有十分重要的现实意义。

3 工程应用实例——云南省楚雄州某风电场规划1:2000地形图测绘

3.1 数据获取

云南省楚雄州某风电场规划工程测区地势北低南高，海拔分布为1450m～2750m，平均海拔在2350m左右，地形高差大。

本测区航空摄影采用无人机搭载PHASE ONE P45+相机进行航拍，航摄时间2010年5月27日～30日，采用45.4073mm镜头航拍，其平均相对航高为900m，航飞比例尺为1:20000，成图比例尺1:2000，共飞行6个架次。

3.2 数据情况

数据经过畸变纠正、格式转换等预处理工作，共获取有效航片1813张。像幅：7216像素×5412像素(49mm×36mm)，像元大小：6.8μm；平均地面分辨率为0.17m。影像色彩均匀、清晰，颜色饱和，无云影和划痕，层次丰富，反差适中。

3.3 外业控制测量与调绘

本工程外业控制调绘前，先经过相对定向处理，利用提供的粗略POS数据，进行了空三加密，然后进行无缝镶嵌，生成大幅面影像，进行冲洗，供外业控制测量和调绘使用。

3.4 基础控制测量

本次控制测量采用静态GPS观测按照GPS E级精度要求施测，共收集7个已知点，埋设49个基础控制点。

3.4.1 像片控制点布点方案

根据CH/Z 3004-2010规范附录A公式计算精度预估，见表1。

表1 平面、高程精度预估值

参考CH/Z 3003-2010规范，成1:2000地形图山地地形时的平面检查点限差为2.5m，山地高程检查点的限差为2.0m。因此按照平面2.5m、高程2.0m限差要求进行布点。结合本文表1数据，即平面控制航向间隔基线数不大于20条基线，高程控制航向间隔基线数不大于15条基线。

3.4.2 像片控制点测量

航向方向按照间隔不超过15条基线布设一对平高控制点，为提高高程精度，15条基线之间增测高程控制点。旁向方向按照2-4条基线进行布设。布点能有效控制住成图范围，测段接头处无漏洞。选刺在像片航向及旁向重叠六片(五片)范围内，并且相邻各片都清楚。共测量平高像控点95个。

图1 像控点布设示意图

3.4.3 野外调绘

采用综合判读调绘法，也就是先室内判读调绘、后野外检核、调查和定性，最后室内清绘整饰的方法。利用制作正射影像图(DOM)按1:2000比例尺进行打印，通过野外现场核实进行外业调绘定性，内业测绘定位。对像片上各种明显的、依比例尺表示的地物，调绘只作性质、数量说明，其位置、形状以内业立体模型为准。

调绘内容主要包括居民地及设施，交通信息、管线、地貌、植被及土质、地理名称等。

3.5 空三加密及地形图测绘

3.5.1 空三加密

空三加密采用德国INPHO全数字摄影测量工作站完成，空三加密经过影像输入、内定向、自动生成连接点、控制点转刺、区域网平差计算过程。

为了提高空三精度和提高作业效率，本项目按两个加密区作作业。像点匹配精度为1.8um，收敛值接近1/4个像素。满足规范要求，最后输出空中三角测量成果。

3.5.2 地形图测绘及修侧

(1)立体模型下数据采集

由空三成果数据恢复立体模型，地物、地貌要素的采集按编码分层进行采集，分类码执行《1:500、1:1000、1:2000地形图要素分类与代码》。测区内居民地及独立地物较少，主要是地貌部分的要素还有少量的道路及水系要素。

(2)图形编辑

作业平台比例尺设置、线型、符号库正确后，将摄影测量工作站采集的图形数据转换成正确的CAD数据(*.dwg)；再通过地形图转换文件转换成CASS格式，转换完成后参照调绘片检查地物遗漏；以上无误后把调绘、外业补测内容上图(包括：线路、注记、独立地物、植被)并处理图面关系、点线矛盾、及图廓整饰。

(3)地形图修侧

将外业测量的实测检查点导入立体平台，进行数据平面高程精度检查，发现精度不满足要求的地方，利用外业数据对内业数据进行修侧。被利用修侧的外业点数据不再作为检查点进行图形检查。

图2 无人机航测数据正射影像图、正射影像叠加地形图、地形图

3.5.3 DEM、DOM产品生产

由于是利用立体采集数据生成的格网间距为5.0m×5.0m的DEM，精度取决于地形图精度，而且没有再次接边的工作。但是由于是内插生成的DEM，精度会降低一些。

DOM是根据单张航片的内外方位元素和数字高程模型DEM，采用微分纠正软件对各个模型的数字化航空像片进行影像重采样，纠正影像因地面起伏、飞机倾斜等因素引起的失真，把中心投影转换为垂直投影，从而得到单张像片的正射影像。单片正射影像经调色、匀光、镶嵌、裁切、检查编辑等步骤，生成标准分幅的正射影像图。

3.6 精度检查

3.6.1 地形图精度检查

抽查10个图幅(50cm×50cm)，利用外业实测的120个平面检测点，652个高程检测点，在立体平台下进行观测，求得其较差，经计算，具体差值分布见表2和图3、图4。

图3 平面检查点误差分布图(0.1m间距)

图4 高程检查点误差分布图

3.6.2 DOM精度检查情况

DOM精度检查情况见表3。从表3中的数据可以看出DOM精度较好，满足规范要求。

表3 DOM精度检查统计

4 无人机航摄数据用于风电场规划设计应用分析

利用无人机航摄相关数据产品，进行了楚雄某风电场建设规划选址，综合考虑风能资源、联网条件、地形地貌和交通运输等条件，确定每台风机的位置，以获得风电场最大的年发电量和最佳经济效益，实现风电场的最优选址，从而达到合理建设风电场、有效利用风能的目的。利用其成果数据的主要应用方面有：

①风电场风机排布及其容量计算；②通过解译等技术，进行风电场土地利用类型和地表粗糙度的确定；③风电场区地物分类和高度平台及面积统计研究；④风电场区坡度分析；风电场区坡向分析；⑤风电场区剖面分析；⑥居民地缓冲区分析和河流汇水线分析；⑦进场道路的运输分析；⑧不同排布方式下的尾流系数的GIS分析等等。见图5。

图5 无人机航摄成果的应用

5 总结

利用无人机机动、快速航摄等特点，成功完成了海拔高、风速大等条件下的无人机航空摄影。使用无人机获取的高分辨率影像，通过布设一定的像控点，再进行空三加密处理，在航测数字测图系统中进行地形图测绘，并结合外业调绘数据、外业检测点数据进行地形图修测，高效提供了DLG、DEM、DOM等丰富的数据产品，精度满足规范要求。无人机航摄技术在风电场规划、勘测设计等应用方面可以提高工作效率，促进勘测技术水平的创新，有效缩短工程周期，减小外业劳动强度。该技术的成功应用丰富了新能源开发勘测技术手段，有助于推动我国新能源的开发利用。但是无人机摄影测量技术在应用上还存在一些问题，由于像幅小，造成野外像片控制测量、空三加密、立体采集等工作量数倍增加，需要进一步研究。

[1] 李兵，等.无人机摄影测量技术的探索与应用研究[J].北京测绘，2008，(1).

[2] 郑团结，等.无人机数字摄影测量系统的设计与实现[J].计算机测量与控制，2006，14(5).

[3] 程崇木，张俊华，孙炜，等.固定翼无人机航空摄影测量精度探讨[J].人民长江.2010，(11).

[4] 郑小兵，郑彦春，张红军，蔡山.无人机摄影测量技术用于电力勘测工程的探索与设想[J].电力勘测设计.2009，(6).

[5] 韩文军，雷远华，周学文.无人机航测技术及其在电网工程建设中的应用探讨[J].电力勘测设计.2010，(3).

[6] CH/Z 3004-2010，低空数字航空摄影测量外业规范[S]. 测绘出版社.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

孙朝阳(1980- )，男，湖北汉川人，工程师。