基于无人机影像的INPHO航测系统在风电工程中的应用

杨雪雯

摘 要：随着我国风电项目建设进度的加快，基于传统的电力勘测设计模式已不能满足目前风电发展要求。无人机航空摄影技术是现阶段非常前沿的技术，其高机动性、高度集成和低成本等特点使其在各个领域的勘测设计中有着成熟的应用。INPHO航测系统高精度、高效率、高度自动化的特点使其在4D产品的生产制作中有极大的优势，大大提高了内业生产的效率以及产品成果的质量。该文以福建某一风电工程为例，对基于无人机影像的INPHO航测系统空三加密的流程进行介绍，并对其在微观选址、道路路径设计等方面勘测应用的技术优势进行总结。

关键词：无人机 航测 INPHO 风电场

中图分类号：P23 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（b）-0080-02

风电以其可再生和清洁等特点，已经引起国家的重视，风电场已在电力行业中占有一席之地。近年来，随着无人机技术的不断发展，以及航空摄影测量技术在勘测领域的不断深入，基于无人机的航空摄影测量技术目前已被广泛应用于电力行业中。

福建省地处中国东南沿海，有着“依山傍海”的地理特点，九成陆地面积为山地丘陵地带，台湾海峡“狭管效应”赋予了福建得天独厚的风力发电条件。但也正因为这些地理特点，对风电场的勘测工作带来一定的难度。

基于无人机影像在INPHO平台上的摄影测量技术是目前一种较新的测绘科技手段，以其快速获取测区影像数据及其处理的特点，对中小测区尤其风电场建设前期勘察设计具有明显的优势和重要意义。

1 无人机航摄技术简介

无人机航摄系统是一种小型、先进技术与设备高度集成的系统，与常规航摄系统相比具有以下特点：（1）执行任务快捷、高效、轻便。（2）无需机场起降。（3）高度集成了飞行平台、GPS导航系统、飞机控制装置、通讯装置和数码传感器及惯性导航测量装置（IMU）。（4）较低的天气条件要求。（5）维护简单便捷。（6）工程安全风险较低。

2 INPHO系统介绍

INPHO系统是国际著名的专业数字摄影测量系统，由斯图加特大学阿克曼教授创建于德国，1980—1990年提供空三和地形建模产品，1990—2000年成为数字摄影测量的组件供应商，提供地形自动化提取和自动化三角测量的产品。其中包括MATCH-AT——空三加密、Match-T DSM——自动且精确提取DTM/DSM，OrthoMaster——影像正射纠正，Ortho Vista——自动高效的影像镶嵌匀色等模块等。与其他摄影测量系统比较，有很多独到之处，其连接点匹配算法是基于特征级和最小二乘匹配相结合的多级影像金字塔匹配算法，其高精度、高效率的匹配特征能够保证每张像片超过100个匹配的连接点，自动匹配有效连接点的功能强大，即使在沙漠森林等纹理比较弱的区域也可以很好地进行匹配，有效提高数字摄影、测量、制图的质量、速度，对数字影像纠正、拼接、数据处理也有良好的效果，大大减少了人工参与度，提高工作效率。

3 工作流程

3.1 数据准备

生产数字正射影像图之前，需要进行以下数据测量工作：通过无人机获取测量区域航片影像；通过布设一定密度的像控点来调整成图精度，在野外选取像控点时需要选择地理环境特别区，测量实际三维坐标，帮助空中三角进行平差解算，像片主距、像点坐标、框标坐标。

3.2 空三加密及区域网平差

在INPHO系统中进行空三加密：在系统中开始进行新建工程（相机文件设置；影像引入；GPS/IMU数据引入；像控点引入；设置航线等）。使用自动空三时，建立相邻航片之间的连接结构，并且整合所有独立航片，创造成稳定的网状连接状态。使用外业控制数据。通过数字模型自动匹配模块，使用高效影像匹配法，提取像对中相邻的同名像点，自动获取像对中存在的数字模型与高程模型，为正射影像图提供纠正数据。

进入Match-AT模块，选择Postprocessing（adjustment only）进行区域网平差，根据区域网平差后各控制点的残差值进行点位微调、删除残差较大的点，并通过人机交互式编辑方式使其控制点位尽量准确，直至各控制点的残差值满足测图精度要求。

3.3 影像纠正

数字正射影像图纠正是通过对工程项目导入相机数据、影像数据、区域高程模型等资料，对单张航片正射纠正，最终获得单位航片区域正射影像图。软件的特点是采取通用空三处理结果与DEM数据，并且对航片之间的重叠度与纠正结果进行实时检测。航拍需要一定重叠度来获取航片，根据不同光照角度、光线强度以及曝光条件，使纠正后的影像在色彩上达到统一，并且确定自然分幅图可以无缝连接，对后期影像拼接进行缓冲，保证影像具备均光功能。数字正射影像需要拼接工程文件，引入单片正射影像，加强拼接线，选择影像较好的部分，最终裁切为符合使用要求的正射影像图。

4 工程应用实例

4.1 数据获取

该实验风电场位于福建省某一山区内，其地势西北高，东南低，呈层状倾斜，以丘陵台地为主。最高山峰主峰海拔约789 m。地表多为矮小但通行困难的灌木，局部地表为较茂密林地。溪河短浅，多独流入海。场区共有拟建风机23台，分为5个片区。由于距离海岸线相对较近，加上海拔高度较高，风速相对较大，风能资源丰富集中。较有利于利用航测法测制1∶2 000地形图。

此次航摄设计相对飞行高度为700 m，航向设计重叠度为60%～75%，最旁向重叠度为30%～55%，采用Nikon D800相机作为航摄仪，相机焦距为36.170 67 mm。

4.2 数据情况

数据经过畸变纠正、格式转换等预处理工作，像幅大小为7 360×4 912像素，像元大小4.88 μm；平均地面分辨率为0.10 m，影像色彩均匀、清晰、颜色饱和，部分影像含有少量云影，但符合相关规范的要求。

4.3 控制测量与调绘

根据飞行形状结合实地情况，预计在各拟建风机位中心、进场道路附近以及测区外侧共布平高像控点80个（考虑到测区植被多为树林、草地、灌木等，大部分区域无适合作为外业控制点的明显地物点，不能用传统的方法布测外业像控点，因此该次以人工的方式，在航飞前对各航带铺设“地物点”标志，主要以红色油漆、麻袋等组成，标志为1.5 m×1.5 m的正方形，外部以浅灰色填充，中心十字标志尺寸为1 m×1 m，宽度为0.1 cm，颜色为白色，实地布点时要选择在视野开阔，周围无水域等可能引起影像曝光过度的位置，不能在弧形地物及高程变化较大的斜坡处布设像控点）。

对野外现场进行外业调绘：对像片上各种明显地物作性质、数量说明，具体调绘内容包括居民地、道路、管线、地貌、水系等。

4.4 空三加密及数字线画图生产

采用INPHO中进行空三加密，即经过影像输入、内定向、自动生成连接点、控制点转刺、区域网平差等计算过程。区域网平面位置中误差为0.3 m，高程中误差为0.26 m。

数字高程模型（DEM）利用外业控制点以及空三加密成果自动生成。

由自动空三成果数据恢复立体模型，将地物、地貌要素的采集根据《1∶500、1∶1 000、1∶2 000地形图要素分类与代码》进行人机交互式采集。因测区位于山区，其范围内居民地及其独立地物相对较少，地物主要为地貌、道路及少量水系。

正射影像图DOM是根据单张航片的内外方位元素和数字高程模型DEM，通过OrthoMaster模块进行正射影像处理即通过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从而得到单张像片的正射影像，再通过OrthoVista模块对图像进行拼接处理，最终生成标准的正射影像图。

4.5 立体模型检查精度

将空三加密成果（外方位元素文件）导入海拉瓦摄影测量立体平台中进行精度检查。主要通过以下两种方式，一种是检查控制点在单模型中的精度和在不同模型中的精度差异，一种是检查野外实测的检查点与模型的精度差异。通过检查发现，控制点在单个立体模型中贴合较好，平面和高程误差较小，且同一个控制点在不同立体模型中均贴合较好，模型差较小；同时，采集的野外检查点在平面及高程上跟模型差别较小，符合实际工程情况要求。

5 该项目设计应用分析

利用基于无人机影像在INPHO平台上的摄影测量技术，对福建某风电场进行了前期勘测及规划选址工作，综合考虑了风能资源、地形地貌以及交通运输等条件，确定了每台风机的位置，以获得风电场最优的发电量及经济效益。其成果数据主要应用于：（1）风电场风机位排布及其容量计算；（2）风电场区域内地物分类及面积统计研究；（3）风电场区坡度分析；（4）居民地缓冲区分析和河流汇水线分析；（5）进场道路的运输分析。

6 结语

福建地属沿海，风能资源丰富，但由于福建省特殊的地理环境，海拔高、植被茂密、道路交通条件差等情况，采用人工野外实测地形点成本高、耗时长，不能满足风电工程预可研阶段对地形资料的快速获取要求。利用无人机机动灵活、快速航摄等特点，在风速大、海拔高的情况下正确获取测区范围内的高分辨率影像，通过布设一定数量的像控点，结合高精度、高效率的INPHO数字摄影测量软件进行空三加密，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内业地形图修测，高效提供了DLG等数据产品，精度满足工程需求。

无人机摄影测量技术在风电场的规划、设计选址等方面有着实质性的帮助：工作效率的提高、工程周期的缩短、外业工作量的减少等等，对我国新能源的开发利用、勘测技术手段的不断提升也有着很大的推动作用。然而，无人机航测技术也存在一些不足：影像数据旋偏角受气候影响不够稳定、影像数据量庞大、外控点较多等。因此，在无人机自身专业技术的提升以及针对具体项目的变通处理上都有着较大空间的深化研究空间。

参考文献

[1]胡海友.基于Inpho的空三加密及正射影像制作方法研究[J].铁道勘察，2013（6）：12-15.

[2]刘伟.无人机航空摄影测量技术在风电场勘测设计中的应用[J].内蒙古电力技术，2013，31（2）：75-79.

[3]孙朝阳.无人机航空摄影测量技术在风能开发勘测方面的应用[J].电力勘测设计，2011，10（5）：24-29.