无人机倾斜摄影测量技术在光伏电站勘察中的应用

张艳秋 李艳芳

摘 要：光伏电站的勘察是光伏电站建设的关键环节，光伏电站站址的测图与传统意义的地形图测绘不同，不仅要获取高精度的地表地貌特性的点位位置，也要获得地表的地质信息，初判覆盖层厚度、落水洞和不良地质的发育程度。通过无人机倾斜摄影技术构建光伏电站场区三维实景模型，通过实景三维模型获取地物的地形要素和地表的地质纹理信息，证明了三维测图效率高、生产成本低、周期短、成果丰富，极大提高了光伏电站勘察设计的效率。

关键词：无人机;倾斜摄影;三维建模;光伏电站

中图分类号：P231 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）23-0036-04

Abstract： The survey of photovoltaic power station is a key link in the construction of photovoltaic power station. The mapping of photovoltaic power station site is different from the topographic mapping in the traditional sense. It is necessary to obtain not only the point location of high-precision surface geomorphic characteristics， but also the geological information of the surface， and preliminarily judge the thickness of overburden， the development degree of sinkhole and adverse geology. The UAV tilt photography technology is used to generate the three-dimensional real scene model of the photovoltaic power station site， and the terrain elements of the ground objects and the geological texture information of the surface are obtained through the three-dimensional real scene model. The three-dimensional modeling has high efficiency， low production cost， short cycle and rich achievements， which greatly improves the efficiency of the survey and design of the photovoltaic power station.

Keywords： UAV;oblique photography;3D real scene model;photovoltaic power station

随着经济的高速度和高质量发展，电力工程建设力度也在不断加强，绿色电力能源的开发越来越受到社会的关注，其中光伏电站建设成为国家鼓励力度最大的项目之一。2015年，国务院扶贫办把光伏扶贫列为我国十大精准扶贫工程之一。合理利用贫困地区丰富的太阳能资源，既能实现扶贫开发，又可以将清洁新能源利用和节能减排相结合。然而，我国复杂的地质条件为光伏电站站址的选择带来了很大挑战。光伏电站站点的阵列与一般建构筑特点不同，场地的勘察更应针对其特点采取灵活的方案[1]，因此合理确定站点位置具有重要意义。扶贫光伏电站建设要充分利用现有资源，以为贫困地区人民提供创业、就业岗位和资金收入为目的，提高光伏电站建设的经济和社会效益。扶贫电站勘察设计具有工作量大、要求高、工期短等特性，传统的人工测图周期长、成本高，在时间节点上很难满足工程建设的工期要求。

无人机倾斜摄影是近年来兴起的一门新技术，在城市三维建模、生态环境保护、资源调查等领域得到了广泛应用[2]，但在光伏电站勘察方面还未发挥独特优势。本研究拟将无人机倾斜摄影测量技术用于光伏电站站址选择的前期勘察中，利用无人机搭载高清摄像机获取场区的多视角影像数据，再用Smart3D建模软件建立研究区三维实景模型和裸眼三维测图获得地形要素和地表纹理信息，具有建模速度快、精度高、费用低以及工期短等优点。结合研究区的地质条件，选择合适的光伏电站位置，可以免去外业现场勘察不良地质区域的麻烦，极大提高生产效率，降低成本，最重要的是能够达到光伏电站勘察设计精度的要求，在未来推动光伏电站勘察设计的转型和升级，提升光伏电站勘察的效率。

1 无人机倾斜摄影测量技术简介

1.1 技术简介

倾斜摄影技术是测绘领域近年来新兴的对地观测技术。与传统航空摄影测量只从垂直角度拍摄地物不同，其利用无人机作为平台搭载多角度摄像机，分别从一个垂直和多个倾斜角度拍摄同一地物的影像[3]，利用专业数据处理软件对倾斜影像数据进行图像密集匹配，快速生成地物表面三角网模型（Triangulated Irregular Network，TIN）[4]，實现三维实景模型构建，进而直接读取地物的外观、位置、高度等属性信息[5-6]。以无人机为平台的倾斜摄影测量技术，能够以大范围、高精度、高清晰的方式，更加全面地感知复杂场景，大大降低了三维建模成本。通过采集多样化、多角度的数据形式，将获取的影像数据进行自动化建模，同时对局部区域进行调整，将实景模型和倾斜摄影获得的影像结合到一起获取一体化的测图环境，大大降低了野外调绘的工作量，保证了地形图的测制质量。

1.2 系统构成

无人机倾斜摄影主要由3个系统构成。

1.2.1 飞行平台。低空航空摄影使用的航测无人机不受场地的限制，并且能在航摄过程中保持飞行的稳定性。为了兼顾效率，本项目优先选用六旋翼无人机，搭载高性能传感器，自动化、智能化同步记录拍摄时的位置和姿态等信息。

1.2.2 传感器。传感器由多镜头相机和GNSS定位装置组成。为了建立三维实景模型，且保证拍摄对象立面影像信息的可用性，倾斜摄影获取影像时通常以45°为优，从5个方向获取目标地物的实景信息，包括1个垂直方向和4个侧面方向[7-9]。

1.2.3 三维模型建立软件处理系统。以Smart3D为代表的人机交互半自动三维建模软件，通过在获得的目标区域倾斜影像上进行同名点提取、多视角匹配、三角网构建以及纹理映射等操作步骤，实现把简单连续的倾斜摄影影像转换成实景真三维模型，且不需要太多的人工干预，既保证了精度又提高了建模效率。

2 研究区自然地理概况

项目研究区位于我国西部山区，青藏高原东边，陇西盆地西缘，主要由黄土山区和砂粒岩壑区组成，属黄土丘陵沟壑区第四副区，地势东北高、西南低，海拔悬殊，河谷纵横，山川交错，地形复杂，交通条件极差，经济发展落后。建立光伏电站，把光伏应用和农村资源有效结合，不仅可以解决当地居民的用电难题，而且可以通过剩余电能源的输出，帮助当地居民致富。

3 光伏电站倾斜摄影测量技术流程

扶贫光伏电站不仅要测绘地形要素，还要获取地表地质信息。它的作业流程主要包括测区资料收集、布设像控点布设、航线布设、航飞任务实施、倾斜数据处理、要素信息提取等步骤，技术流程如图1所示。

3.1 测区资料收集

本次需要建立扶贫光伏电站的地区是西部山区，地形复杂，研究难度大。光伏电站建立前，收集相关的测区资料至关重要。一方面需要收集光伏电站建立的相关信息，分析光伏电站建设的相关要求;另一方面，收集研究区已有的航摄资料、基础控制点资料、各种地图资料，包括相关地形图、交通图、水利图、行政區划图、地名录以及地质图等。

3.2 像控点布设

根据航测区域的范围和地形地貌，确定需要布设的像控点位置和数量，对航测数据后期处理的精度影响巨大。因此，选择和布设像控点要尽量规范、严格、精确，布设结果如图2所示。在飞行前，现场进行撒白灰作业[10]。地面标记点选在地形平坦且颜色反差较大处，地面白灰标记为15 cm的L形拐角。拐角要清晰，不能出现模糊或圆润的情况。做好地面标记后，利用CORS接收机按照室内规划好的点号现场实时采集信息。如果现场地面标记与室内布点位置不符，应做好现场记录，以便内业工作人员空三加密时对照刺点。电力线路标高严重影响光伏电站组件布置设计，在布设像控点的同时，实测电力线路的准确位置和高程等属性信息。

3.3 航飞任务实施

实施无人机航飞前，制定详细的飞行计划必不可少。预估航飞过程中可能出现的紧急情况，制定航飞应急预案。在确保飞行安全的前提下，可实施云下摄影，并保证在风力小于5级的情况下飞行，设定航向重叠度80%、旁向重叠度70%，这样就能得到稳定、高清的地面倾斜摄影原始数码影像和照片拍摄点的空间位置坐标与姿态信息，航线布设结果如图3所示。

3.4 倾斜数据处理

倾斜数据处理主要包括原始影像预处理、POS数据解算、空三加密、密集匹配以及生成实景三维模型。利用倾斜摄影测量数据建立三维模型的详细流程包括像控点坐标导入、坐标系匹配、像控点刺点、空中三角测量以及三维模型建立，如图4所示。

其中，空三加密是倾斜摄影测量数据处理的核心，其精度直接影响三维实景模型的精度。图5为无人机倾斜摄影相片经过预处理、POS数据解算、空三加密流程后生成的测区高精度三维实景模型图。

3.5 要素信息提取

地形要素的提取依赖模型的点位信息和纹理信息的质量。倾斜摄影测量的重要成果还包括三维网格、数字正射影像、数字表面模型等。结合外业调绘成果和航飞前布设的像控点，在实景三维模型上标注重要的地物和高程点，准确高效地提取地形和地质要素信息，绘制成1∶1 000比例尺的地形图，如图6所示。

3.6 几何精度验证

为了保证光伏电站勘察的准确定和可靠性，本项目共布设了15个像控点。场区地形图绘制完成后，选择20个点作为检查点（GCD1～GCD20），按照《电力工程数字摄影测量规程》（DL/T 5138—2014）要求，检查地形图的地理精度、数学基础、平面精度、高程精度、数据及结构完整性等内容，其中对地物点的平面坐标和高程值进行精度检查，如表1所示。

经过计算，检查点的平面中误差为[Ms=±ΔX2+ΔY2/20][=±4.3]cm，高程中误差为[Ms=±i=120ΔH2/20=±6.8] cm，测图结果满足《电力工程数字摄影测量规程》中（DL/T 5138—2014）1∶1 000比例测图的精度要求，可以作为光伏电站位置确定的底图数据。

3.7 光伏位置确定

西部山区的光伏电站一般都位于低中山区或山前黄土丘陵，根据绘制的场区地形图，结合交通设施、管线设施、水系设施、地貌土质、植被纹理、市政部件、覆盖层厚度、落水洞以及不良地质的发育区域等要素进行光伏组件的位置设计。图7为局部设计图，提供给新能源工程设计单位作为光伏位置确定的参考。

4 结语

倾斜摄影技术改变了传统只有正射投影的航空摄影测量模式，有利于解决工作人员难以抵达地区（如山地等）的测图问题，从而降低了野外测量作业难度。利用无人机倾斜摄影技术获取测区的多角度高分辨率影像，不仅能够充分保证影像的时效性，而且高分辨率影像上的房屋、重要地物等清晰可见，再结合航飞前布设的一定数量像控点进行空三加密处理，构建高分辨率、高精度三维实景模型，用来测绘地形与地质要素信息，满足扶贫光伏电站三维设计的需要，提高了勘察设计的效率，有效缩短了工程周期，减少了外业工作的时间，达到了提高经济效益的目的。

参考文献：

[1]徐泽友，邓霞.光伏电站岩土工程勘察的探讨[J].山西建筑，2017（7）：49-50.

[2]周志峰，安志宏，郑少开，等.无人机倾斜摄影技术在自然资源督察中的探索与实践[J].工程勘察，2021（3）：43-46.

[3]李晓斌，林志军，杨玺，等.基于激光扫描和倾斜摄影技术的三维实景融合建模研究[J].激光杂志，2021（8）：166-170.

[4]黄骞，张玥，汪悦.基于倾斜摄影的实景三维公路地质灾害识别关键技术研究[J].公路，2018（1）：154-158.

[5]王光明，丛联宇.无人机航空摄影测量在地形图测绘中的应用[J].测绘与空间地理信息，2017（6）：220-221.

[6]贾晓笛.倾斜摄影技术大比例尺测图的探析[J].安徽建筑，2019（10）：110-111.

[7]黄骞，代成，张金海，等.倾斜摄影技术在公路勘察设计中的应用初探[J].公路，2018（3）：170-174.

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[10]孙生海，张建，景钦刚.无人机低空航空摄影测量在变电站大比例尺地形图的应用[J].电力勘测设计，2020（2）：36-39.