基于多源數(shù)據(jù)融合的光伏電站地形圖測繪方法研究

仝紅菊，李 斌，倪大眾，胡守超，楊富春

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013)

0 引言

近年來，隨著測繪地理信息行業(yè)和無人機的快速發(fā)展，無人機憑借操作簡單、機動靈活、使用成本低等優(yōu)點，成為測繪行業(yè)數(shù)據(jù)來源的重要途徑之一，越來越多單位采用無人機航測技術(shù)取代傳統(tǒng)的人工為主的地形圖測繪工作[1-4]。現(xiàn)今無人機主要分為固定翼無人機和旋翼無人機2種，旋翼無人機航攝系統(tǒng)較固定翼無人機航攝系統(tǒng)受天氣影響更小，靈活性更高，但不適合大面積作業(yè)，因此固定翼無人機和旋翼無人機在很多項目中可結(jié)合使用，提高作業(yè)效率。

本文以商城縣某幾個光伏扶貧電站工程為例，根據(jù)其分布零散、面積大小各異的特點，采用固定翼無人機和旋翼無人機聯(lián)合航攝方法采集數(shù)據(jù)，利用EPS三維測圖和基于實時核線影像的立體采集作業(yè)實現(xiàn)三維成圖，在保證成果可靠性的同時提高了工作效率。

1 技術(shù)流程

本項目的作業(yè)流程主要由固定翼無人機影像數(shù)據(jù)采集、旋翼無人機影像數(shù)據(jù)采集、無人機影像數(shù)據(jù)處理、精度檢核、三維測圖和成果提交幾部分組成。主要技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 技術(shù)流程圖

2 項目實施

2.1 項目概況

本工程測區(qū)影像位置如圖2所示，位于河南省商城縣西北方向，3個光伏電站，2個升壓站，面積總計12.4 km2，丘陵地形，各類地物地貌較豐富。

圖2 測區(qū)影像位置圖

2.2 設(shè)備投入

本項目選用飛馬F300型固定翼無人機及大疆PHANTOM4 RTK旋翼無人機聯(lián)合作業(yè)。F300型固定翼無人機相對于旋翼無人機具有續(xù)航時間長、姿態(tài)穩(wěn)定、安全性高、空三成果可用于立體測量等優(yōu)點，本工程采用F300航攝三個較大的光伏電站范圍；旋翼無人機航攝系統(tǒng)作為測繪行業(yè)近年發(fā)展起來的高新技術(shù)，可垂直起降、定點懸停，具有很強的靈活性和時效性，受天氣變化影響較小，本工程用于2個升壓站的航攝以及補充部分因工期緊張、天氣原因?qū)е鹿潭ㄒ頍o人機無法按期飛完的部分光伏電站區(qū)域[5-7]。

3 無人機影像處理

本工程無人機影像處理分為固定翼無人機影像處理及旋翼無人機影像處理。

3.1 固定翼無人機影像處理

固定翼無人機影像處理采用的軟件是無人機管家，但由于采集的原始影像數(shù)據(jù)一般都存在畸變，若直接進行空三計算，得到的結(jié)果無法用于基于核線影像的立體數(shù)據(jù)采集工作。因此一般在航飛前應(yīng)首先對相機進行標定，得到相機檢校文件，確定相機的內(nèi)方位元素和畸變參數(shù)。在獲取航飛數(shù)據(jù)后利用相機檢校文件中的參數(shù)將原始影像根據(jù)以下畸變校正公式進行畸變校正，并保存已糾正的影像。

利用經(jīng)初始校正的影像進行特征點提取及空三計算，并導(dǎo)入野外測量點進行空三優(yōu)化，最后生成正射影像和數(shù)字高程模型；空三結(jié)果和畸變校正后的影像可用于航天遠景(Mapmtrix)下立體測圖。具體技術(shù)流程如圖3所示。

圖3 固定翼無人機數(shù)據(jù)處理流程圖

3.2 旋翼無人機影像處理

旋翼無人機影像空三處理采用的是PIX4D軟件，首先將獲取的影像導(dǎo)入PIX4D軟件中，利用運動重建(structure from motion，SFM)算法進行影像匹配，導(dǎo)入野外測量的控制點坐標，并在相應(yīng)的影像上刺點，然后進行空三運算及正射影像圖(digital orthophoto map，DOM)和數(shù)字表面模型 (digital surface model，DSM)生成[8]。具體技術(shù)流程如圖4所示。

圖4 旋翼無人機數(shù)據(jù)處理流程圖

3.3 三維成圖

目前主流的三維成圖方法一般是采用EPS三維測圖軟件實現(xiàn)，但由于EPS三維測圖使用的高程信息來自于DSM，在植被覆蓋區(qū)域地表高程受植被高程擬合影響，精度無法保證，傳統(tǒng)方式是采用野外實測點進行補充。本文中旋翼無人機采集的小區(qū)域采用野外實地數(shù)據(jù)進行補充，固定翼無人機采集區(qū)域數(shù)據(jù)采用基于實時核線重采樣的立體測圖方法進行補充，在保證精度的同時能大幅提高工作效率。

1)基于DOM/DSM三維場景立體測圖方法

旋翼無人機影像處理結(jié)果在成圖模式中采用EPS三維測圖模式采集地形數(shù)據(jù)，將生成的正射影像和數(shù)字表面模型加載到EPS三維測圖中，生成垂直攝影立體模型，然后導(dǎo)入EPS三維測圖軟件，實現(xiàn)二、三維連動的效果，進行三維測圖工作。

2)基于實時核線重采樣的立體測圖方法

核線影像就是基于核線幾何關(guān)系，利用傾斜影像生成沿核線方向(數(shù)字影像的行方向為核線方向)排列的數(shù)字影像。實時核線重采樣是根據(jù)相對定向的結(jié)果確定核線重采樣矩陣R，在測圖過程中隨著測圖窗口不斷生成核線影像。

固定翼無人機的成果數(shù)據(jù)采集使用EPS三維測圖和航天遠景軟件立體采集結(jié)合模式進行，植被覆蓋少的地區(qū)如道路、房屋、陡坎區(qū)域采用EPS三維測圖，利用數(shù)字表面模型DSM和正射影像DOM生成的可視化三維場景可以實現(xiàn)測圖的精確化，尤其是能彌補以往在南方CASS等軟件中方向易畫錯陡坎方向等問題。

針對植被覆蓋部分，高程點使用EPS三維測圖的方式精度無法保證，需使用航天遠景軟件立體采集作為補充，即利用糾正好的影像和空三結(jié)果恢復(fù)立體像對，利用實時核線影像立體采集植被的間隙部分碎步點，由于測區(qū)一般較大，而影像覆蓋的面積又相對較小，因此一般采集中采用實時核線重采樣方法，即在測圖的模式下，影像在漫游的過程中，當視口判斷需要更新影像塊時，在內(nèi)存中加載所需影像塊并同時對影像塊進行核線重采樣，這樣減少了人工干預(yù)核線影像生成，提高了作業(yè)效率。

本工程使用EPS三維測圖和航天遠景軟件立體采集結(jié)合模式進行三維測圖，能在最大限度保證精度的情況下提高工作效率。

4 精度評價

在固定翼無人機航飛測區(qū)和旋翼無人機航飛測區(qū)內(nèi)的DSM成果中道路、建筑物、陡坎等裸露地物處分別選擇了236個和51個同名的特征點，并將野外實地測量的數(shù)據(jù)和獲取的數(shù)據(jù)進行比較分析，所得結(jié)果如圖5～圖6所示。

圖5 野外實測和固定翼無人機數(shù)據(jù)精度對比圖

圖6 野外實測和旋翼無人機數(shù)據(jù)精度對比圖

根據(jù)DL/T 5138—2014《電力工程數(shù)字攝影測量規(guī)程》(以下簡稱《規(guī)程》)第10.1.2條規(guī)定，DEM成果的精度用格網(wǎng)點的高程中誤差表示，高程中誤差應(yīng)按式(3)計算。

式中：mh代表模型的高程中誤差，m；n代表檢查點個數(shù)；Δi代表高程較差，m。

則固定翼成果：

旋翼無人機成果：

此工程區(qū)域地形類型為丘陵，根據(jù)《規(guī)程》第10.3.2條，場站工程數(shù)字高程模型高程中誤差精度指標要求，見表1所列，1∶1 000比例尺DSM高程中誤差限差為0.5 m，模型精度滿足中的規(guī)范測量精度要求。

表1 數(shù)字高程模型精度指標 m

5 結(jié)論

本文根據(jù)工程特性采用2種航飛手段結(jié)合及多技術(shù)手段處理成果數(shù)據(jù)的方法，在保證成果可靠性的同時提高了光伏電站地形圖成圖的工作效率，并根據(jù)實際作業(yè)過程總結(jié)兩種航飛及相應(yīng)技術(shù)處理手段的優(yōu)劣，得出以下結(jié)論。

1)固定翼無人機航攝和旋翼無人機航攝較常規(guī)航攝系統(tǒng)具有靈活性高和成本低的優(yōu)點。

2)固定翼無人機航攝系統(tǒng)較旋翼無人機航攝系統(tǒng)作業(yè)有效時間長，適用于作業(yè)面積相對較大區(qū)域，在植被覆蓋區(qū)域其成果可采用航天遠景軟件立體采集，高程精度可靠性更好。

3)旋翼無人機航攝系統(tǒng)較固定翼無人機航攝系統(tǒng)受天氣影響較小、靈活性更高，適用于小面積作業(yè)，但成果在植被覆蓋區(qū)域高程精度可靠性不高。

4)后續(xù)可對植被覆蓋度較高區(qū)域采用無人機搭載激光雷達技術(shù)手段嘗試。