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(jì)南 250013)

0 引言

近年來，隨著測繪地理信息行業(yè)和無人機(jī)的快速發(fā)展，無人機(jī)憑借操作簡單、機(jī)動(dòng)靈活、使用成本低等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)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(jī)主要分為固定翼無人機(jī)和旋翼無人機(jī)2種，旋翼無人機(jī)航攝系統(tǒng)較固定翼無人機(jī)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(jī)和旋翼無人機(jī)在很多項(xiàng)目中可結(jié)合使用，提高作業(yè)效率。

本文以商城縣某幾個(gè)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(diǎn)，采用固定翼無人機(jī)和旋翼無人機(jī)聯(lián)合航攝方法采集數(shù)據(jù)，利用EPS三維測圖和基于實(shí)時(shí)核線影像的立體采集作業(yè)實(shí)現(xiàn)三維成圖，在保證成果可靠性的同時(shí)提高了工作效率。

1 技術(shù)流程

本項(xiàng)目的作業(yè)流程主要由固定翼無人機(jī)影像數(shù)據(jù)采集、旋翼無人機(jī)影像數(shù)據(jù)采集、無人機(jī)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(xiàng)目實(shí)施

2.1 項(xiàng)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(gè)光伏電站，2個(gè)升壓站，面積總計(jì)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(xiàng)目選用飛馬F300型固定翼無人機(jī)及大疆PHANTOM4 RTK旋翼無人機(jī)聯(lián)合作業(yè)。F300型固定翼無人機(jī)相對于旋翼無人機(jī)具有續(xù)航時(shí)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(diǎn)，本工程采用F300航攝三個(gè)較大的光伏電站范圍；旋翼無人機(jī)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(diǎn)懸停，具有很強(qiáng)的靈活性和時(shí)效性，受天氣變化影響較小，本工程用于2個(gè)升壓站的航攝以及補(bǔ)充部分因工期緊張、天氣原因?qū)е鹿潭ㄒ頍o人機(jī)無法按期飛完的部分光伏電站區(qū)域[5-7]。

3 無人機(jī)影像處理

本工程無人機(jī)影像處理分為固定翼無人機(jī)影像處理及旋翼無人機(jī)影像處理。

3.1 固定翼無人機(jī)影像處理

固定翼無人機(jī)影像處理采用的軟件是無人機(jī)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(jìn)行空三計(jì)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(jī)進(jìn)行標(biāo)定，得到相機(jī)檢校文件，確定相機(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)行特征點(diǎn)提取及空三計(jì)算，并導(dǎo)入野外測量點(diǎn)進(jìn)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(yuǎn)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(jī)數(shù)據(jù)處理流程圖

3.2 旋翼無人機(jī)影像處理

旋翼無人機(jī)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(yùn)動(dòng)重建(structure from motion，SFM)算法進(jìn)行影像匹配，導(dǎo)入野外測量的控制點(diǎn)坐標(biāo)，并在相應(yīng)的影像上刺點(diǎn)，然后進(jìn)行空三運(yùn)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(jī)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(shí)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(shí)測點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充。本文中旋翼無人機(jī)采集的小區(qū)域采用野外實(shí)地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充，固定翼無人機(jī)采集區(qū)域數(shù)據(jù)采用基于實(shí)時(shí)核線重采樣的立體測圖方法進(jìn)行補(bǔ)充，在保證精度的同時(shí)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(jī)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(shí)現(xiàn)二、三維連動(dòng)的效果，進(jìn)行三維測圖工作。

2)基于實(shí)時(shí)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?yàn)楹司€方向)排列的數(shù)字影像。實(shí)時(shí)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(jī)的成果數(shù)據(jù)采集使用EPS三維測圖和航天遠(yuǎn)景軟件立體采集結(jié)合模式進(jìn)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(shí)現(xiàn)測圖的精確化，尤其是能彌補(bǔ)以往在南方CASS等軟件中方向易畫錯(cuò)陡坎方向等問題。

針對植被覆蓋部分，高程點(diǎn)使用EPS三維測圖的方式精度無法保證，需使用航天遠(yuǎn)景軟件立體采集作為補(bǔ)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(shí)時(shí)核線影像立體采集植被的間隙部分碎步點(diǎn)，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(shí)時(shí)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(dāng)視口判斷需要更新影像塊時(shí)，在內(nèi)存中加載所需影像塊并同時(shí)對影像塊進(jìn)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(yuǎn)景軟件立體采集結(jié)合模式進(jìn)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(jià)

在固定翼無人機(jī)航飛測區(qū)和旋翼無人機(jī)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(gè)和51個(gè)同名的特征點(diǎn)，并將野外實(shí)地測量的數(shù)據(jù)和獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，所得結(jié)果如圖5～圖6所示。

圖5 野外實(shí)測和固定翼無人機(jī)數(shù)據(jù)精度對比圖

圖6 野外實(shí)測和旋翼無人機(jī)數(shù)據(jù)精度對比圖

根據(jù)DL/T 5138—2014《電力工程數(shù)字?jǐn)z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(diǎn)的高程中誤差表示，高程中誤差應(yīng)按式(3)計(jì)算。

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

則固定翼成果：

旋翼無人機(jī)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(biāo)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(biāo) 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(shí)提高了光伏電站地形圖成圖的工作效率，并根據(jù)實(shí)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(jī)航攝和旋翼無人機(jī)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(diǎn)。

2)固定翼無人機(jī)航攝系統(tǒng)較旋翼無人機(jī)航攝系統(tǒng)作業(yè)有效時(shí)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(yuǎn)景軟件立體采集，高程精度可靠性更好。

3)旋翼無人機(jī)航攝系統(tǒng)較固定翼無人機(jī)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(jī)搭載激光雷達(dá)技術(shù)手段嘗試。