高福山，胡吉倫，王 黎

(中南電力設(shè)計(jì)，湖北 武漢 430071)

無人機(jī)低空攝影測(cè)量在電力工程中的應(yīng)用

高福山，胡吉倫，王 黎

(中南電力設(shè)計(jì)，湖北 武漢 430071)

本文介紹了低空攝影測(cè)量在火電廠地形測(cè)量的應(yīng)用嘗試及數(shù)據(jù)處理方法。結(jié)合現(xiàn)代航空攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展,分析了低空攝影測(cè)量的特點(diǎn)；結(jié)合火電廠地形圖測(cè)量的實(shí)際情況,分析了低空攝影測(cè)量的作業(yè)流程,對(duì)通過低空攝影測(cè)量獲得的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行了精度評(píng)定,提供了利用外業(yè)實(shí)測(cè)高程數(shù)據(jù)對(duì)低空攝影測(cè)量高程數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合從而提高高程數(shù)據(jù)精度的處理方法。

低空攝影測(cè)量；影像數(shù)據(jù)；區(qū)域線性擬合。

1 概述

無人機(jī)低空攝影測(cè)量作為攝影測(cè)量一種特殊形式，可以在云下低空獲取高清晰度的數(shù)碼影像，采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量網(wǎng)格(Digital Photogrammetry Grid-DPGrid)進(jìn)行影像處理，在JX4及VirtouZo測(cè)圖系統(tǒng)下生成數(shù)字地形圖。結(jié)合野外調(diào)繪及檢測(cè)數(shù)據(jù)，生成1∶1000－1∶2000地形圖。不僅解決了傳統(tǒng)工程測(cè)量周期長(zhǎng)、數(shù)字地圖不直觀的不足，還大大減輕了野外技術(shù)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高測(cè)繪工作效率。在小區(qū)域小范圍內(nèi)應(yīng)用無人機(jī)航空遙感是解決工程用圖的有效手段和便捷途徑。

我院承接的華能正寧電廠一期(2×1000MW)項(xiàng)目，可研階段有三個(gè)廠址方案比選，而且都集中在一個(gè)約30km2的范圍內(nèi)，測(cè)圖比例尺1∶1000，我們采用無人機(jī)低空飛行攝影測(cè)量技術(shù)，實(shí)施了該工程的測(cè)量任務(wù)。經(jīng)過外野巡視測(cè)量及檢查點(diǎn)的檢測(cè)精度統(tǒng)計(jì)，成圖精度滿足規(guī)程規(guī)范的要求。本次工程在攝影數(shù)據(jù)處理方面得到了武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院曹輝、王茜等老師的大力支持和幫助。下面介紹本次無人機(jī)低空攝影測(cè)量在正寧電廠一期工程中的應(yīng)用情況。

2 無人機(jī)遙感攝影測(cè)量系統(tǒng)的組成

2.1 無人機(jī)性能

無人機(jī)工作參數(shù)：巡航空速：97km/h；最大飛行高度：海拔3500m；最大荷載：3.5G；航時(shí)：100min；標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)航程：110km；巡航抗風(fēng)能力：13m/s；起飛滑跑距離：60m；降落滑跑距離：150m；通訊距離：15km(無遮擋) 。

正寧電廠一期工程我院委托國(guó)遙萬維公司進(jìn)行了無人機(jī)航攝工作。

2.2 數(shù)碼攝影相機(jī)

圖1 無人機(jī)低空攝影測(cè)量系統(tǒng)

3 測(cè)區(qū)攝影計(jì)劃和航帶規(guī)劃設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)區(qū)范圍

3.2 航帶設(shè)計(jì)

如圖2所示，1號(hào)點(diǎn)，無人機(jī)地面起降位置，按兩個(gè)架次飛行，預(yù)設(shè)16條航帶，一架次完成10條航帶飛行攝影后，返回地面補(bǔ)充燃料，進(jìn)行第二次飛行完成6條航帶，完成全部測(cè)區(qū)所用時(shí)間1.5h，取得了測(cè)區(qū)30km2的影像數(shù)據(jù)。

圖2 航帶設(shè)計(jì)及飛行計(jì)劃

3.3 攝影質(zhì)量

攝影時(shí)當(dāng)?shù)靥鞖馇缋?，地面風(fēng)速1-2級(jí)，拍攝時(shí)正値中午，溝壑底部的陰影影響較小，拍攝的數(shù)碼影像清晰，拍攝技術(shù)參數(shù)：

分辨率：0.2m 航高：500m

物理幅寬為：1123.2×748.8打印出的相片大小為：198×132cm

整個(gè)測(cè)區(qū)拍攝像幅500余幅，航向重疊滿足60%，旁向重疊達(dá)到30%的要求。

4 測(cè)區(qū)控制網(wǎng)的建立 外控及調(diào)繪

4.1 測(cè)區(qū)控制網(wǎng)的建立

在測(cè)區(qū)布設(shè)首級(jí)平面控制E級(jí)GPS點(diǎn)33個(gè)。平面控制系統(tǒng)采用1954年北京坐標(biāo)系，108度中央子午線，高程控制系統(tǒng)采用1956年黃海高程系。

4.2 外控點(diǎn)布置及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪

在電力工程項(xiàng)目中第一次應(yīng)用無人機(jī)航攝技術(shù)，為保證測(cè)量精度和成圖的可靠性，采用全野外布置像控點(diǎn)方式，點(diǎn)位選在影像清晰，易于判刺和立體量測(cè)處，旁向上盡量利用共用點(diǎn)，盡量考慮像控點(diǎn)的均勻性。

重點(diǎn)調(diào)繪隱蔽性地物，利用動(dòng)態(tài)GPS測(cè)量其具體位置，調(diào)查窯洞狀況等。

5 無人機(jī)低空攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理工作流程

5.1 影像數(shù)據(jù)處理流程

圖3 影像數(shù)據(jù)處理流程

利用武漢大學(xué)遙感院研制開發(fā)的新一代航空航天數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量處理平臺(tái)：數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量網(wǎng)格(Digital Photogrammetry Grid-DPGrid)進(jìn)行本次的內(nèi)業(yè)加密。

該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：由高性能集群計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與磁盤陣列組成硬件平臺(tái)，以最新影像匹配理論與實(shí)踐為基礎(chǔ)的全自動(dòng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。這一部分的主要功能包括：數(shù)據(jù)預(yù)處理、影像匹配、自動(dòng)空三、數(shù)字地面模型以及正射影像的生成等。

5.2 相機(jī)畸變差改正、系統(tǒng)誤差改正

空間物體表面某點(diǎn)的三維幾何位置與其在圖形中對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的相互關(guān)系，是由相機(jī)的成像幾何模型決定，理想的成像模型是線性的，但是由于光學(xué)鏡頭的結(jié)構(gòu)與理想的針孔模型存在著差異，使得圖像產(chǎn)生非線性畸變。鏡頭畸變成像會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域中的視覺測(cè)量與三維帶來極大影響。小像幅數(shù)碼相機(jī)普遍存在較大的光學(xué)畸變差。如果不進(jìn)行畸變差改正，后續(xù)全自動(dòng)相對(duì)定向及全自動(dòng)模型連接的成功率會(huì)大大降低，從而使生產(chǎn)效率大幅下降。

較大的光學(xué)畸變差，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)像點(diǎn)網(wǎng)強(qiáng)度變低甚至自由網(wǎng)構(gòu)建失敗，必定影響光束發(fā)平差的收斂速度及成功率。因此必須進(jìn)行畸變差改正。

未經(jīng)處理的影像數(shù)據(jù)有攝影機(jī)的系統(tǒng)誤差(主點(diǎn)偏移)，底片變形，航攝飛機(jī)的系統(tǒng)誤差，大氣折光誤差，地球曲率等系統(tǒng)誤差等，測(cè)圖系統(tǒng)中的定位精度與空三精度相差較大。經(jīng)過系統(tǒng)誤差改正以后，平面精度及高程精度都有較大提高，因此測(cè)繪更大比例尺地形圖才成為可能。

圖4 改正后相機(jī)參數(shù)

5.3 外業(yè)控制點(diǎn)文件與影像引入

程序引入外業(yè)像片控制點(diǎn)及原始影像，并對(duì)原始影像的畸變和主點(diǎn)進(jìn)行改正、影像的旋轉(zhuǎn)(按飛行和航線重疊方向)等。

5.4 交互編輯

首先在當(dāng)前測(cè)區(qū)的四角人工量測(cè)4個(gè)外業(yè)控制點(diǎn)，再調(diào)用空三計(jì)算，點(diǎn)擊預(yù)測(cè)控制點(diǎn)計(jì)算，則可顯示全測(cè)區(qū)的控制點(diǎn)，點(diǎn)擊預(yù)測(cè)控制點(diǎn)精確對(duì)準(zhǔn)當(dāng)前點(diǎn)，程序可自動(dòng)匹配其余影像上的當(dāng)前點(diǎn)。

6 空三解算

以投影中心點(diǎn)、像點(diǎn)和相應(yīng)地面點(diǎn)三點(diǎn)共線條件所建立的單張像片為計(jì)算單元，借助像片之間的同名點(diǎn)和野外控制點(diǎn)，聯(lián)合進(jìn)行整個(gè)區(qū)域的光束平差解算，并對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，如果存在較大殘差點(diǎn)，進(jìn)行交互式編輯，在連接點(diǎn)充足的情況下刪掉殘差較大的像點(diǎn)。提高區(qū)域網(wǎng)平差精度。

空三解算完成后，檢查加密精度，輸出空三成果。

圖5 測(cè)區(qū)部分正射影像

7 數(shù)字化測(cè)圖

在JX4上完成測(cè)區(qū)線畫圖測(cè)量，在野外對(duì)線畫圖進(jìn)行巡視檢查，電力線、管線等補(bǔ)測(cè)，地物、地形檢測(cè)。測(cè)區(qū)地物平面檢測(cè)統(tǒng)計(jì)精度為：±0.5m ，高程檢測(cè)統(tǒng)計(jì)精度為： ±0.4m。

國(guó)標(biāo)GB/T 15967-2008《1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖航空攝影測(cè)量數(shù)字化測(cè)圖規(guī)范》中規(guī)定平面位置中誤差：平地、丘陵地：不應(yīng)大于測(cè)圖比例尺的0.6mm，即對(duì)于1:1000比例尺地形圖不應(yīng)大于0.6m，高程中誤差：1∶1000地形圖平地±0.2m(±0.4m)，丘陵地±0.5m，由于測(cè)區(qū)部分為平地，部分為溝塹丘陵地，對(duì)于平地部分還不能滿足規(guī)范要求。

為了提高測(cè)區(qū)高程精度，我們?cè)凇洞蟊壤叩匦螆D測(cè)圖軟件》中，讀入JX4測(cè)量線畫圖，以野外補(bǔ)測(cè)、檢測(cè)高程為依據(jù)，對(duì)航測(cè)內(nèi)業(yè)高程點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域線性擬合，使測(cè)區(qū)高程誤差逐漸趨于最小。

我們對(duì)改正后的地形點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地再次檢測(cè)，其高程差值均小于0.2m，統(tǒng)計(jì)計(jì)算高程誤差為：±0.16m。完全滿足規(guī)范要求。

8 幾點(diǎn)體會(huì)

通過這次實(shí)踐，我們體會(huì)如下：

⑴ 無人機(jī)航空遙感系統(tǒng)具有全天候、全天時(shí)、低成本等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其所獲得的高分辨率遙感數(shù)據(jù)可應(yīng)用于多種領(lǐng)域，以快捷便利的方式獲取野外影像數(shù)據(jù)，減輕野外作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，滿足電力工程地形圖測(cè)量的需要。如：工程前期地形圖的測(cè)繪，工程擴(kuò)建補(bǔ)充地形圖，線路終勘改線局部偏離航片的補(bǔ)充飛行等。

⑵ 低空攝影測(cè)量，通過空三加密處理后，測(cè)繪出的線畫圖，在結(jié)合外業(yè)檢測(cè)、補(bǔ)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合處理下，其地形圖的精度滿足航測(cè)規(guī)范要求，可以在實(shí)際工程中應(yīng)用。

⑶ 基于攝影測(cè)量新理論，多目視覺，多基線立體的思想，可以改善“匹配”可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，采取高重疊度飛行攝影(航向80%，旁向60%)，增加交會(huì)角，增加多余觀測(cè)，減少外業(yè)控制點(diǎn)，提高高程精度。

[1]張祖勛，張劍清.數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，1997.

[2]姜大志，郁倩，等.計(jì)算機(jī)視覺成像的非線性畸變研究與綜述[J].計(jì)算機(jī)工程，2001，27(12).

Application of Low-altitude UAV Photogrammetry in Power Engineering

GAO Fu-Shan, HU Ji-Lun, WANG Li
(Central Southern Electric Power Design Institute, Wuhan 430071, China)

This paper introduces the application of topographic survey and data processing methods by Low-altitude UAV photogrammetry at thermal power plant.Compare with modern aerial photographic measurement technology,the paper analyzed the characteristics of low-altitude aero-photogrammetry and low-altitude photogrammetric work fl ow combined with measurement of power plant topographic map .By assessing the precision of the low-altitude photogrammetric elevation data, provide the data processing method of improving the precision by fi led elevation data and regional linear fi t method .

low-altitude photogrammetry; image data; regional linear fi tting.

P2

B

1671-9913(2010)02-0019-04

2010-02-02

高福山(1962-)，男，陜西子長(zhǎng)縣人，高級(jí)工程師。