免像控无人机航测技术在风电场选址中的应用及精度评价

蔡龙洲

（福州市勘测院，福建 福州350000）

近年来无人机已经在测绘行业广泛应用，但是仍然存在着较多的不足，如影像相幅小、影像畸变差大、姿态不稳定、重叠度不规则等。 在较大范围地形图测量中，使用传统解析法测量、传统航空摄影测量有困难的情况下优先采用无人机航测，但作业过程中，由于相幅小，所需的像控点较多，且施测存在着诸多困难，因此免像控无人机航测技术应运而生。应用免像控无人机航测技术，能够在有效降低勘测成本的同时，保证勘测工作的高效率、高精度，因此加强免像控无人机航测技术在常规测量困难区域的应用显得十分必要。 以天狼星无人机为代表的免像控无人机航测系统已经成功应用，并逐步被测绘工作者认可［1］。 根据数据需求方要求，本次项目测量1 ∶1000 比例尺地形图及DOM 等工作。

1 免像控航测系统

1.1 无人机系统

无人机航测系统是一系列软硬件组成的一套测量工具，具有集成化、高度融合等特点，系统可简单分为硬件设备、软件系统组成。

（1）硬件设备主要包括无人机飞行平台、飞行控制系统、数据传输系统、地面控制系统、数据采集传感器、设备稳定系统、POS 数据采集系统、数据处理服务系统等。

（2）软件系统主要包括无人机飞行控制管理系统、飞行数据检查系统、数据预处理系统、影像处理系统、数据提取分析系统、数据管理与检索系统等。

1.2 免像控原理

免像控无人机航测系统其实是一种新型的软硬件高度集成化的产物，集成高精度RTK 和惯导测量单元（IMU）采集无人机作业时准确的位置与姿态信息，为后续数据处理提供可靠的起算数据，有效提高了地面像点的解算精度，达到免于测量像控点的目的。 该系统主要有以下优点：

（1）免于像控点测量。 免于野外像控测量降低了测量成本、缩短了工期，其成果精度不受像控点精度影响。

（2）数据处理自动化程度较高。 无像控航测数据处理工作在空三过程中无需添加控制点，可实现更加自动化的数据处理。

2 工程项目案例

2.1 项目简介

福清市位于东南沿海，常年盛行东南风，拥有丰富的可利用风能资源。 某风电公司拟建装机容量约为20 MW，面积约13 km2区域，经初步现场勘查该项目拟建设位于西北大帽山区域，区域范围内海拔约10～250 m，海拔落差约240 m，平均海拔约120 m。 为了精确选定风电场厂址、规划交通路线、设计选址、装机等工作，急需该区域高精度地形图。 本文以该风电场的地形测绘为例，采用免像控无人机航测技术，使用拓扑康天狼星航测系统进行施测。 在确保精度符合相关规范要求的情况下，有效缩短了工期，圆满完成了工作任务。

2.2 外业航测工作

2.2.1 天狼星无人机

天狼星免像控系统集成度非常高，软硬件配备完善［3］。 拓扑康天狼星是一种手抛式固定翼无人机，其翼展达到1.63 m，最大飞行高度达2 600 m，具有自动导航POS 辅助等重要配件。

天狼星免像控无人机搭载的相机为松下GX-1，相机焦距14 mm；1 600 万像素；相机快门速度在在动态模式 下分 别 为1 ／ 30 ～1 ／ 6000 s、1 ／ 25 ～1 ／ 6000 s；闪光同步速度为1 ／ 160 s。 该相机为非量测相机，经定标测量使用畸变纠正模型［2］可进行纠正畸变影像，经畸变校正的影像可投入航测生产，满足测量相关要求。

2.2.2 航飞实施

本测区形状不够规则，测区呈梯形且西北东南走向，测区范围内平均海拔约120 m，根据已有的基本情况划分1 个航摄分区，有效航摄面积15 km2。具体航线规划见图1。

图1 航线设计示意图

航线设计：航向重叠度为80%，旁向重叠度为70%，航摄影像地面分辨率为8 cm。

航摄工作选择晴好天气，避开早晚及中午阳光暴晒时段。 共拍摄像片6 915 张，影像清晰、反差适中、色调柔和、 色彩平衡，符合航测成图及数据处理要求。

因本次项目采用免像控的无人机航测模式，现场无需布设像控点工作，节省了开支并缩短了工期，工艺流程也较为简单。 本次航测施测采用天狼星无人机，其自身携带了GNSS RTK 设备，且采用福州市CORSS 站信号获取基站服务，野外工作也无需架设基准站。

2.3 数据处理与成果

当前，市面上的航空影像数据空三处理软件多种多样，各有各的优缺点。 针对本次项目，因采用天狼星免像控无人机航测系统，考虑软件与硬件的适配性，采用了天狼星自带软件MAVinci Desktop 对航测像片进行畸变纠正、匀光匀色等预处理工作。 再通过Agisoft Photoscan 软件对影像匹配数据进行后处理。 根据像片、POS 数据和福州CORSS 基准站的坐标数据，依据光束法区域网平差计算出所有影像的准确位置、姿态数据等外方位元素，从而形成空三加密成果。 采用清华山纬EPS 等软件进行内业作业形成航测内业草图，再根据航测内业草图进行外业调绘后根据调绘手稿编辑形成地形图正式成果。

根据空三成果进而建立密集点云生成格网和纹理， 经点云去噪等深度处理后获得高分辨率的DOM，成果示意参见图2。 其中，在处理DOM 数据处理阶段，要特别注意积极利用原始影像进行增补，以获得感官更高的DOM。 根据选址及设计的要求，我们形成了一套完整的4D 产品，其中地形图耗费比较大的精力去完成，包含了内外业的反复交替工作，成果在规定的工期内顺利完成。 地形图叠加DLG 成果如图3。

图2 DOM 局部成果图

图3 DOM 叠加DLG 全图

2.4 精度评价

为了客观评价成果精度，保证数据成果的可靠性，采用RTK 移动站外业实测采集明显地物点。 主要采集位置为房屋角点、道路相交点等在实地、影像中都能明显辨别的位置。 采用固定解模式下采集，外业共采集65 处检查点，经与内业采集坐标进行比对，在不考虑设备等误差因素的影响下，通过计算得到平面中误差和高程中误差，精度比对分析结果见表1。

从表1 我们可以看出，平面坐标较差最大点位JC47 点、高程坐标较差最大点位为J32，经根据规范标准《基础地理信息数字成果1 ∶500 1 ∶1000 1 ∶2000数字线划图》，1 ∶1000 比例尺地形图成果平面位置中误差和高程中误差最高限差分别为0.6 和0.7。从精度检测结果可以看出，成果的平面中误差为0.277 m，高程中误差为0.262 m，成果精度范围符合规范限差要求。

表1 大帽山风电场地形图精度检查记录表

3 结束语

综上所述，本项目采用免像控无人机航测系统施测，其成果精度完全符合相关质量要求。 采用无人机航测方式进行测量作业正逐渐取代传统野外解析测量，并有效地获得了传统航测无法企及的小范围航测差异化市场。