基于多源数据融合的光伏电站地形图测绘方法研究

仝红菊，李 斌，倪大众，胡守超，杨富春

(山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013)

0 引言

近年来，随着测绘地理信息行业和无人机的快速发展，无人机凭借操作简单、机动灵活、使用成本低等优点，成为测绘行业数据来源的重要途径之一，越来越多单位采用无人机航测技术取代传统的人工为主的地形图测绘工作[1-4]。现今无人机主要分为固定翼无人机和旋翼无人机2种，旋翼无人机航摄系统较固定翼无人机航摄系统受天气影响更小，灵活性更高，但不适合大面积作业，因此固定翼无人机和旋翼无人机在很多项目中可结合使用，提高作业效率。

本文以商城县某几个光伏扶贫电站工程为例，根据其分布零散、面积大小各异的特点，采用固定翼无人机和旋翼无人机联合航摄方法采集数据，利用EPS三维测图和基于实时核线影像的立体采集作业实现三维成图，在保证成果可靠性的同时提高了工作效率。

1 技术流程

本项目的作业流程主要由固定翼无人机影像数据采集、旋翼无人机影像数据采集、无人机影像数据处理、精度检核、三维测图和成果提交几部分组成。主要技术流程如图1所示。

图1 技术流程图

2 项目实施

2.1 项目概况

本工程测区影像位置如图2所示，位于河南省商城县西北方向，3个光伏电站，2个升压站，面积总计12.4 km2，丘陵地形，各类地物地貌较丰富。

图2 测区影像位置图

2.2 设备投入

本项目选用飞马F300型固定翼无人机及大疆PHANTOM4 RTK旋翼无人机联合作业。F300型固定翼无人机相对于旋翼无人机具有续航时间长、姿态稳定、安全性高、空三成果可用于立体测量等优点，本工程采用F300航摄三个较大的光伏电站范围；旋翼无人机航摄系统作为测绘行业近年发展起来的高新技术，可垂直起降、定点悬停，具有很强的灵活性和时效性，受天气变化影响较小，本工程用于2个升压站的航摄以及补充部分因工期紧张、天气原因导致固定翼无人机无法按期飞完的部分光伏电站区域[5-7]。

3 无人机影像处理

本工程无人机影像处理分为固定翼无人机影像处理及旋翼无人机影像处理。

3.1 固定翼无人机影像处理

固定翼无人机影像处理采用的软件是无人机管家，但由于采集的原始影像数据一般都存在畸变，若直接进行空三计算，得到的结果无法用于基于核线影像的立体数据采集工作。因此一般在航飞前应首先对相机进行标定，得到相机检校文件，确定相机的内方位元素和畸变参数。在获取航飞数据后利用相机检校文件中的参数将原始影像根据以下畸变校正公式进行畸变校正，并保存已纠正的影像。

利用经初始校正的影像进行特征点提取及空三计算，并导入野外测量点进行空三优化，最后生成正射影像和数字高程模型；空三结果和畸变校正后的影像可用于航天远景(Mapmtrix)下立体测图。具体技术流程如图3所示。

图3 固定翼无人机数据处理流程图

3.2 旋翼无人机影像处理

旋翼无人机影像空三处理采用的是PIX4D软件，首先将获取的影像导入PIX4D软件中，利用运动重建(structure from motion，SFM)算法进行影像匹配，导入野外测量的控制点坐标，并在相应的影像上刺点，然后进行空三运算及正射影像图(digital orthophoto map，DOM)和数字表面模型 (digital surface model，DSM)生成[8]。具体技术流程如图4所示。

图4 旋翼无人机数据处理流程图

3.3 三维成图

目前主流的三维成图方法一般是采用EPS三维测图软件实现，但由于EPS三维测图使用的高程信息来自于DSM，在植被覆盖区域地表高程受植被高程拟合影响，精度无法保证，传统方式是采用野外实测点进行补充。本文中旋翼无人机采集的小区域采用野外实地数据进行补充，固定翼无人机采集区域数据采用基于实时核线重采样的立体测图方法进行补充，在保证精度的同时能大幅提高工作效率。

1)基于DOM/DSM三维场景立体测图方法

旋翼无人机影像处理结果在成图模式中采用EPS三维测图模式采集地形数据，将生成的正射影像和数字表面模型加载到EPS三维测图中，生成垂直摄影立体模型，然后导入EPS三维测图软件，实现二、三维连动的效果，进行三维测图工作。

2)基于实时核线重采样的立体测图方法

核线影像就是基于核线几何关系，利用倾斜影像生成沿核线方向(数字影像的行方向为核线方向)排列的数字影像。实时核线重采样是根据相对定向的结果确定核线重采样矩阵R，在测图过程中随着测图窗口不断生成核线影像。

固定翼无人机的成果数据采集使用EPS三维测图和航天远景软件立体采集结合模式进行，植被覆盖少的地区如道路、房屋、陡坎区域采用EPS三维测图，利用数字表面模型DSM和正射影像DOM生成的可视化三维场景可以实现测图的精确化，尤其是能弥补以往在南方CASS等软件中方向易画错陡坎方向等问题。

针对植被覆盖部分，高程点使用EPS三维测图的方式精度无法保证，需使用航天远景软件立体采集作为补充，即利用纠正好的影像和空三结果恢复立体像对，利用实时核线影像立体采集植被的间隙部分碎步点，由于测区一般较大，而影像覆盖的面积又相对较小，因此一般采集中采用实时核线重采样方法，即在测图的模式下，影像在漫游的过程中，当视口判断需要更新影像块时，在内存中加载所需影像块并同时对影像块进行核线重采样，这样减少了人工干预核线影像生成，提高了作业效率。

本工程使用EPS三维测图和航天远景软件立体采集结合模式进行三维测图，能在最大限度保证精度的情况下提高工作效率。

4 精度评价

在固定翼无人机航飞测区和旋翼无人机航飞测区内的DSM成果中道路、建筑物、陡坎等裸露地物处分别选择了236个和51个同名的特征点，并将野外实地测量的数据和获取的数据进行比较分析，所得结果如图5～图6所示。

图5 野外实测和固定翼无人机数据精度对比图

图6 野外实测和旋翼无人机数据精度对比图

根据DL/T 5138—2014《电力工程数字摄影测量规程》(以下简称《规程》)第10.1.2条规定，DEM成果的精度用格网点的高程中误差表示，高程中误差应按式(3)计算。

式中：mh代表模型的高程中误差，m；n代表检查点个数；Δi代表高程较差，m。

则固定翼成果：

旋翼无人机成果：

此工程区域地形类型为丘陵，根据《规程》第10.3.2条，场站工程数字高程模型高程中误差精度指标要求，见表1所列，1∶1 000比例尺DSM高程中误差限差为0.5 m，模型精度满足中的规范测量精度要求。

表1 数字高程模型精度指标 m

5 结论

本文根据工程特性采用2种航飞手段结合及多技术手段处理成果数据的方法，在保证成果可靠性的同时提高了光伏电站地形图成图的工作效率，并根据实际作业过程总结两种航飞及相应技术处理手段的优劣，得出以下结论。

1)固定翼无人机航摄和旋翼无人机航摄较常规航摄系统具有灵活性高和成本低的优点。

2)固定翼无人机航摄系统较旋翼无人机航摄系统作业有效时间长，适用于作业面积相对较大区域，在植被覆盖区域其成果可采用航天远景软件立体采集，高程精度可靠性更好。

3)旋翼无人机航摄系统较固定翼无人机航摄系统受天气影响较小、灵活性更高，适用于小面积作业，但成果在植被覆盖区域高程精度可靠性不高。

4)后续可对植被覆盖度较高区域采用无人机搭载激光雷达技术手段尝试。