无人机倾斜摄影测量技术在抽水蓄能电站场地布置中的应用

王志浩

(中国水利水电第五工程局有限公司,成都 610066)

抽水蓄能电站是当前技术最成熟、经济性最优、最具大规模开发条件的电力系统绿色低碳清洁灵活调节电源,加快发展抽水蓄能,是构建以新能源为主体的新型电力系统的迫切要求,是保障电力系统安全稳定运行的重要支撑,是可再生能源大规模发展的重要保障。在全球应对气候变化,我国努力实现“2030年前碳达峰、2060年前碳中和”目标,加快能源绿色低碳转型的新形势下,抽水蓄能加快发展势在必行。抽水蓄能电站,一般由上水库、下水库、输水系统、厂房及尾水系统等部分组成,通常蓄能电站建设都是在地形起伏大的山区,因此构建三维模型还原现场实景对于电站规划设计、施工建设起到至关重要的作用。

无人机倾斜摄影三维实景建模[1]是由无人机搭载一个或多个(通常两个或五个)数码相机摄影系统来获取多角度的地面影像,通过建模软件对影像POS与多视影像进行处理即可完成最终三维实景模型的建立。飞马D2000无人机基于高精度GNSS的免像控空三处理,可以有效克服蓄能电站山高林密、外业像控点布设难的特点。因此,本文以浙江某蓄能电站为应用实践,探讨基于飞马D2000无人机倾斜摄影在抽水蓄能电站场地布置中的应用。

1 项目测区概况

本抽水蓄能电站项目位于浙江省金华市,电站主要由上水库、输水系统、地下厂房系统、地面开关站及下水库等建筑物组成。测区范围内高差起伏较大、植被茂密、隧洞及道路呈现点多面广的特点。下水库施工区域约3 km2,上水库施工区域约2 km2,电站下库区总布置见图1。

图1 电站下库区总布置

2 航飞设备选择与技术流程

根据项目的特点,本次航测的设备最终选择了飞马D2000搭载OP4000倾斜摄影模块。飞马D2000无人机集成的高精度GNSS板卡不仅能够同时接收北斗、GPS、GLONASS双频观测数据,而且基于GNSS精确授时机制和持续校准实现了亚毫秒级同步精度,其惯性导航系统(INS)能够实时记录飞机的姿态信息,从而有效确保了POS原始观测数据的质量。该项目因测区高差起伏大,通常情况下很难满足不同海拔高度航摄分辨率的一致,飞马D2000无人机具备的仿地飞行功能很好地解决了这一技术难题,飞行过程中根据测区海拔变化实时变高飞行,有效保证了航摄重叠度和分辨率的一致,从而保证了数据的精度。OP4000倾斜摄影模块是全画幅定制改装相机,结合无人机管家智能航线设计,具备高质量的侧面纹理采集及高效率的作业能力;具备五相机同步曝光和逐相机打标能力,精确获取每个相机的精确曝光位置信息,搭配无人机管家数据处理模块,可提供免像控高精度倾斜航摄完整软硬件系统解决方案,可适配飞马D2000、D20、V10飞行平台。设备主要参数见表1和表2。项目航测技术流程见图2。

表1 D2000规格参数

表2 OP4000倾斜模块规格参数

图2 项目航测技术流程

3 航线规划

本次航测的测区为电站下库区范围,高差大、现场有多条高压电线,为保证建模效果和安全因素考虑,本次航线规划采用变高仿地飞行的方式。在仿地飞行规划之前在智航线中先规划分辨率为10 cm的预扫航线,生成DSM辅助航线设计,然后在无人机管家智航线中导入预先生成的DSM,设计地面分辨率为2.5 cm,航向、旁向重叠度均为80 %的变高航线,相对航线为266 m,航线规划完成后就可以进行数据采集工作,本次下库区共飞行3个架次,影像2658张。

4 数据获取

4.1 像控点布设

本次像控点采集直接采用千寻CORS网络对现场布设的7个像控点[2-3]进行测定。为保证测量精度,每个像控点采集20个平滑值,共采集4测回,每测回间平面误差小于2 cm,高程误差小于3 cm,取4测回平均值作为像控点坐标。

由于在山区作业,像控点布设过程中充分考虑地形变化的影响,确保测区山坡、山谷均有点位覆盖。并且对识别度较高的地物采集部分点位作为模型精度的检查点,针对方便的道路等位置像控点优先采用斑马线标志或者“L”形喷漆的内角进行测量,在不便识别的山坡、灌木等区域采用“十”字胶带布设像控。

4.2 数据采集

利用飞马无人机管家智飞行软件打开智航线规划好的测区任务,连接电台和飞机,登录千寻CORS网络,检查对应的设置即可点击飞行,飞机将按照预设的航线进行数据采集。无人机在起飞前要确保起降场地的空旷,仔细检查地面站、飞行平台、电池电量等。飞机降落之后把飞机的POS数据和航拍的照片进行拷贝,检查数据的完整性。

5 内业数据处理

5.1 数据预处理

首先,需要对下载的机载POS数据利用无人机管家内部的智理图中的GPS处理功能把飞机的POS数据转换成标准的Renix格式;然后,利用GPS解算功能下载基准站文件;随后,进行融合PPK差分后处理,进而得到精准的POS坐标信息。利用快速图像整理工具将照片和POS一一对应,去除冗余影像,视外业拍摄的照片情况选择对原始影像进行匀光、匀色、亮度增强等。

5.2 影像数据处理

本次航测内业数据处理采用瞰景Smart3D进行处理,导入影像照片2658张,检查POS信息与图像一一对应,相机参数正确后,即可对影像提交第一次空三运算。瞰景Smart3D通过对多视角影像提取同名像点,软件自动匹配同名点,根据同名点求解出每个影像的位置和姿态。空三解算标定照片之后即可导入外业采集的像控点再利用像控点约束平差空三结果,每个像控点需要刺至少4～5张照片,并且尽可能保障像控点的视角在照片的中间。

当空三精度合格后,重新提交任务进行重建三维实景模型[4],根据电脑配置选取瓦块大小,根据项目要求选择精度进行处理。瓦块大小要根据实际电脑配置进行选择,填写合适的数值使得运行效率达到最佳,选取需要成图的瓦块或导入范围以去除掉多余的成图面积,减少不必要的工作。待软件把所有的瓦块都处理完成,即可浏览三维模型。

表3 检查点精度

由表3可见倾斜模型的精度满足《三维地理信息模型数据产品规范》(CH/T 9015-2012)中规定的要求。

6 蓄能电站布置套合与场地布置优化应用

生成的倾斜模型OSGB数据格式可以支持多平台的数据共享,结合电站总体布置的平面图,可以直观地分析场地布置的合理性、临时施工道路的坡度等信息。相比传统的地形图在整体布置上倾斜模型具有直观、精准、方便修改优化的优势,同时倾斜模型具有高程信息可以计算场地的填挖方量、进而实现土方的平衡[5],实践应用见图3场地土方平衡分析。在设计规划阶段可以利用倾斜模型对电站临时生产设施用地做整体布置;在施工准备阶段因多数场地布置属于一般项目中的总价承包项目,合理优化场地布置方案能够降本增效。

图3 场地土方平衡分析

通过本次生产的倾斜模型在浙江某蓄能电站上融合设计规划阶段的场地布置图,施工单位对业主交付的9块临时设施场地布置进行了场平的优化调整,对部分场地位置进行调整,大大节约了成本。

7 结论

本工程把飞马D2000无人机生成的倾斜模型较好地与蓄能电站场地布置有效地结合。通过项目应用实践,证明了飞马D2000无人机在高差起伏大的山区作业的优势,作业效率大大提高,生产的倾斜模型精度满足《三维地理信息模型数据产品规范》(CH/T 9015-2012)中规定的要求,并且可以辅助优化蓄能电站场地布置,为蓄能电站参建各方提供技术借鉴。