无人机低空摄影测量在云南高原山区风电场地形测量中的应用

摘 要：文章通过对云南高原山区风电场地形图测绘实例，总结了利用无人机低空摄影测量制作1/2000比例尺地形图的作业流程，探讨了影响无人机低空摄影测量精度的因素和解决方法。

关键词：无人机低空摄影测量；高原山区；风电场；地形图测量；应用

引言

云南风电场工程大多位于高山峻岭之上，山高坡陡、地形复杂多变，平均海拔均在2000米以上，地形高差变化最大达1000米。采用全野外测图不仅劳动强度大、效率低，而且测量精度也难以显著提高。随着无人机低空摄影测量技术的发展和应用，使用该技术完成云南高原山区风电场地形图测量工作是必然选择。

与传统的航空摄影测量比较，无人机低空摄影测量具有以下几个特点：（1）低空飞行，空域申请便利；（2）云下飞行，降低了对天气条件的要求；（3）平台构建、维护以及作业成本低；（4）飞行高度低，能获取大比例尺精度影像；（5）影像重叠度高，增强了后续处理的可靠性。

无人机低空摄影测量系统主要由固定翼无人机、 CCD数码相机、自驾仪、相机稳定平台和地面站等硬件构成。

1 作业流程

无人机低空摄影测量技术在地形图测量过程中，主要分为六个步骤：（1）获取影像；（2）像控与调绘；（3）空三加密；（4）内业测图；（5）外业检查；（6）数据处理与图幅整饰。

1.1 影像获取

获取高质量航摄影像是地形图测量的前提条件，其基本步骤如图1所示。

1.1.1 航带设计

以云南某风电场1：2000地形测量为例，测量面积约70平方千米，采用中测新图ZC-1固定翼轻型无人机航摄系统，航摄相机为Canon EOS 5D Mark II，像幅大小为5616*3744 pix，相机焦距为35毫米，像元大小6.41？滋m。

（1）本次航飞共布设四个架次，飞行航片约3450张。最高点高程2610米，最低点高程1875米，平均地面高度为2340米，飞行高度3050米，其相对航高为440～1175米。影像地面分辨率（GSD）在0.08米-0.21米之间。

（2）四个架次航向间距约为100米，旁向间距约为80米，一架次共14条航带，每条航带约48条基线到80条基线左右；二架次共11条航带，每条行带约95条基线左右；三架次共14条航带，每条航带约约67条基线到80条基线左右；四架次共6条航带，每条航带约70条基线左右。

（3）影像质量：像片倾斜角大部分小于4°，所有相片旋偏角小于7°，航线弯曲度小于3%，同航线高差小于30米，实际与设计航向小于30米。像片位移误差小于30米。影像清晰，层次丰富，反差适中，色调柔和，有薄薄的云影，无大面积反光，能够建立清晰的模型。

1.1.2 像控点布设

根据《低空数字航空摄影测量外业规范》（CH/Z 3004-2010）要求，航向方向按照10-15条基线，旁向方向按照2-4条基线进行布设。布点能有效控制住成图范围，测段接头处无漏洞。像控点选刺在像片航向及旁向重叠六片（五片）范围内。本次摄影面积约70平方千米，共布设了111个像控点。

1.1.3 空三加密

无人机低空摄影测量与传统的摄影测量相比，存在摄影平台稳定性较差，采用的非量测相机像幅小，像片数量多，镜头畸变等不利因素，传统的摄影测量处理软件很难处理无人机影像。目前涉及低空摄影测量比较成熟的软件有武汉大学遥感院研制开发的DPGrid，超图股份有限公司研发的INPHO。在本风电场项目中采用了INPHO进行控三加密，并用MatchAT光束法平差软件进行空三计算。

量测外控点时，先量测测区四周6个像控点，进行平差；其它像控点就可以通过预测的功能来找到大概位置，达到快速量测的目的。测区基本平面和高程控制点亦参与计算，以提升空三加密的整体精度。

本项目共分为三个空三加密区域：飞行一架次为加密一区、飞行二架次为加密二区、飞行三、四架次为加密三区。其最终空三加密点对附近野外控制点的精度为Mxy=0.179米，Mz=0.739米；满足于高山地区1：2000地形图成图精度要求。

1.2 内业成图

空三加密完成后进行1：2000比例尺地形图测绘工作，量取地物点平面和高程信息等。

1.3精度检查

为检验无人机低空摄影测量在高原山区地形图测量精度情况，我们对该风电场1：2000地形图进行了外业检查。检查采用RTK实测地形点和地物点的平面和高程，共测量地形点1843个，地物点267个，其平面最大较差为0.34米，高程最大较差为1.73米；平面最小较差0.007米，高程最小较差0.022米；地物点平面中误差为±0.40米，等高线高程中误差为±0.61米，满足于高山地区地形图测量精度要求。

2 影响精度因素分析

2.1 天气因素

采用固定翼无人机进行航空摄影，与传统的测绘航空摄影相同，在条件许可的情况下，尽可能选择晴朗、能见度高的天气进行航空摄影，这样能够获得色彩、地面信息丰富的影像，同时，能见度好的天气，地面雾霾影响较小，影像曝光时光线的折射、散射现象较少，可以大幅度提高成图的精度。

2.2 加密因素

固定翼无人机航空摄影获取的航空影像幅面较小，采用原有的空三软件进行平差解算，在多个测区处理过程中，均会发生不同程度的错误，加密测区的选构尤为重要，目前使用较多的PATB平差软件，对此类小幅面数码影像的剔错能力远远小于23*23幅面，这往往表现在高程方面。

2.3 飞行姿态

固定翼无人机作为飞行平台，体积和重量远小于常规的大型运输机，在执行航空摄影任务时，容易受气流变化和风力的影响，由于采用了二维姿态稳定平台，在小范围短时间内，受风力和风向的变化影响不大，容易通过姿态稳定平台的纠正获得理想的姿态角度，但是气流的突变往往造成稳定平台的纠正不及时，曝光获取的影像姿态角度较大，往往在突变瞬间曝光的影像还会出现重影，不能满足成图的需要，同时，由于姿态的影响，相片倾角将造成模型高程面进行扭曲，其扭曲的结果为一二次抛物面的扭曲，其大小与模型左右片倾角有关。

3 结束语

（1）通过对该风电场1：2000地形图测量和精度检查，说明利用固定翼无人机作为飞行平台以及利用经过可量测化处理后的CCD工业数码相机获取测区航空影像，进行云南高原山区1：2000比例尺地形图测量是切实可行的，并具有经济、高效等特点。

（2）进行固定翼无人机机载GPS的研究，在此基础上采用构架航线实现机载GPS获取每张航片外方位元素的三个线元素，大大减少地面相片控制点的数量，更进一步提高该系统的作业效率。

（3）进行CCD芯片数码影像在航向上的像移补偿研究，采用TDI（时间延迟积分）技术，降低对相机快门速度的要求，获取较大光通量的同时获取无航向像移的航空影像，对于提高无人机低空航空摄影高程精度有着积极的意义。

参考文献

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