低空無人機(jī)航攝系統(tǒng)在長距離輸油(氣)管道1∶2000帶狀地形圖測繪中的應(yīng)用研究

呂立蕾，張衛(wèi)兵，胡樹林，楊 軍，巴 亮

（中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司，河北任丘062552）

一、引 言

長距離輸油(氣)管道是國家油氣儲(chǔ)運(yùn)項(xiàng)目的重要組成部分，隨著國家能源戰(zhàn)略的加速推進(jìn)，主支干輸油(氣)管道鋪設(shè)工程越來越呈現(xiàn)出距離長、覆蓋廣、地形復(fù)雜、工期緊的特點(diǎn)，對(duì)線路測量也提出了更高的要求。

傳統(tǒng)人工測量模式存在作業(yè)周期長、人力投入大、成本高等問題，甚至?xí)霈F(xiàn)困難地區(qū)無法施測，無法滿足高難度、快節(jié)奏測量生產(chǎn)的需要。因此，借助新技術(shù)、新工藝來滿足長距離輸送管道項(xiàng)目開發(fā)時(shí)間短、任務(wù)重、質(zhì)量高的需要顯得極為迫切。

現(xiàn)有的衛(wèi)星遙感技術(shù)雖然能夠獲取大區(qū)域的空間地理信息，但受回歸周期、軌道高度、氣象等因素影響，遙感數(shù)據(jù)分辨率和時(shí)相難以保證。常規(guī)航攝技術(shù)因受空域協(xié)調(diào)、起降場地選取、天氣等因素的影響較大，缺乏機(jī)動(dòng)快速能力，同時(shí)成本較高，靈活及精細(xì)度不足，無法及時(shí)有效地滿足小范圍高分辨率數(shù)據(jù)快速獲取。而作為傳統(tǒng)航空攝影測量補(bǔ)充手段的低空無人機(jī)航攝技術(shù)，憑借其自身機(jī)動(dòng)靈活、高效快速、困難地區(qū)探測的航片獲取技術(shù)，以及精準(zhǔn)的后處理技術(shù)，大大降低了作業(yè)成本和生產(chǎn)周期［1-2］，在“短、平、快”的長輸管道線路地形圖測繪方面具有明顯優(yōu)勢。

管道測量主要包含線路測量、穿跨越工程測量和站場測量。其中，線路測量在中線兩側(cè)各100 m范圍內(nèi)，采用1∶2000比例尺;穿跨越工程和站場測量采用1∶500比例尺［3］。本文主要針對(duì)無人機(jī)航測系統(tǒng)在1∶2000線路測量中的應(yīng)用展開研究。

二、無人機(jī)系統(tǒng)簡介

低空無人機(jī)(unmanned aerial vehicle，UAV)航攝系統(tǒng)［4］是一種集無人駕駛飛行器、遙感及GPS導(dǎo)航定位等技術(shù)于一體建立起來的高機(jī)動(dòng)性、低成本和小型化、專用化的遙感系統(tǒng)。如圖1所示。

圖1 無人機(jī)航攝系統(tǒng)組成

無人機(jī)航測系統(tǒng)主要包括無人機(jī)飛行平臺(tái)、飛行控制系統(tǒng)和非量測型面陣CCD數(shù)碼相機(jī)，以及地面站、遠(yuǎn)程無線通信裝置、地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等輔助設(shè)施。

1.無人機(jī)飛行平臺(tái)

無人機(jī)飛行平臺(tái)主要包含固定翼無人機(jī)、旋翼輕型無人機(jī)和無人飛艇。由于固定翼無人機(jī)具有低成本，可實(shí)現(xiàn)低速平穩(wěn)飛行等優(yōu)點(diǎn)，本研究采用固定翼無人機(jī)平臺(tái)，該平臺(tái)主要參數(shù)見表1。

表1 平臺(tái)主要參數(shù)

2.飛行控制系統(tǒng)

飛行控制系統(tǒng)用于飛行控制及任務(wù)設(shè)備管理，由自駕儀、姿態(tài)陀螺、GPS定位裝置、無線電遙控系統(tǒng)等組成，可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)姿態(tài)、航高、速度、航向的控制及各個(gè)參數(shù)的傳輸，以便于地面人員實(shí)時(shí)掌控飛行情況。本研究中使用UP30型無人機(jī)飛控導(dǎo)航系統(tǒng)。

3.攝影傳感器

本研究中搭載傳感器為EOS 5D MarkII，鏡頭標(biāo)稱焦距有24 mm、35 mm兩種;CMOS傳感器尺寸:36 mm×24 mm，最大像素:6048像素×4032像素。飛行過程中采取飛控系統(tǒng)控制快門定點(diǎn)曝光，將對(duì)焦環(huán)固定在無窮遠(yuǎn)處鎖定相機(jī)的內(nèi)方位元素，采用固定光圈以保證統(tǒng)一物鏡畸變參數(shù)，并伴有二軸穩(wěn)定云臺(tái)。

4.地面控制系統(tǒng)

地面控制系統(tǒng)的功能包括:航攝前期主要有測區(qū)查詢、航線設(shè)計(jì)及參數(shù)設(shè)置;飛行階段實(shí)時(shí)顯示飛行參數(shù)，輔助飛控人員進(jìn)行飛行;后期統(tǒng)計(jì)輸出導(dǎo)航文件、影像飛行質(zhì)量快速檢查等。

三、無人機(jī)航攝系統(tǒng)在長距離輸氣管道測量中的應(yīng)用

某煤制氣支干線全長113 km，測區(qū)地勢東北高西南低，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜。其中，山區(qū)約占70%，平原約20%，丘陵10%。因管道施工設(shè)計(jì)需求，需在20個(gè)工作日內(nèi)提供全線1∶2000帶狀地形圖(沿中線兩側(cè)各100 m范圍)。為保證工期與質(zhì)量，決定采用無人機(jī)航攝技術(shù)，技術(shù)流程如圖2所示。

1.無人機(jī)航攝數(shù)據(jù)獲取

（1）測區(qū)相關(guān)資料的收集

在飛行設(shè)計(jì)之前對(duì)測區(qū)概況進(jìn)行了解并收集相關(guān)資料，如測區(qū)地形圖、GPS控制點(diǎn)坐標(biāo)等。

圖2 無人機(jī)航測技術(shù)流程

（2）飛行設(shè)計(jì)

根據(jù)工程項(xiàng)目的成圖要求及測區(qū)地形起伏狀況，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)5個(gè)航攝架次，航高依分區(qū)海拔高度設(shè)置為600～1200 m，地面分辨率優(yōu)于0.2 m，帶寬1 km。

（3）數(shù)據(jù)采集

將規(guī)劃好的航線載入飛行控制系統(tǒng)，地面控制子系統(tǒng)按照規(guī)劃航線控制無人機(jī)飛行，飛控系統(tǒng)則按預(yù)設(shè)的航線和拍攝方式控制相機(jī)進(jìn)行拍攝。

本試驗(yàn)共獲取影像3500張，采用人工選取同名點(diǎn)的方法計(jì)算相鄰像片的重疊度和旋偏角，利用飛控?cái)?shù)據(jù)和導(dǎo)航數(shù)據(jù)來檢查航線的彎曲度、同一航線的航高差等參數(shù)［5］，經(jīng)檢查均達(dá)到規(guī)范要求(如圖3所示)。

2.像控布設(shè)及施測

根據(jù)“條帶”狀測區(qū)特點(diǎn)，全區(qū)采用平高區(qū)域網(wǎng)單航帶雙模型［6］布點(diǎn)方案。每隔5條基線布一對(duì)平高點(diǎn)，不規(guī)則區(qū)域網(wǎng)在凹拐角處加布平高點(diǎn)。全線共布設(shè)外業(yè)像控點(diǎn)408個(gè)。

3.影像處理

影像處理主要包括畸變差糾正、空中三角測量、三維產(chǎn)品制作及精度檢查等內(nèi)容。

（1）影像畸變差糾正

由于低空無人機(jī)的載重及體積原因，搭載傳感器為非量測型相機(jī)，感光單元的非正方形因子和非正交性，以及物鏡組的徑向和切向畸變差的存在使得獲取的數(shù)碼影像存在各種畸變差，不能直接用于測繪生產(chǎn)［7］。本試驗(yàn)中航飛前在專業(yè)檢校場對(duì)相機(jī)進(jìn)行精檢校，獲取相機(jī)畸變差系數(shù)，借助Pixel Grid畸變糾正模塊完成數(shù)據(jù)預(yù)處理。

圖3 影像重疊度顯示

（2）空中三角測量

空中三角測量是數(shù)據(jù)處理的核心，主要作業(yè)方法為根據(jù)POS數(shù)據(jù)自動(dòng)建立航帶內(nèi)和航帶間的拓?fù)潢P(guān)系網(wǎng)進(jìn)行全自動(dòng)連接點(diǎn)提取，通過大量平差點(diǎn)和快速平差算法完全剔除粗差點(diǎn)，利用控制點(diǎn)作空中三角測量計(jì)算，獲取精確的外方位元素［8］，生成加密點(diǎn)坐標(biāo)。本項(xiàng)目丘陵地區(qū)空三加密成果精度見表2。

表2 檢查點(diǎn)精度表 m

以丘陵地形為參照，表2所列多余控制點(diǎn)平面與高程殘差最大差值均小于丘陵地限差(平面0.5 m，高程0.4 m)要求。

（3）DOM、DEM、DLG 制作

在VZ站下導(dǎo)入空三成果恢復(fù)立體模型，生成核線影像文件，進(jìn)行影像匹配、編輯，線劃圖采集。根據(jù)外業(yè)調(diào)繪片在CASS環(huán)境下進(jìn)行屬性編輯、圖廓整飾。利用采集的三維DLG數(shù)據(jù)內(nèi)插生成DEM數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行DOM的制作。將正射影像圖與線劃圖疊加分幅整飾最終完成線路1∶2000帶狀地形圖制作，如圖4、圖5所示。

圖4 DEM成果

圖5 DLG和DOM疊加帶狀地形圖

（4）DLG成圖精度分析

精度評(píng)定包含地理精度和數(shù)學(xué)精度評(píng)定兩方面。地理精度評(píng)定采取外業(yè)巡視的方法對(duì)圖面地理要素的正確性及數(shù)據(jù)完整性、綜合取舍的合理性、接邊質(zhì)量等進(jìn)行檢查;數(shù)學(xué)精度評(píng)定包括平面位置評(píng)定和高程評(píng)定，主要采用RTK實(shí)測地物點(diǎn)，并對(duì)比圖上坐標(biāo)，計(jì)算較差，利用點(diǎn)位中誤差公式計(jì)算出各個(gè)檢查點(diǎn)的平面位置中誤差和高程中誤差。

在保證精度評(píng)定基礎(chǔ)上，全區(qū)以地貌差異為劃分單元，選取11個(gè)檢查樣本區(qū)(平原4個(gè)，丘陵3個(gè)，山區(qū)6個(gè))。本試驗(yàn)采取地理精度、數(shù)學(xué)精度同步檢查方式，在對(duì)地物特征點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場地物實(shí)際情況檢查圖面信息，并保證每個(gè)樣本區(qū)均勻抽取30個(gè)檢測點(diǎn)以上，如圖6所示。

圖6 精度抽檢樣本區(qū)

由于不同地形地貌對(duì)高程精度影響較大，因此高程精度統(tǒng)計(jì)采取分區(qū)域形式，平面精度采用全線綜合統(tǒng)計(jì)。中誤差采用高精度檢測公式［9］，即

各樣本區(qū)高程中誤差見表3。

為了更好地驗(yàn)證平面位置精度，避免實(shí)測點(diǎn)位過程中選取點(diǎn)位與圖上點(diǎn)位人為誤差的存在，平面精度在各樣本區(qū)外業(yè)實(shí)測點(diǎn)中均勻選取100個(gè)房角、公路拐角、獨(dú)立地物作為檢查點(diǎn)，精度檢查結(jié)果見表4。

表3 高程精度檢查表 m

表4 平面精度檢查表m

分析表3、表4數(shù)據(jù)可知，基于無人機(jī)航攝技術(shù)的1∶2000線路帶狀地形圖高程、平面中誤差均滿足《1∶500、1∶1000、1∶2000 地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》(GB/T 7930—2008)要求。其中，高程精度隨地形變化差異較大，地形略有起伏的丘陵地帶精度最優(yōu)，平面精度總體保持良好。分析誤差產(chǎn)生的原因:從無人機(jī)自身考慮，機(jī)身姿態(tài)不穩(wěn)定、傳感器采用非量測型相機(jī)對(duì)高程精度影響較大;從作業(yè)過程來看，內(nèi)業(yè)空三加密、立體測圖等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的誤差，以及外業(yè)GPS實(shí)測像控點(diǎn)、檢查點(diǎn)產(chǎn)生的誤差都造成了高程、平面精度的損失。

通過與實(shí)地地物特性現(xiàn)場對(duì)比、量測可知，圖面內(nèi)容表達(dá)清晰，地物地貌取舍合理，均符合《1∶500 1∶1000 1∶2000 地形圖圖式》(GB/T 7929—1995)規(guī)范要求。其中，通信線、電力線走向粗差率較高，經(jīng)分析得知原因?yàn)閮?nèi)業(yè)采集無法完全識(shí)別電桿位置，外業(yè)調(diào)繪存在誤差所致。

四、結(jié)束語

低空無人機(jī)具有輕便靈活、反應(yīng)迅速、成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，本文將該技術(shù)應(yīng)用于“條帶狀”工程——長距離輸氣管道線路帶狀地形圖測量中，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該技術(shù)在“短、平、快”的長距離輸油氣管道帶狀地形圖測量中優(yōu)勢明顯，可以高效、快速、保質(zhì)地完成測量工作，極大地節(jié)省了人力，縮短了測量周期。

需要指出的是，低空無人機(jī)航攝系統(tǒng)自身仍存在諸多缺陷，如采用小幅面的非量測型相機(jī)，單幅影像覆蓋面積小，正射影像圖接縫工作量變大;像對(duì)模型變多，增加了模型切換和模型接邊工作量;系統(tǒng)姿態(tài)不穩(wěn)定、基高比［10］變小，使得空中三角形不穩(wěn)定，從而引起高程精度損失，使得其在線路的穿越、站址處的大比例尺(1∶1000、1∶500)測圖無法滿足高程精度要求。

因此，后續(xù)工作中將主要研究利用外業(yè)實(shí)測高程點(diǎn)對(duì)低空攝影測量高程數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合修正，并根據(jù)擬合精度情況考慮是否可以將無人機(jī)航測技術(shù)應(yīng)用于線路站址、穿越處大比例尺測圖生產(chǎn)，以進(jìn)一步發(fā)展無人機(jī)航攝技術(shù)在長距離輸油氣管道中的應(yīng)用。

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