無人機(jī)航空攝影測(cè)量在油氣管道工程中的應(yīng)用

李 瑋

中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

無人機(jī)航空攝影測(cè)量是一種獲取高分辨率數(shù)據(jù)的航測(cè)技術(shù),具有造價(jià)低、操作靈活、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、高危地區(qū)探測(cè)等技術(shù)特點(diǎn),突破了傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量和衛(wèi)星遙感測(cè)量不能完全解決的測(cè)繪時(shí)效性和性價(jià)比的難題,在工程建設(shè)中的應(yīng)用效果顯著[1]。近幾年,無人機(jī)硬件技術(shù)、飛行控制技術(shù)和設(shè)備集成技術(shù)發(fā)展迅速,無人機(jī)航空攝影測(cè)量作為新興航空攝影測(cè)量技術(shù),在石油天然氣行業(yè)中的應(yīng)用越來越多。特別是在油氣管道方面,無人機(jī)航空攝影測(cè)量為管道工程建設(shè)提供了豐富可靠的基礎(chǔ)測(cè)繪成果,為油氣管道的建設(shè)發(fā)揮了重要作用[2]。本文通過工程項(xiàng)目試驗(yàn)實(shí)例，分析無人機(jī)航空攝影測(cè)量的技術(shù)應(yīng)用。

1 航空攝影

試驗(yàn)測(cè)區(qū)位于四川省梓潼縣境內(nèi),線路長(zhǎng)約15 km。測(cè)區(qū)地理位置為東經(jīng)105°09′22″～105°12′48″，北緯31°37′35″～31°35′49″,測(cè)區(qū)平均海拔496 m,周邊海拔460～580 m,相對(duì)高差120 m左右,地勢(shì)起伏不大,屬于丘陵平原地帶。線路從西到東地面高程上升,植被較多。試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為線路中心線兩側(cè)各200 m范圍的1∶2 000 DEM及DOM成果制作。

1.1 無人機(jī)技術(shù)指標(biāo)

本次試驗(yàn)采用一款卓越的多功能型航拍、實(shí)時(shí)影像回傳的無人機(jī),由世界知名無人機(jī)廠商生產(chǎn)。該型無人機(jī)經(jīng)過了大量、反復(fù)地飛行測(cè)試,具有高耐久性、高穩(wěn)健性等特點(diǎn),可以獲取高質(zhì)量的航攝像片,同時(shí),還可以選配實(shí)時(shí)視頻傳輸系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、指揮和調(diào)度工作。無人機(jī)主要性能指標(biāo)見表1。

1.2 實(shí)地踏勘和航線設(shè)計(jì)

1.2.1 實(shí)地踏勘

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)區(qū)的線路路由地面情況,試驗(yàn)組對(duì)測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了踏勘。踏勘主要任務(wù)為選擇無人機(jī)的起降場(chǎng)地,起降場(chǎng)地的選擇主要考慮因素:無明顯障礙物,包括架空線路、高層建筑物、山嶺等;無大面積水域、深溝、樹林等;松軟土質(zhì)或低矮植被[3]。

1.2.2 航線設(shè)計(jì)

踏勘完畢后,試驗(yàn)組在實(shí)地進(jìn)行了航線設(shè)計(jì)。本次試驗(yàn)按3個(gè)航攝架次飛行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)航線14條,任意向飛行,飛行航高約400～500 m。航線設(shè)計(jì)圖見圖1。

表1無人機(jī)主要性能指標(biāo)

性能指標(biāo)數(shù)據(jù)翼展/m1.60最大起飛重量/kg4.30最大飛行高度/m4 500 滯空時(shí)間/min60～90任務(wù)執(zhí)行距離/km50巡航速度/(km·h-1)63～81抗風(fēng)級(jí)數(shù)/級(jí)6起飛/回收方式彈力繩/降落傘動(dòng)力系統(tǒng)無刷電動(dòng)馬達(dá)通訊頻率/MHz868光學(xué)相機(jī)2 430萬像素,F2.0,35 mm,35全畫幅地面控制站手持終端器,筆記本電腦

圖1 航線設(shè)計(jì)圖

1.3 航空攝影及質(zhì)量檢查

1.3.1 航空攝影

航空攝影時(shí)因氣候突變,天氣情況為小雨、微風(fēng),地面反射條件較差。因此,執(zhí)行航飛任務(wù)時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)航線進(jìn)行了調(diào)整,將第1架次航線進(jìn)行了局部微調(diào),第2架次和第3架次的順序?qū)φ{(diào)。實(shí)際飛行航線19條,共1 145張影像,面積約9.45 km2。第1架次490張影像,第2架次262張影像,第3架次393張影像,測(cè)區(qū)接邊處均有重疊影像,實(shí)際飛行航線見圖2。

圖2 實(shí)際飛行航線

1.3.2 質(zhì)量檢查

質(zhì)量檢查采用EasyMos軟件,通過航飛質(zhì)檢功能,提取POS導(dǎo)航數(shù)據(jù),對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)影像的飛行質(zhì)量進(jìn)行全面檢查[4]。以第3架次共393張像片質(zhì)檢為例,由于航攝時(shí)天氣的影響,本架次個(gè)別航線重疊度和旋偏角不能滿足規(guī)范要求,但與規(guī)范規(guī)定的臨界值差數(shù)較小,根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),為保證連接影像的完整,本次試驗(yàn)對(duì)此情況忽略不計(jì)。飛行質(zhì)量檢查結(jié)果見表2。

表2飛行質(zhì)量檢查結(jié)果

最大重疊度/(%)最小重疊度/(%)平均重疊度/(%)最大旋偏角/(°)最小旋偏角/(°)平均旋偏角/(°)96.4554.2367.78160.16.18

2 像片控制測(cè)量

像片控制測(cè)量采用航線網(wǎng)和全野外布點(diǎn)相結(jié)合的方式進(jìn)行,像片控制點(diǎn)的布設(shè)按飛行架次設(shè)計(jì),盡量考慮在航向和旁向6片或5片重疊區(qū)域內(nèi)布設(shè)像片控制點(diǎn)。像片控制點(diǎn)點(diǎn)位目標(biāo)影像清晰、易于判別和立體量測(cè),平面和高程控制點(diǎn)共用[5-6]。像片控制測(cè)量采用GNSS RTK測(cè)量方法進(jìn)行,實(shí)施時(shí)GNSS RTK施測(cè)像片控制點(diǎn)相對(duì)于臨近等級(jí)控制點(diǎn)的精度指標(biāo)為:平面中誤差不大于5 cm,高程中誤差不大于10 cm。像片控制點(diǎn)的布設(shè)情況見表3。

表3像片控制點(diǎn)的布設(shè)情況

架次點(diǎn)數(shù)176223316

3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用EasyMos軟件和M-DPGrid(移動(dòng)式數(shù)字自攝影測(cè)量網(wǎng)格)系統(tǒng)進(jìn)行,按航空攝影架次分區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。主要內(nèi)容包括：影像畸變校正、空中三角測(cè)量、DEM及DOM成果制作。

3.1 影像畸變校正

航空攝影像片經(jīng)質(zhì)檢分析滿足使用要求后,需進(jìn)行影像畸變校正[7],畸變校正在EasyMos軟件中進(jìn)行。通過輸入檢校相機(jī)的畸變參數(shù),設(shè)定輸入和輸出目錄,批量進(jìn)行各架次航空攝影像片的畸變校正,校正后的影像作為下一內(nèi)業(yè)工序的輸入條件,以滿足空中三角測(cè)量計(jì)算和平差的需要。

3.2 空中三角測(cè)量

空中三角測(cè)量采用M-DPgrid系統(tǒng),主要工作內(nèi)容包括:影像自動(dòng)匹配與轉(zhuǎn)點(diǎn)、交互式編輯、區(qū)域網(wǎng)平差等[8]?？罩腥菧y(cè)量工作流程見圖3。

3.2.1 影像自動(dòng)匹配與轉(zhuǎn)點(diǎn)

在影像自動(dòng)匹配與轉(zhuǎn)點(diǎn)時(shí),應(yīng)注意執(zhí)行程序前的參數(shù)設(shè)置[9]。本次試驗(yàn)任務(wù)參數(shù)設(shè)置為:每張影像標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位個(gè)數(shù)“5”,每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位上保留點(diǎn)的個(gè)數(shù)“3”,粗差閥值“2”(像素)。

圖3 空中三角測(cè)量工作流程

3.2.2 交互式編輯

影像自動(dòng)匹配與轉(zhuǎn)點(diǎn)工作完成后,需進(jìn)行粗差點(diǎn)自動(dòng)挑選,確保每個(gè)點(diǎn)都是同名點(diǎn)的同時(shí),還需要檢查測(cè)區(qū)內(nèi)是否缺點(diǎn)或漏點(diǎn)[10]。當(dāng)自動(dòng)計(jì)算的連接點(diǎn)不能滿足加密要求時(shí),需人工增加一些連接點(diǎn),在模型間保證足夠的連接強(qiáng)度。且航帶間的每張像片要均勻分布的多度重疊點(diǎn),以保證控制網(wǎng)的強(qiáng)度[11-12]。

3.2.3 區(qū)域網(wǎng)平差

采用M-DPGrid系統(tǒng)內(nèi)置iBundle-Frame軟件進(jìn)行分區(qū)區(qū)域網(wǎng)平差。平差時(shí)應(yīng)反復(fù)檢查已知控制點(diǎn)的點(diǎn)位和高程精度指標(biāo),對(duì)于差值較大的已知點(diǎn)需在交互式編輯狀態(tài)下對(duì)其點(diǎn)位和高程信息進(jìn)行核實(shí)和檢驗(yàn)[13]。對(duì)于自動(dòng)或人工轉(zhuǎn)點(diǎn)的點(diǎn)位需進(jìn)行檢驗(yàn)和調(diào)整,確認(rèn)已知控制點(diǎn)的轉(zhuǎn)點(diǎn)位置無誤以及其他同名點(diǎn)無粗差后,再次進(jìn)行平差,輸出平差報(bào)告。以第3架次的分區(qū)為例,控制點(diǎn)殘差統(tǒng)計(jì)見表4。

3.3 DEM及DOM成果制作

DEM制作是在DSM基礎(chǔ)上進(jìn)行的,通過自動(dòng)濾波和人機(jī)交互,在立體模型下人工干預(yù)測(cè)區(qū)DSM格網(wǎng)點(diǎn)的高度信息[14-15]。DSM的人工干預(yù)主要體現(xiàn)在植被、房屋、水域、橋梁等區(qū)域,數(shù)據(jù)處理人員需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地表情況和調(diào)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[16-17]。DOM制作則是通過匹配的點(diǎn)云進(jìn)行單片糾正,再進(jìn)行融合拼接處理,這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于不易出現(xiàn)較大的接邊差和影像物理拉伸現(xiàn)象,可以在最大程度上保證DOM的影像質(zhì)量[18-19]。DEM及DOM成果見圖4。

表4控制點(diǎn)殘差統(tǒng)計(jì)單位:m

圖4 DEM及DOM成果

4 精度分析

本次試驗(yàn)分別對(duì)影像平面位置和DEM高程精度進(jìn)行了外業(yè)檢驗(yàn),為了整體反映航空攝影測(cè)量精度,檢查點(diǎn)均勻分布在整個(gè)測(cè)區(qū)[20-21]。利用GNSS RTK共采集了126個(gè)地面檢查點(diǎn),計(jì)算結(jié)果表明試驗(yàn)成果的平面位置精度較高,而高程精度偏低。精度較高的檢查點(diǎn)主要集中在測(cè)區(qū)西部平坦地區(qū),精度較差的點(diǎn)則主要集中于東部山區(qū)和中部水域附近。GNSS RTK檢查結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表5。

表5GNSS RTK檢查結(jié)果統(tǒng)計(jì)

類別中誤差/m百分比/(%)成果精度/m平面0～0.8570.8～1.2351.2以上8中誤差0.66高程0～0.8520.8～1.4391.4以上9中誤差0.82

5 結(jié)論

無人機(jī)航空攝影測(cè)量在應(yīng)用時(shí),主要應(yīng)考慮:無人機(jī)設(shè)備性能和參數(shù);空三加密過程變形度;地物配準(zhǔn)程度;作業(yè)采集精度;出圖、處理精度等。測(cè)區(qū)天氣情況對(duì)無人機(jī)航空攝影質(zhì)量具有決定性的作用,航空攝影時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)規(guī)劃航線進(jìn)行調(diào)整;軟件中個(gè)別超限的質(zhì)檢指標(biāo)可忽略;內(nèi)業(yè)處理時(shí)采用自動(dòng)化程度高、處理效率和質(zhì)量好的全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量軟件,可以取到事半功倍的效果。本次試驗(yàn)結(jié)果表明:無人機(jī)航空攝影測(cè)量在油氣輸送管道工程測(cè)量中的應(yīng)用是可行的,試驗(yàn)成果的質(zhì)量和精度滿足GB/T 50539-2009《油氣輸送管道工程測(cè)量規(guī)范》對(duì)線路帶狀地形圖、正射影像圖的精度要求。