無人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查及成果應(yīng)用

鄭永明，王艷梅，張志霞，張麗萍，谷艷如

(東方地球物理公司裝備服務(wù)處測(cè)量服務(wù)中心，河北涿州072751)

一、引 言

長期以來，石油物探施工中所用的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)多為國外商業(yè)遙感影像或國家基本比例尺地形圖。這些數(shù)據(jù)為野外地震勘探施工提供了必要的信息，方便了勘探作業(yè)的開展。但這些數(shù)據(jù)更新比較滯后，所表達(dá)的地理信息有時(shí)與工區(qū)現(xiàn)狀不匹配;在地物地貌復(fù)雜的工區(qū)，信息表達(dá)能力與所需求的勘探信息不相稱。這些因素制約了石油勘探的作業(yè)效率的提高。

近年來興起的無人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)是一項(xiàng)獲取空間數(shù)據(jù)的重要手段。該技術(shù)能獲取工區(qū)的正射影像和數(shù)字高程模型，展現(xiàn)勘探工區(qū)的三維地理信息。將無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)引入石油勘探生產(chǎn)對(duì)促進(jìn)石油勘探地震隊(duì)信息化建設(shè)，提高石油勘探生產(chǎn)效率具有重要意義。

二、無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)主要由固定翼無人機(jī)飛行平臺(tái)、數(shù)字遙感設(shè)備、電源系統(tǒng)組成;軟件系統(tǒng)主要包括測(cè)控地面站、遙感傳感器自動(dòng)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)后處理等。

無人機(jī)航測(cè)的工作流程為：根據(jù)工程要求，收集施工區(qū)域資料和遵照民航、通航和空域管理相關(guān)規(guī)定，進(jìn)行飛行前的協(xié)調(diào);布設(shè)在地面控制點(diǎn);設(shè)計(jì)航線，然后將數(shù)據(jù)上傳至無人機(jī)的飛行控制裝置，系統(tǒng)按設(shè)計(jì)航線進(jìn)行航測(cè)作業(yè);數(shù)字傳感器按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行地面數(shù)據(jù)的收集;地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示無人機(jī)飛行航跡，地面工作人員據(jù)此監(jiān)視無人機(jī)工作情況;結(jié)束飛行任務(wù)，下載航測(cè)數(shù)據(jù);利用數(shù)據(jù)后處理軟件結(jié)合相機(jī)參數(shù)，影像數(shù)據(jù)，控制點(diǎn)數(shù)據(jù)生產(chǎn)測(cè)區(qū)的數(shù)字正射影像地圖(DOM)和數(shù)字地面模型(DEM)和數(shù)字線劃圖。

三、航空飛行質(zhì)量檢查與應(yīng)用

1．工區(qū)情況介紹

保德工區(qū)主要位于山西省忻州市保德縣境內(nèi)。南北長大約40 km，西至黃河?xùn)|岸，東西長大約12 km，工區(qū)面積476．3 km2。測(cè)區(qū)大部分地區(qū)被較厚的黃土覆蓋，由于受流水的長期侵蝕，形成千溝萬壑、坡陡溝深的起伏地形。測(cè)區(qū)最高處1137 m，最低處790 m，相對(duì)高差347 m。測(cè)區(qū)的數(shù)據(jù)采集作業(yè)由固定翼無人機(jī)飛行平臺(tái)承擔(dān)。搭載傳感器焦距為24 mm，實(shí)際飛行11架次進(jìn)行，工區(qū)范圍和飛行航跡如圖1所示。

圖1 施工區(qū)域和航跡圖

2．航測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)

無人機(jī)航測(cè)所獲取的遙感數(shù)據(jù)，除了在現(xiàn)場(chǎng)檢查影像色調(diào)、飽和度、云和霧之外，還要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行檢查：

(1)影像重疊度

同一條航線內(nèi)相鄰的影像重疊稱為航向重疊，相鄰航線的重疊為旁向重疊。根據(jù)相關(guān)測(cè)量規(guī)范要求，航向重疊度一般為60% ～80%，最小不應(yīng)小于53%;旁向重疊度一般為15% ～60%，最小不應(yīng)小于8%。從飛行數(shù)據(jù)中隨機(jī)選一飛行架次，根據(jù)機(jī)載記錄數(shù)據(jù)攝影中心的直線元素，計(jì)算出旁向重疊度在 40．294% ～41．572%，航向重疊度在70．113% ～71．392%。計(jì)算結(jié)果如表1和圖2所示。所選數(shù)據(jù)的影像重疊均滿足低空數(shù)字航空攝影規(guī)范要求。

圖2 航向重疊度最大最小值展示

表1 實(shí)際飛行數(shù)據(jù)的航向重疊度

(2)航帶彎曲度

飛機(jī)在飛行過程中，受外界自然條件影響會(huì)出現(xiàn)偏離預(yù)設(shè)航線的情況。像主點(diǎn)偏離航線首尾連線的最大距離與航線首尾連線的長度比值稱為航帶彎曲度。實(shí)際飛行的航線彎曲度會(huì)影響影像重疊度。如果航帶彎曲度過大，可能會(huì)產(chǎn)生航攝漏洞，影響攝影測(cè)量的作業(yè)。航帶彎曲度不應(yīng)大于3%。計(jì)算結(jié)果如表2和圖3所示，所用數(shù)據(jù)最大彎曲度為0．0346%，小于測(cè)量規(guī)范限差，說明飛機(jī)作業(yè)過程中直線性飛行狀態(tài)良好。

圖3 所選試驗(yàn)數(shù)據(jù)的航帶彎曲度

表2 所選試驗(yàn)數(shù)據(jù)的航帶彎曲度

(3)航帶內(nèi)最大高差

無人飛機(jī)在飛行過程中，飛機(jī)實(shí)際飛行高度會(huì)偏離預(yù)設(shè)高度。測(cè)量規(guī)范要求同一航線上相鄰像片的航高差不應(yīng)大于30m，最大航高與最小航高之差不應(yīng)大于50m。從圖4飛行數(shù)據(jù)中可知，最大航高差為24．06 m，所選數(shù)據(jù)航帶內(nèi)最大高差為滿足低空數(shù)字航空攝影規(guī)范要求。

(4)像片旋角

正影像上相鄰主點(diǎn)連線與同方向連線的夾角即為像片旋角。一般像片旋角要求小于6°，個(gè)別最大不應(yīng)大于8°，而且不能有連續(xù)三片有超過6°情況。從表3和圖5中的飛行數(shù)據(jù)可知，像片旋角最大為4．81°，所選數(shù)據(jù)像片旋角滿足低空數(shù)字航空攝影規(guī)范要求。

圖4 測(cè)區(qū)航帶內(nèi)攝影中心高差顯示

圖5 測(cè)區(qū)飛行數(shù)據(jù)像片旋角

表3 測(cè)區(qū)飛行數(shù)據(jù)像片旋角統(tǒng)計(jì)

3．影像處理與應(yīng)用

在檢查外業(yè)飛行數(shù)據(jù)質(zhì)量合格，不用重飛或者補(bǔ)飛的情況下，利用數(shù)據(jù)后處理軟件，依據(jù)無人機(jī)航測(cè)內(nèi)業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)處理規(guī)范，檢查內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理精度。

航測(cè)影像內(nèi)業(yè)處理所參考的技術(shù)指標(biāo)依據(jù)《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量內(nèi)業(yè)規(guī)范》(CH/Z 3003—2010)，按成圖比例尺1∶2000的精度要求，正射影像的地面分辨率應(yīng)該滿足0．2m。山西保德區(qū)域最終獲取的影像地面分辨率為0．19 m，滿足規(guī)范對(duì)于1∶2000數(shù)字正射影像圖的分辨率要求。

規(guī)范要求生產(chǎn)數(shù)字線劃圖，數(shù)字正射影像圖時(shí)，區(qū)域網(wǎng)平差結(jié)束后，基本定向點(diǎn)殘差平面最大較差應(yīng)滿足在2m以內(nèi)，高程最大較差應(yīng)該滿足在1．5m以內(nèi)。成果僅用于數(shù)字正射影像制作時(shí)，高程精度可放寬。此工區(qū)所用的417個(gè)像控點(diǎn)做完空中三角測(cè)量后高程較差及平面位置較差如圖6和圖7所示。

圖6 像控點(diǎn)坐標(biāo)高程較差

圖7 像控點(diǎn)坐標(biāo)平面較差

經(jīng)計(jì)算，絕對(duì)定向點(diǎn)的平面位置中誤差為0．465 251 m，最大較差為1．665 m;高程中誤差為0．201335 m，最大較差為1．499m，滿足制作1∶2000正射影像圖精度要求。然后按圖8所示的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程生產(chǎn)相應(yīng)的正射影像和數(shù)字高程模型。

圖8 無人機(jī)航測(cè)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程

4．?dāng)?shù)據(jù)操作與應(yīng)用

生成的工區(qū)正射影像數(shù)據(jù)量較大，整個(gè)工區(qū)的影像數(shù)據(jù)量是76 GB。將影像應(yīng)用于石油勘探生產(chǎn)，需要解決影像大數(shù)據(jù)量存儲(chǔ)和讀取問題。Arc-GIS 10對(duì)影像建立金字塔索引后，可以方便地對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取與顯示。把正射影像和數(shù)字高程模型進(jìn)行切片后放入三維顯示系統(tǒng)，可以清晰地重現(xiàn)勘探工區(qū)三維場(chǎng)景。

本次無人機(jī)航空攝影測(cè)量所生成的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)(DOM+DEM+DLG)不但為保德12億方產(chǎn)能建設(shè)自用主干道路測(cè)量工程土石方計(jì)算，坡度計(jì)算和道路施工放樣(如圖9所示)提供了關(guān)鍵的數(shù)據(jù)源，還為該區(qū)塊三維石油勘探施工設(shè)計(jì)，物理點(diǎn)位偏移和放樣，地震數(shù)據(jù)采集放線，鉆井作業(yè)生產(chǎn)管理，工農(nóng)關(guān)系協(xié)調(diào)和HSE管理提供了詳細(xì)的信息支持。

圖9 道路設(shè)計(jì)與放樣

四、結(jié)束語

無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)是一項(xiàng)技術(shù)門檻高，風(fēng)險(xiǎn)大的作業(yè)模式，尚沒有在石油物探生產(chǎn)中形成成熟的作業(yè)流程。通過工程實(shí)踐，證實(shí)了無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)輔助石油勘探生產(chǎn)能降低石油勘探成本和周期，提高石油勘探作業(yè)效率。

隨著無人機(jī)航測(cè)技術(shù)在物探生產(chǎn)的應(yīng)用越來越深入，必將引起現(xiàn)行石油勘探作業(yè)模式的變革，促使石油勘探隊(duì)伍建設(shè)向信息化，數(shù)字化方向轉(zhuǎn)變。

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