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)
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。
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。
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)
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)。
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)。
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。
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)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)。
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)。
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。
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。
[1] 張永軍.無人駕駛飛艇低空遙感影像的幾何處理[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版,2009,34(3):284-288.
[2] 魯恒,李永樹,李何超,等.無人機(jī)影像數(shù)字處理及在地震災(zāi)區(qū)重建中的應(yīng)用[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2010,45(4):533-538.
[3] 趙永明.無人機(jī)航攝系統(tǒng)在長距離輸油(氣)管道測量中的應(yīng)用探討[J].礦山測量,2011(1):12-15.
[4] COLOMINA I,AIGNER E,AGEA A,et al.The uVISION Project for Helicopter-UAV Photogrammetry and Remotesensing[C]∥Proceedings of the 7th Geomatic Week.Barcelona,Spain:[s.n.],2007.
[5] 胡開全,張俊前.固定翼無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)在山地區(qū)域影像獲取研究[J].北京測繪,2011(3):35-37.
[6] 國家測繪局.CH/Z 3004—2010低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2010.
[7] SU J B.Camera Calibration Based on Receptive Fields[J].Pattern Recognition,2007,40(10):2837-2845.
[8] 李永樹.基于無人機(jī)技術(shù)的地形圖測繪研究[J].測繪,2011,34(4):147-151.
[9] 盧金芳,薛正義.淺談1:500航測成圖的數(shù)學(xué)精度[J].測繪通報(bào),2005(2):14-16.
[10] 王志豪,劉萍.無人機(jī)航攝系統(tǒng)大比例尺測圖試驗(yàn)分析[J].測繪通報(bào),2011(7):18-20.