應(yīng)用無人機傾斜攝影測量的管道測繪技術(shù)研究

趙鵬飛

摘? 要：傳統(tǒng)的管道測繪方法主要采用地面三維激光掃描、機載激光雷達等方法進行三維建模，但效率往往較低。而采用旋翼無人機傾斜攝影測量技術(shù)進行管道測繪，則能夠取得更好的效果。本文首先探討了傾斜攝影測量技術(shù)在管道測繪中的原理和方法，進而結(jié)合實例，詳細論述了具體的實施方案，結(jié)果表明，無人機傾斜攝影測量技術(shù)，具有時效性強、性價比高、監(jiān)控區(qū)域受限小、地面數(shù)據(jù)快速獲取和三維建模的優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：無人機? 傾斜攝影測量? 管道工程? 三維建模

中圖分類號：P231? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）10（b）-0006-03

Abstract： The traditional methods of pipeline surveying and mapping mainly use three-dimensional laser scanning on the ground， airborne lidar and other methods for three-dimensional modeling， but the efficiency is often low. But using the incline photogrammetry technology of gyroplane UAV to survey the pipeline can achieve better results. This paper first discusses the principle and method of incline Photogrammetry in pipeline surveying and mapping， and then discusses the specific implementation plan in detail with examples. The results show that the UAV incline photogrammetry technology has the advantages of strong timeliness， high cost performance， small restriction of monitoring area， fast acquisition of ground data and 3D modeling.

Key Words： UAV; Tilt photogrammetry; Pipeline engineering; 3D modeling

管道是一種重要的油氣輸送設(shè)備，如果管道使用年限較長，管道老化，容易發(fā)生很多管道事故，以此，管道安全就顯得的十分重要。為了使管道事故的風險得到降低，提出了數(shù)字化管道的概念，而管道數(shù)字化的基礎(chǔ)條件，就是實現(xiàn)管道空間位置的數(shù)字化和三維可視化。傳統(tǒng)方法主要采用地面三維激光掃描、機載激光雷達等方法進行三維建模，但效率往往較低。而采用旋翼無人機傾斜攝影測量技術(shù)進行管道測繪，則能夠取得更好的效果。

傾斜攝影技術(shù)是國際測繪遙感領(lǐng)域近年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、傾斜等不同的角度采集影像，獲取地面物體更為完整準確的信息。航空傾斜影像不僅能夠真實地反映地物情況，而且具有精確定位地理信息、豐富影像信息等優(yōu)勢。

國際上傾斜航空攝影技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于應(yīng)急指揮、國土安全、城市管理、房產(chǎn)稅收等領(lǐng)域。在國內(nèi)，自2010年以來，在國家科技支撐計劃項目和測繪科技項目的支持下，通過技術(shù)引進和自主研發(fā)相結(jié)合，實現(xiàn)了傾斜航攝儀的研制和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件開發(fā)，并且在城市三維建模等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

目前國內(nèi)有思維遠見公司的SWDC-5、上海航遙公司的AMC、中測新圖研制的TOPDC-5等。本文主要介紹了傾斜攝影測量的基本原理和方法，通過項目應(yīng)用分析了該技術(shù)相對于傳統(tǒng)地面和航空測量的優(yōu)缺點，探討了該技術(shù)可改進的方向以及目前適用的范圍。

1? 基本原理和方法

1.1 無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)組成

無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)由三部分組成，它包括飛行平臺（測繪專業(yè)無人機）、傾斜攝影相機和傾斜攝影數(shù)據(jù)處理軟件。

測繪專業(yè)無人機按驅(qū)動方式分為汽油驅(qū)動和電池驅(qū)動兩種，按機翼形式分為固定翼、無人直升機和旋翼無人機三大平臺，其中旋翼無人機以其價廉、操作靈活的優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用。

傾斜攝影相機主要包括三線陣相機系統(tǒng)、三相機系統(tǒng)、五相機系統(tǒng)，其中應(yīng)用最廣泛的是五相機系統(tǒng)，在業(yè)界最權(quán)威的美國Pictometry公司便采用了五相機傾斜攝影系統(tǒng)。

1.2 傾斜攝影測量基本原理及方法

傾斜影像是通過具有一定傾角的傾斜航攝相機獲取的，具有如下的特點：可以獲取多個視點和視角的影像，從而得到更為詳盡的側(cè)面信息;具有較高的分辨率和較大的視場角;同一地物具有多重分辨率的影像;傾斜影像地物遮擋現(xiàn)象較突出。

傾斜攝影測量方法主要包括以下幾個步驟：航飛設(shè)計、像控測量、自動化三維建模、自動化正射影像圖（DOM）生成、自動化數(shù)字高程模型（DEM）生成、立體測圖、調(diào)繪和補測、地形圖繪制。該方法應(yīng)用于管道工程的生產(chǎn)流程如圖1所示。

1.3 傾斜攝影測量在管道測量中的應(yīng)用方法

在管道測繪中，使用人機傾斜攝影測量法可以取得良好的效果，準確反映現(xiàn)場實際情況，并滿足管道測繪的相應(yīng)技術(shù)要求。在實際應(yīng)用中，配備多角度傾斜攝影系統(tǒng)的無人機用于通過空中傾斜攝影獲取POS數(shù)據(jù)和原始圖像，對獲得的圖像數(shù)據(jù)進行處理。在攝影過程中，由于圖像差異、順反光差異等，色相、飽和度、亮度等不一致，因此對圖像進行了規(guī)范化和統(tǒng)一處理，從而使圖像在視覺上完整且統(tǒng)一。原始圖像分為不同類型的傾斜圖像和垂直圖像，整合地面相位控制點和POS數(shù)據(jù)，通過計算準確獲取外部圖像方向元素。整合垂直和傾斜圖像數(shù)據(jù)，地面相位控制點數(shù)據(jù)，POS數(shù)據(jù)等，執(zhí)行空中三角測量，并準確獲取每個圖像的外部方向元素。完整的空中三角剖分加密結(jié)果，垂直和傾斜圖像數(shù)據(jù)，并通過圖像密集匹配技術(shù)，獲得基于真實圖像的超高密度點云真實數(shù)字表面模型。

在現(xiàn)實世界的DSM數(shù)據(jù)的表面上，映射來自標準化和增強過程的像素級分辨率紋理和圖像數(shù)據(jù)，以獲得全因子3D模型的主要場景。通過模型編輯軟件，進行細化，捕獲和其他精細處理，然后將其導入模型結(jié)構(gòu)以獲得完整的3D模型場景。一旦測試了獲得的結(jié)果，就可以在實踐中使用它們。使用專業(yè)軟件制作3D模型，包括坡度、角度、面積、長度、高度等基本屬性。同時，收集地形點的3D坐標，并完成通過3D曲面模型場景選擇管道鉆探地點和隧道的選擇。在管道測繪中，無人機傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用具有許多優(yōu)勢：它可以準確地測量地形和非接觸特征，并且可以到達人們難以到達的危險區(qū)域，像山谷、山頂?shù)韧ㄟ^非接觸式測量，可以有效地確保設(shè)計人員和測量人員的人身安全。在管道穿越和隧道穿越的鉆探路線選擇過程中，可以大大提高工作效率，減少改道情況。此外，使用專業(yè)軟件建立3D表面模型可以提高3D建模的速度和效率，同時降低生產(chǎn)成本并獲得更好的經(jīng)濟效益。

2? 應(yīng)用實例

采用無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)完成3km管道線路（帶寬500m）三維模型建立和1∶1000數(shù)字線劃圖（DLG）制作。

2.1 硬件和軟件配置

（1）飛行平臺：AC1100六旋翼無人機，最高作業(yè)高度300m，最大續(xù)航時間30min，最大控制半徑3000m，可自駕或手控。

（2）傾斜相機：AP5100傾斜像機（1個垂直攝影鏡頭和4個傾斜攝影鏡頭），單個CCD有效像素2000萬，云臺重量（傾斜相機系統(tǒng)總重量）2.1kg，焦距10.4mm，定點曝光。

（3）建模軟件：Smart3DCapture軟件，可單次處理100億像素點數(shù)據(jù)，全自動化建模。

（4）DLG制作軟件：我公司自主研發(fā)的制圖軟件Smart mapping。

2.2 方案設(shè)計

（1）本次航飛沿管道走向，共設(shè)計2條航帶（相當于面狀區(qū)域測量的分區(qū)），每個航帶設(shè)計5～6條航線。

（2）航高150m，航向、旁向重疊度70%。

（3）區(qū)域網(wǎng)布設(shè)像控點14個，包括8個平高點，6個檢查點。

（4）使用Smart 3D軟件進行迅捷三維建模，并對模型成果進行精度評價。

2.3 結(jié)果分析

（1）產(chǎn)品精度評價：利用現(xiàn)場6個檢核點對模型精度進行評定，X、Y、Z方向的分量中誤差分別為0.11m、0.11m和0.13m，平面中誤差為0.16m，符合《工程測量規(guī)范》中規(guī)定的該環(huán)境下，城建區(qū)地物點點位中誤差優(yōu)于0.30m，高程中誤差優(yōu)于0.25m的要求。

（2）三維模型效果分析：如圖2所示，三維模型色彩真實，位置準確，真實再現(xiàn)了現(xiàn)場的實際情況。

（3）DLG效果分析：DLG中地形、地物無遺漏，地形點密度和綜合取舍合理、勾繪形象正確，地理名稱調(diào)查注記正確，符合規(guī)范要求，滿足設(shè)計需求。

3? 結(jié)語

在管道工程中，尤其是在測量站場、跨河、溝壑、地質(zhì)災(zāi)害等方面，UAV傾斜攝影測量系統(tǒng)的使用具有明顯的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下方面兩個方面。

（1）平臺的優(yōu)勢。無人機空中偵察具有靈活性，運行成本低，生產(chǎn)周期短的特點。

（2）多方面的成就。Tilt UAV傾斜攝影測量系統(tǒng)可以快速生成大型3D模型，正射影像（DOM），地面高程（DEM），表面模型（DSM）和DLG地形圖。

UAV傾斜攝影測量系統(tǒng)在管道工程中的應(yīng)用存在一定的局限性，主要體現(xiàn)在兩個方面。

（1）飛機的阻力低。當前，由于其自身的負載限制，無人機平臺具有較弱的抵抗力。如果要在長距離管道工程中廣泛使用它，則有必要開發(fā)新的，更具抵抗力的無人機。

（2）需要改進大規(guī)模地形圖制作的自動化。小型地形圖自動生成的主要問題是密集云點的濾波精度不高，很難自動區(qū)分所有地面和非地面點，如果可以提高精度通過過濾，將大大提高大規(guī)模地形圖的生產(chǎn)效率。

綜上所述，無人機傾斜攝影測量技術(shù)具有準時、成本效益高、監(jiān)測面積小、地面數(shù)據(jù)采集速度快和三維建模等優(yōu)點，特別適合于長距離線路和管道區(qū)域（例如野外測量站、河流穿越、溝壑、地質(zhì)災(zāi)害點等）。隨著無人機硬件和設(shè)備的發(fā)展，該技術(shù)存在無人機阻力低，地形圖制作自動化不足的問題。數(shù)據(jù)處理技術(shù)將在管道工程中發(fā)揮更大的作用。

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