應(yīng)用低空無人機(jī)的長(zhǎng)輸管道測(cè)量研究

趙鵬飛 王小萍

摘? 要：傳統(tǒng)的手動(dòng)測(cè)量模式存在操作周期長(zhǎng)、勞動(dòng)投入大、成本高等問題，甚至?xí)霈F(xiàn)困難地區(qū)無法施測(cè)，無法滿足高難度、快節(jié)奏測(cè)量生產(chǎn)的需要。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、航拍成像技術(shù)（可在困難地區(qū)進(jìn)行探測(cè)）以及精確的后處理技術(shù)，大大降低了運(yùn)營(yíng)成本和生產(chǎn)周期。在“短、平、快”的長(zhǎng)輸管道線路地形圖測(cè)繪方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。本文主要探討無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在1∶2000線路測(cè)量中的應(yīng)用思路，包括數(shù)據(jù)獲取、像控布設(shè)及影像處理等。

關(guān)鍵詞：低空無人機(jī)? 長(zhǎng)輸管道? 測(cè)量? 航攝系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TE973? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）10（a）-0022-03

Abstract： The traditional manual measurement mode has many problems， such as long working cycle， large input of manpower， high cost， etc.， and even can not be measured in difficult areas， which can not meet the needs of high difficulty and fast-paced measurement production. Low altitude UAV aerial photography technology， with its own flexible， efficient， fast and difficult area detection aerial capture technology， as well as accurate post-processing technology， greatly reduces the operating cost and production cycle， and has obvious advantages in the "short， flat and fast" topographic mapping of long-distance pipeline route. This paper mainly discusses the application of UAV aerial survey system in 1：2000 line survey， including data acquisition， image control layout and image processing.

Key Words： Low altitude UAV; Long-distance pipeline; Measurement; Aerial photography system

長(zhǎng)距離輸油（氣）管道是國(guó)家油氣儲(chǔ)運(yùn)項(xiàng)目的重要組成部分，隨著國(guó)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(zhǎng)、覆蓋廣、地形復(fù)雜、工期緊的特點(diǎn)，對(duì)線路測(cè)量也提出了更高的要求。

傳統(tǒng)航空攝影測(cè)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(cè)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，在“短、平、快”的長(zhǎng)輸管道線路地形圖測(cè)繪方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

管道測(cè)量主要包含線路測(cè)量、穿跨越工程測(cè)量和站場(chǎng)測(cè)量。其中，線路測(cè)量在中線兩側(cè)各100m范圍內(nèi)，采用1∶2000比例尺;穿跨越工程和站場(chǎng)測(cè)量采用1∶500比例尺。

本文主要針對(duì)無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在1∶2000線路測(cè)量中的應(yīng)用展開研究。

1? 無人機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

低空無人機(jī)（unmanned aerial vehicle，UAV）航攝系統(tǒng)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)。

無人機(jī)航測(cè)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(cè)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。

1.1 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)。

1.2 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)。

1.3 攝影傳感器

本研究中搭載傳感器為EOS5DMarkII，鏡頭標(biāo)稱焦距有24mm、35mm兩種;CMOS傳感器尺寸：36mm×24mm，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)。

1.4 地面控制系統(tǒng)

地面控制系統(tǒng)的功能：航攝前期主要有測(cè)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。

2? 無人機(jī)航攝系統(tǒng)

在長(zhǎng)距離輸氣管道測(cè)量中應(yīng)用某煤制氣支干線全長(zhǎng)113km，測(cè)區(qū)地勢(shì)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%，平原約占20%，丘陵約占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100m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1所示。

2.1 無人機(jī)航攝數(shù)據(jù)獲取

（1）收集與待測(cè)區(qū)有關(guān)的數(shù)據(jù)。在進(jìn)行飛行設(shè)計(jì)之前，了解待測(cè)區(qū)域的概況并收集有關(guān)數(shù)據(jù)，例如待測(cè)區(qū)域的地形圖，GPS檢查點(diǎn)的坐標(biāo)等。

（2）飛行設(shè)計(jì)。根據(jù)項(xiàng)目制圖的要求和研究區(qū)域的地形起伏，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了5個(gè)航拍，根據(jù)飛行高度確定了600～1200m的高度。該區(qū)域的高度，分辨率優(yōu)于0.2m，帶寬為1 km。

（3）數(shù)據(jù)收集。將計(jì)劃的路線加載到飛行控制系統(tǒng)中，地面控制子系統(tǒng)根據(jù)計(jì)劃的路線控制無人機(jī)的飛行，而飛行控制系統(tǒng)則控制攝像機(jī)以根據(jù)預(yù)設(shè)的路線和拍攝模式進(jìn)行拍攝。在該實(shí)驗(yàn)中總共獲得了3500張圖像。使用同名的手動(dòng)點(diǎn)選擇方法來計(jì)算相鄰照片的重疊度和旋轉(zhuǎn)角度。使用飛行控制數(shù)據(jù)和導(dǎo)航數(shù)據(jù)來驗(yàn)證路線的曲率和同一路線的高度差。經(jīng)檢查，均符合規(guī)格要求。

2.2 像控布設(shè)及施測(cè)

根據(jù)“條帶”狀測(cè)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)。

2.3 影像處理

影像處理主要包括畸變差糾正、空中三角測(cè)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。

由于無人機(jī)在低空時(shí)的負(fù)載和體積，該傳感器是無法測(cè)量相機(jī)感光單元的非平方因子和非正交性，以及該組傳感器的徑向和切向畸變物鏡采集數(shù)字圖像中存在各種失真，因此不能直接用于地形圖和制圖生產(chǎn)中。在此實(shí)驗(yàn)中，在飛行之前，已通過專業(yè)校準(zhǔn)學(xué)校對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行了驗(yàn)證，以獲得攝像機(jī)的畸變系數(shù)，并在PixelGrid畸變校正模塊的幫助下完成了數(shù)據(jù)預(yù)處理。

（2）空中三角測(cè)量。

空中三角測(cè)量是數(shù)據(jù)處理的核心。操作的主要方法是基于POS數(shù)據(jù)自動(dòng)在飛行條帶內(nèi)部和它們之間建立拓?fù)潢P(guān)系網(wǎng)絡(luò)，以自動(dòng)提取連接點(diǎn)，而該方法可以通過大量設(shè)置點(diǎn)和設(shè)置算法完全消除?？傮w差異點(diǎn)使用控制點(diǎn)進(jìn)行空中三角測(cè)量，以獲取精確的外部方向元素并生成加密點(diǎn)的坐標(biāo)。

對(duì)于山區(qū)地形，殘差檢查點(diǎn)平面與高程殘差之間的最大差值小于山區(qū)地形極限的差值（0.5m平面，0.4m高程）。

（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2所示）。

（4）DLG成圖精度分析。

根據(jù)地貌差異將整個(gè)區(qū)域劃分為多個(gè)單元，并選擇13個(gè)檢查樣本區(qū)域（4個(gè)平原，3個(gè)丘陵和6個(gè)山區(qū)）。本實(shí)驗(yàn)采用地理精度和數(shù)學(xué)精度的同步檢查方法。通過收集要素的特征點(diǎn)上的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，它可以根據(jù)要素在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際位置來驗(yàn)證圖形中的信息，并確保對(duì)每個(gè)樣本區(qū)域中的30個(gè)樣本進(jìn)行均勻采樣。由于不同的地形和地貌對(duì)高程精度的影響較大，因此高程精度統(tǒng)計(jì)采用子區(qū)域的形式，而平面精度則采用完全統(tǒng)計(jì)的形式。平均誤差采用高精度的檢測(cè)公式。

為了更好地驗(yàn)證平面位置精度，避免實(shí)測(cè)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(cè)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)，結(jié)果表明基于無人機(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(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》（GB/T7930—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(cè)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(cè)圖等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的誤差，以及外業(yè)GPS實(shí)測(cè)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。

4? 結(jié)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(zhǎng)距離輸氣管道線路帶狀地形圖測(cè)量中，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該技術(shù)在“短、平、快”的長(zhǎng)距離輸油氣管道帶狀地形圖測(cè)量中優(yōu)勢(shì)明顯，可以高效、快速、保質(zhì)地完成測(cè)量工作，極大地節(jié)省了人力，縮短了測(cè)量周期。

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