無人機航攝系統(tǒng)在管道測量中的應用研究

蘭令

摘? 要：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，甚至會出現(xiàn)困難地區(qū)無法施測，無法滿足高難度、快節(jié)奏測量生產的需要。低空無人機航攝技術，憑借其自身機動靈活、高效快速、困難地區(qū)探測的航片獲取技術，以及精準的后處理技術，大大降低了作業(yè)成本和生產周期，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。本文主要探討無人機航測系統(tǒng)在1∶2000線路測量中的應用思路，包括數(shù)據(jù)獲取、像控布設及影像處理等。

關鍵詞：低空無人機? 長輸管道? 測量? 航攝系統(tǒng)

Abstract： There are many problems in the traditional manual measurement mode ， 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 camera system

長途石油（天然氣）管道是國家油氣運輸和存儲項目的重要組成部分。隨著國家能源戰(zhàn)略的加快，主要分支石油（天然氣）管道的鋪設距離越來越長，覆蓋范圍廣，地形復雜，工期狹窄等特點也對吊裝提出了更高的要求。

低空無人機航拍技術與傳統(tǒng)航拍攝技術相輔相成，具有靈活、高效、快速的特點，可檢測困難區(qū)域，并具有精確的后處理技術，大大減少了衡量運營成本和生產。在“短，平，快”長途管道路線的地形圖中具有明顯的優(yōu)勢。

管道勘測主要包括管道勘測、穿跨越工程勘測和站場勘測。線路測量在中心線兩側100 m以內，比例尺為1：2000;穿越項目和站場的測量比例為1：500。

本文重點介紹了無人機航空測量系統(tǒng)在1：2000線狀地物測量中的應用。

1? 無人機系統(tǒng)簡介

低空無人機（UAV）航空攝影系統(tǒng)是一種高度機動，低成本，小型化和專門化的技術，集成了無人機、遙感器以及GPS導航和定位功能的遙感系統(tǒng)。

無人機航測系統(tǒng)主要包括無人機飛行平臺，飛行控制系統(tǒng)和非測距CCD數(shù)碼相機，以及地面站、遠程無線通信設備和地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等輔助設施。

1.1 無人機飛行平臺

無人機飛行平臺主要包括固定翼無人機、輕型旋翼無人機和無人駕駛飛機。由于固定翼無人機具有穩(wěn)定、低速、低成本飛行等優(yōu)點，本研究采用固定翼無人機平臺。

1.2 攝影傳感器

本研究中搭載傳感器為EOS5DMarkII，鏡頭標稱焦距有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)控制快門定點曝光，將對焦環(huán)固定在無窮遠處鎖定相機的內方位元素，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。

2? 無人機航攝系統(tǒng)

在長距離輸氣管道測量中的應用某煤制氣支干線全長113km，測區(qū)地勢東北高西南低，地質構造較為復雜。其中，山區(qū)約占70%，平原約20%，丘陵10%。因管道施工設計需求，需在20個工作日內提供全線1∶2000帶狀地形圖（沿中線兩側各100m范圍）。為保證工期與質量，決定采用無人機航攝技術，技術流程如圖1所示。

2.1 無人機航攝數(shù)據(jù)獲取

（1）測區(qū)相關資料的收集在飛行設計之前對測區(qū)概況進行了解并收集相關資料，如測區(qū)地形圖、GPS控制點坐標等。

（2）飛行設計根據(jù)工程項目的成圖要求及測區(qū)地形起伏狀況，本試驗設計5個航攝架次，航高依分區(qū)海拔高度設置為600～1200m，地面分辨率優(yōu)于0.2m，帶寬1km。

（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)劃航線控制無人機飛行，飛控系統(tǒng)則按預設的航線和拍攝方式控制相機進行拍攝。本試驗共獲取影像3500張，采用人工選取同名點的方法計算相鄰像片的重疊度和旋偏角，利用飛控數(shù)據(jù)和導航數(shù)據(jù)來檢查航線的彎曲度、同一航線的航高差等參數(shù)，經檢查均達到規(guī)范要求。

2.2 像控布設及施測

根據(jù)“條帶”狀測區(qū)特點，全區(qū)采用平高區(qū)域網(wǎng)單航帶雙模型布點方案。每隔5條基線布一對平高點，不規(guī)則區(qū)域網(wǎng)在凹拐角處加布平高點。全線共布設外業(yè)像控點408個。

2.3 影像處理

影像處理主要包括畸變差糾正、空中三角測量、三維產品制作及精度檢查等內容。

（1）影像畸變差糾正。

由于低空無人機的載重及體積原因，搭載傳感器為非量測型相機，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。本試驗中航飛前在專業(yè)檢校場對相機進行精檢校，獲取相機畸變差系數(shù)，借助PixelGrid畸變糾正模塊完成數(shù)據(jù)預處理。

（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)自動建立航帶內和航帶間的拓撲關系網(wǎng)進行全自動連接點提取，通過大量平差點和快速平差算法完全剔除粗差點，利用控制點作空中三角測量計算，獲取精確的外方位元素，生成加密點坐標。

以丘陵地形為參照，多余控制點平面與高程殘差最大差值均小于丘陵地限差（平面0.5m，高程0.4m）要求。

（3）DOM、DEM、DLG制作。

在VZ站下導入空三成果恢復立體模型，生成核線影像文件，進行影像匹配、編輯，線劃圖采集。根據(jù)外業(yè)調繪片在CASS環(huán)境下進行屬性編輯、圖廓整飾。利用采集的三維DLG數(shù)據(jù)內插生成DEM數(shù)據(jù)，從而進行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。

（4）DLG成圖精度分析。

精度評估包括兩個方面：地理精度和數(shù)學精度。地理精度評估采用現(xiàn)場檢查的方法，以驗證圖形地理元素的準確性，數(shù)據(jù)的完整性，完整選擇的合理性和邊緣的質量;數(shù)學精度評估包括飛機位置評估和高程評估，主要使用實際的RTK測量。將圖中的點與地圖上的坐標進行比較，計算結果較差，誤差公式為點位置的誤差用于計算平面位置的誤差和每個控制點的高程誤差。在確保評估準確性的基礎上，將整個區(qū)域分為一個形態(tài)差異，并選擇13個檢查采樣區(qū)域（平原為4個，山區(qū)為3個，山區(qū)為6個）。

該測試采用地理精度和數(shù)學精度的同步檢查方法。在收集特征點坐標數(shù)據(jù)時，將根據(jù)現(xiàn)場特征的實際情況驗證地圖信息，并從每個樣本區(qū)域進行30次檢查。如圖2所示。由于不同的地形和地貌對高程精度的影響較大，因此高程精度統(tǒng)計信息以子區(qū)域的形式出現(xiàn)，而平面精度為完整的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，平均誤差采用高精度檢測公式。

為了更好地驗證平面位置精度，避免實測點位過程中選取點位與圖上點位人為誤差的存在，平面精度在各樣本區(qū)外業(yè)實測點中均勻選取100個房角、公路拐角、獨立地物作為檢查點，結果表明基于無人機航攝技術的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業(yè)規(guī)范》（GB/T7930—2008）要求。

3? 結語

低空無人機具有許多優(yōu)點，例如輕便、靈活、響應迅速、成本低等。本文將該技術應用于長距離輸氣管道線路地形圖“帶狀”——測量項目，并通過實驗驗證，該技術在長輸油氣管道“短帶”地形圖測量中具有明顯的優(yōu)勢。它可以高效，快速，高質量地完成測量工作，從而節(jié)省了大量的勞動，縮短了測量周期。需要指出的是，低空無人機航拍系統(tǒng)本身仍然存在很多缺點，例如使用小型非測距相機，單個圖像的覆蓋面積小，圖像關節(jié)的工作量等。對模型更改作量和模型邊緣連接增加;系統(tǒng)的姿態(tài)不穩(wěn)定，并且基高比變小，使得空中三角形不穩(wěn)定，這會導致高程精度的損失，從而使其比例較大（1：1000， 1：500）映射無法滿足海拔精度要求。因此，后續(xù)工作將主要研究在野外測量的高程點的使用，以調整和校正低空攝影測量的高程數(shù)據(jù)，并將考慮是否可以將無人機航測技術應用于線路站點和大規(guī)模的交叉點取決于擬合的精度，以進一步發(fā)展無人機航拍技術在長距離油氣管道中的應用。

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