消費(fèi)級(jí)無人機(jī)大比例尺測(cè)圖應(yīng)用技術(shù)研究

萬(wàn)仕平 王 靜 龍 潔 李 瑋 苑 冬 高發(fā)強(qiáng) 袁國(guó)淳

1. 中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041; 2. 中國(guó)石油天然氣股份有限公司塔里木油田公司, 新疆 庫(kù)爾勒 841000; 3. 三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院， 湖北 宜昌 443000

0 前言

消費(fèi)級(jí)無人機(jī)指無人機(jī)產(chǎn)品中面向個(gè)人消費(fèi)者，用于娛樂與航拍功能的飛行器,一般為四軸或者六軸的多旋翼機(jī)型,主要由飛行控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、云臺(tái)及拍攝設(shè)備、地面控制站(含遙控柄、平板、手機(jī)等)及機(jī)身等系統(tǒng)構(gòu)成,可實(shí)現(xiàn)自主或半自主飛行,即能夠按控制算法完成自動(dòng)起降、定點(diǎn)懸停、繞點(diǎn)飛行、路線規(guī)劃等功能[1]。高端消費(fèi)級(jí)無人機(jī)的硬件和性能開發(fā)具有較強(qiáng)的前瞻性,目前在抗風(fēng)能力、通信距離、相機(jī)鏡頭和像素、存儲(chǔ)空間等主要性能指標(biāo)方面,滿足CH/Z 3002-2010《無人機(jī)航攝系統(tǒng)技術(shù)要求》的規(guī)定[2],具備小面積大比例尺低空數(shù)字航測(cè)的技術(shù)能力。

隨著材料、通信、傳感器、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的快速發(fā)展,在國(guó)內(nèi)工程建設(shè)領(lǐng)域,無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用目前進(jìn)入了一個(gè)爆發(fā)期。今后各種先進(jìn)技術(shù)的重要指標(biāo)之一便是綜合性尖端技術(shù)的融合,其應(yīng)用將徹底打破多數(shù)基礎(chǔ)學(xué)科的專業(yè)界限,服務(wù)更加大眾化和社會(huì)化。消費(fèi)級(jí)無人機(jī)正是基于這一時(shí)代技術(shù)發(fā)展背景,廣泛應(yīng)用于石油天然氣地面工程建設(shè)大比例尺測(cè)圖。本文根據(jù)石油天然氣地面工程建設(shè)小面積大比例尺測(cè)圖的需求,通過行業(yè)技術(shù)特點(diǎn)和相關(guān)案例介紹并分析了消費(fèi)級(jí)無人機(jī)的應(yīng)用情況。

1 數(shù)據(jù)采集

石油天然氣地面工程除線路外的工點(diǎn)有廠、庫(kù)、站址及穿跨越等單體,一般測(cè)圖面積為0.01～3 km2,成圖比例尺為1∶500～1∶2 000[3]。采用消費(fèi)級(jí)無人機(jī)外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí),需要根據(jù)測(cè)圖面積和比例尺進(jìn)行像片控制、航空攝影、調(diào)繪等外業(yè)工作的技術(shù)設(shè)計(jì),主要內(nèi)容包括測(cè)區(qū)控制測(cè)量、像片控制點(diǎn)測(cè)量、檢查點(diǎn)測(cè)量、航線設(shè)計(jì)、低空攝影等。其中,航攝分辨率、像片控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)根據(jù)成圖比例尺可參考表1實(shí)施。

測(cè)區(qū)平面及高程控制測(cè)量參照油氣行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),按等級(jí)控制測(cè)量原則,逐級(jí)布設(shè)和施測(cè)[4]。像片控制點(diǎn)布設(shè)在周邊無遮擋的平整地表處,在航攝前采用人工標(biāo)繪地標(biāo)的方法設(shè)置,人工地標(biāo)可采用“L”形標(biāo)志或三角形對(duì)頂標(biāo)志。像片控制點(diǎn)測(cè)量采用GNSS RTK技術(shù),以測(cè)區(qū)等級(jí)控制點(diǎn)為起算,直接測(cè)得像片控制點(diǎn)的坐標(biāo)和高程,施測(cè)精度建議平面±5 cm,高程±5 cm,困難和復(fù)雜測(cè)區(qū)可根據(jù)情況適當(dāng)放寬[5]。像片控制點(diǎn)測(cè)量結(jié)束后,將成果及點(diǎn)位照片整理為滿足空三計(jì)算的支持性文件(如kml)。

表1 成圖比例尺、航攝分辨率、像片控制點(diǎn)間距、像片控制點(diǎn)數(shù)量和檢查點(diǎn)數(shù)量表

航線設(shè)計(jì)主要通過商業(yè)或隨機(jī)軟件進(jìn)行,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮測(cè)區(qū)氣象條件、無人機(jī)續(xù)航時(shí)間、地表起伏、周邊環(huán)境等因素。根據(jù)測(cè)區(qū)分布情況,可設(shè)計(jì)不同方式的航線,包括交叉飛行和全向飛行方式。交叉飛行主要用于傾斜攝影,全向飛行則適用于傾斜和正射攝影。航線設(shè)計(jì)時(shí),考慮到后期影像三維建模范圍和精度對(duì)影像重疊度要求較高[5-7],故設(shè)計(jì)像片重疊度為航向不低于80%,旁向不低于75%。

航空攝影時(shí),按照安全要求和無人機(jī)的性能選擇起降場(chǎng)地。航空攝影時(shí)間根據(jù)任務(wù)工期要求選擇最有利的氣象條件,確保航空攝影像片能真實(shí)準(zhǔn)確地表達(dá)地表的細(xì)部特征,光照度和陰影倍數(shù)需滿足相關(guān)規(guī)范要求[8-11]。消費(fèi)級(jí)無人機(jī)受鏡頭焦距和地面分辨率的限制,飛行相對(duì)航高多數(shù)小于200 m,實(shí)施90～120 m相對(duì)航高的案例居多。對(duì)于站址、穿越等小面積測(cè)區(qū),一般起降1～3個(gè)架次即可完成航攝任務(wù),作業(yè)效率高。

2 數(shù)據(jù)處理

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要工作內(nèi)容包括空三加密、三維模型制作和三維數(shù)字化測(cè)圖等[12]?？杖用芎腿S模型制作通常為一體化處理,主要采用的軟件系統(tǒng)包括：Agisoft Metashape Professional、PIX4 Dmapper、Bentley Context Capture等。內(nèi)業(yè)處理流程見圖1。

需要特別注意的是,上述幾類內(nèi)業(yè)處理軟件系統(tǒng)在空三解算后,空三報(bào)告中控制點(diǎn)誤差等指標(biāo)不能真實(shí)反映實(shí)際測(cè)量精度和模型精度,故在空三加密時(shí),應(yīng)保證加密區(qū)域有足夠且分布合理的檢查點(diǎn)參與計(jì)算,通過檢查點(diǎn)殘差指標(biāo)對(duì)測(cè)區(qū)加密精度進(jìn)行綜合評(píng)估。另外,在三維實(shí)景模型制作后,需及時(shí)導(dǎo)入外業(yè)檢查點(diǎn)和其他實(shí)測(cè)碎部點(diǎn)進(jìn)行二次精度驗(yàn)證,經(jīng)過兩次精度驗(yàn)證后的空三加密和三維模型精度具有較高的可靠性；對(duì)不滿足精度要求的加密成果和模型數(shù)據(jù)應(yīng)通過及時(shí)調(diào)整和外業(yè)補(bǔ)測(cè)等手段,重新進(jìn)行加密和驗(yàn)證,滿足要求后按作業(yè)流程輸出數(shù)據(jù),以便后續(xù)處理。

圖1 內(nèi)業(yè)處理流程圖Fig.1 Flowchart of interior process

3 質(zhì)量檢查

消費(fèi)級(jí)無人機(jī)航測(cè)需對(duì)關(guān)鍵過程和成果質(zhì)量進(jìn)行檢查,質(zhì)量檢查根據(jù)任務(wù)委托、相關(guān)規(guī)范及技術(shù)文件的要求進(jìn)行,主要就符合性、準(zhǔn)確性、完整性、一致性等方面進(jìn)行質(zhì)量檢查[13-15]。檢查內(nèi)容和處理措施:航空攝影結(jié)束后應(yīng)及時(shí)檢查像片重疊度,對(duì)不符合設(shè)計(jì)重疊度的航段,應(yīng)及時(shí)補(bǔ)飛;空三加密完成后應(yīng)及時(shí)檢查加密成果,加密成果不滿足精度要求時(shí),應(yīng)補(bǔ)測(cè)并重新進(jìn)行空三加密,精度直至滿足要求為止;三維模型制作完成后應(yīng)及時(shí)檢查模型精度,模型精度不滿足測(cè)圖需要時(shí),應(yīng)補(bǔ)飛、重飛、重新加密和制作模型;對(duì)于模型中出現(xiàn)的重影、飛出、突起、凹陷、斷裂等情況,應(yīng)及時(shí)檢查發(fā)現(xiàn)并處理;數(shù)字線劃圖(DLG)與影像的一致性檢查,如不一致,須查明原因并及時(shí)修改錯(cuò)誤成果。

4 案例應(yīng)用

某擬建天然氣凈化廠和相關(guān)配套設(shè)施,其測(cè)區(qū)位于山地和緩坡地帶,屬典型盆地北部深丘地貌,其中山地附作物為茂密樹林,緩坡地段為梯田、旱地和果園,測(cè)區(qū)地物多為民房、旱地坎、水田坎、架空線路、墳地等。任務(wù)要求測(cè)圖范圍不小于450 m×900 m,比例尺為1∶500,提交地形圖成果。經(jīng)研究,該項(xiàng)目采用國(guó)內(nèi)某品牌消費(fèi)級(jí)旋翼無人機(jī)作業(yè),通過超低空數(shù)字航測(cè),獲得測(cè)區(qū)三維實(shí)景模型,從三維數(shù)字化測(cè)圖結(jié)合外調(diào)草圖編制DLG成圖[16-17]。無人機(jī)主要性能指標(biāo)見表2。

表2 無人機(jī)主要性能指標(biāo)表

測(cè)區(qū)共布設(shè)5個(gè)控制點(diǎn),均勻分布于中央及周邊區(qū)域,觀測(cè)采用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)靜態(tài)方法,平面按二級(jí)、高程按五等控制測(cè)量技術(shù)要求進(jìn)行。航線設(shè)計(jì)采用傾斜攝影交叉飛行方式,旁向和航向重疊度均為80%,航高 112 m,地面分辨率4 cm。航空攝影前根據(jù)航線設(shè)計(jì)圖進(jìn)行像片控制點(diǎn)布設(shè),采用人工地標(biāo)方式共布設(shè)12個(gè)像片控制點(diǎn)(編號(hào)XK 01～XK 12)及7個(gè)檢查點(diǎn)(編號(hào)JC 01～JC 07),像片控制點(diǎn)測(cè)量采用GNSS RTK按三級(jí)平面、等外高程技術(shù)要求施測(cè)[4,18]。航線、像片控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)位置見圖2。

圖2 航線、像片控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of aerial route,photocontrol points and inspection point location

測(cè)區(qū)植被茂密、局部高差較大,為避免過大的陰影,航空攝影開始時(shí)間選擇在11∶00,共計(jì)起降3個(gè)架次于12∶40完成作業(yè),獲得航片共計(jì)1 352張。內(nèi)業(yè)處理采用Bentley Context Capture軟件進(jìn)行,空三計(jì)算時(shí)通過初選、精選和迭代方式對(duì)像片控制點(diǎn)、檢查點(diǎn)進(jìn)行刺點(diǎn)和計(jì)算,檢查加密報(bào)告像片控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)精度滿足要求后輸出模型[19-20],空三加密像片控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)精度情況見表3。

表3 像片控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)精度情況表

三維模型成果輸出后,將在調(diào)繪過程中采用 GNSS RTK 隨機(jī)施測(cè)的28個(gè)地物特征點(diǎn)和52個(gè)地形碎部點(diǎn)同模型一并導(dǎo)入三維測(cè)圖軟件,進(jìn)行二次精度驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表現(xiàn)為:平面誤差≤±40 cm點(diǎn)數(shù)占比96%,最大值為41 cm;高程誤差≤±25 cm點(diǎn)數(shù)占比94%,最大值為48 cm。經(jīng)計(jì)算,平面位置中誤差為±12 cm,高程中誤差為±18 cm,滿足GB/T 50539-2017《油氣輸送管道工程測(cè)量規(guī)范》中1∶500比例尺地形測(cè)量的精度要求[4]。

三維數(shù)字化測(cè)圖和DLG編制利用三維測(cè)圖軟件和南方CASS測(cè)圖系統(tǒng),結(jié)合外業(yè)調(diào)繪和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理,要素表達(dá)、取舍和整飾按地形圖圖式規(guī)范要求進(jìn)行,圖面編制檢查無誤后,輸出該項(xiàng)目1∶500比例尺地形圖成果,見圖3。

圖3 1∶500地形圖成果圖(局部)Fig.3 1∶500 topographic map result(part)

該項(xiàng)目采用消費(fèi)級(jí)無人機(jī)航測(cè)技術(shù),順利完成了天然氣凈化廠原始地貌1∶500比例尺地形圖的測(cè)繪工作。經(jīng)初步評(píng)估,較傳統(tǒng)地面人工測(cè)量工作,消費(fèi)級(jí)無人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)采集效率提升3倍以上,減少外業(yè)人工勞動(dòng)強(qiáng)度60%;內(nèi)業(yè)處理自動(dòng)化程度高,模型可判讀性強(qiáng),大大減少了野外調(diào)繪工作,節(jié)約了工期和成本。

5 結(jié)論

消費(fèi)級(jí)無人機(jī)成本低廉、操作簡(jiǎn)單,其性能指標(biāo)滿足局部小面積低空快速航攝需求,結(jié)合測(cè)繪專業(yè)級(jí)的技術(shù)路線和作業(yè)流程,能夠有效獲取用于航空攝影測(cè)量的數(shù)字影像,是目前最簡(jiǎn)單有效的無人機(jī)航測(cè)方法之一,作業(yè)時(shí)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)按照無人機(jī)測(cè)繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或高于標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施,能夠有效保障并顯著提高成果精度。某擬建天然氣凈化廠1∶500比例尺測(cè)圖案例的應(yīng)用表明,消費(fèi)級(jí)無人機(jī)在石油天然氣地面工程建設(shè)小面積大比例尺測(cè)圖方面,響應(yīng)速度快、作業(yè)效率高、精度可靠、成果滿足要求,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。