無人機(jī)航空攝影測(cè)量在油氣長輸管道中的應(yīng)用

熊星富，李向陽，毛偉，李剛，黎勇

（中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司西南物探分公司， 四川 成都 610213）

無人機(jī)航空攝影測(cè)量系統(tǒng)由測(cè)繪專業(yè)無人機(jī)飛行平臺(tái)、地面控制系統(tǒng)、傾斜攝影相機(jī)、傾斜攝影數(shù)據(jù)處理軟件等部分組成。其中，測(cè)繪專業(yè)無人機(jī)飛行平臺(tái)系統(tǒng)主要由動(dòng)力系統(tǒng)、遙測(cè)傳感器、信號(hào)處理系統(tǒng)、GPS接收器及控制系統(tǒng)等組成；地面控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航、無線電控制系統(tǒng)等組成。

當(dāng)前油氣長輸管道使用的無人機(jī)按機(jī)翼形式分為固定翼、無人直升機(jī)和旋翼無人機(jī)，其優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍見表1。

表1 固定翼無人機(jī)、無人直升機(jī)和旋翼無人機(jī)的比較

無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于油氣長輸管道作業(yè)方面具有效率高、速度快、信息反饋及時(shí)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其作業(yè)流程為：①確定飛行范圍并進(jìn)行適航查勘，獲取航點(diǎn)GPS、海拔、適宜的起降場(chǎng)地、風(fēng)速、光照、能見度等信息；②應(yīng)用專業(yè)的航線設(shè)計(jì)軟件并查閱和對(duì)照地形圖規(guī)劃和設(shè)計(jì)飛行路線及作業(yè)高度；③檢查設(shè)備基本運(yùn)作程序，保證各項(xiàng)參數(shù)無誤后正式開始飛行作業(yè)，無人機(jī)起飛方式有滑跑和彈射兩種，在飛行過程中自動(dòng)執(zhí)行航拍攝影任務(wù)，并由其地面控制系統(tǒng)進(jìn)行飛行方位、速度、位置等狀態(tài)參數(shù)的掌握和控制以及實(shí)時(shí)遙感圖像的接收顯示，確保無人機(jī)按設(shè)計(jì)航線飛行；④無人機(jī)完成預(yù)定飛行任務(wù)后由地面控制人員通過傘降或攔阻網(wǎng)降落方式回收。此后，測(cè)量人員通過影像快速處理軟件按“自動(dòng)創(chuàng)建航帶→空三轉(zhuǎn)點(diǎn)→空三解算→DEM生成→正射影像生成”的程序進(jìn)行圖像處理[1]。

1 應(yīng)用實(shí)例

應(yīng)用無人機(jī)航空攝影測(cè)量系統(tǒng)完成3km、帶寬500m油氣長輸管道線路三維模型的建立及1:1000數(shù)字線劃圖的制作，并進(jìn)行管道選線、評(píng)估應(yīng)用、BIM基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集等。

1.1 軟硬件配置

本次作業(yè)采用AC1100六旋翼無人機(jī)，設(shè)定最高作業(yè)高度300m，最長續(xù)航時(shí)間30min，最大遙控半徑3000m。攝影相機(jī)采用包括1個(gè)垂直攝影鏡頭和4個(gè)傾斜攝影鏡頭的AP5100攝影相機(jī)，焦距10.5mm，單個(gè)圖像傳感器有效像素2000萬，相機(jī)系統(tǒng)總重量2.1kg。采用的Smart 3D Capture建模軟件單次像素點(diǎn)數(shù)據(jù)處理量為100億，且建模過程完全自動(dòng)化。數(shù)字線劃地圖（Digital Line Graphic，DLG）的制作采用中石油天然氣管道工程有限公司自主研發(fā)的Smart mapping軟件。

1.2 勘查設(shè)計(jì)

根據(jù)面狀區(qū)域測(cè)量分區(qū)，本次無人機(jī)航飛順著長輸管道走向共設(shè)置2條航帶，各條航帶分別設(shè)計(jì)5～6條航線，航高150m，航向及旁向重疊度按75%設(shè)計(jì)。區(qū)域網(wǎng)布設(shè)7個(gè)平高點(diǎn)、7個(gè)檢查點(diǎn)，共14個(gè)像控點(diǎn)。運(yùn)用Smart 3D Capture軟件迅速建模，并進(jìn)行模型成果精確度的評(píng)價(jià)。

1.3 應(yīng)用結(jié)果分析

通過現(xiàn)場(chǎng)檢核點(diǎn)進(jìn)行模型精度的評(píng)定，X、Y、Z三個(gè)方向分量誤差分別為0.10m、0.12m和0.11m，平面誤差0.15m，達(dá)到了國家測(cè)繪局《1:500、1:1000、1:2000地形圖航空攝影規(guī)范》中城建區(qū)地物點(diǎn)點(diǎn)位誤差應(yīng)不超過0.30m，高程誤差應(yīng)不超過0.25m的要求[2]。所創(chuàng)建的三維模型色彩真實(shí)，定位準(zhǔn)確，對(duì)油氣長輸管道實(shí)際情況真實(shí)再現(xiàn)。數(shù)字線劃地圖內(nèi)的地物、地形無一遺漏，地形點(diǎn)密度合理，站場(chǎng)、河流穿跨越、沖溝、地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)等勾繪正確，符合規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

2 無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)評(píng)價(jià)

2.1 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)能全面快速提供觀測(cè)區(qū)域地形地貌、植被、水文等信息，為勘查設(shè)計(jì)階段管道選線提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。將高分辨率航拍相機(jī)搭載于無人機(jī)進(jìn)行觀測(cè)區(qū)域測(cè)繪及拍攝，并依據(jù)攝影測(cè)量數(shù)據(jù)快速、精細(xì)拼圖，及時(shí)提供觀測(cè)區(qū)域地面及空間等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，可作為油氣管道可行性研究階段線路選擇的依據(jù)。

在油氣長輸管道施工階段，無人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)能獲取現(xiàn)場(chǎng)道路、地形、周圍環(huán)境、施工進(jìn)度、材料設(shè)備使用情況、機(jī)具布置情況及管道走向等信息，便于施工人員和設(shè)備配置的及時(shí)調(diào)整，并按設(shè)計(jì)順利完成管道施工。

在管道運(yùn)行階段，無人機(jī)巡檢能克服傳統(tǒng)的人工管道巡檢方式工作量大、檢測(cè)效率低、人工成本高等缺點(diǎn)，高效完成大范圍的常規(guī)巡檢。將可見光、遠(yuǎn)紅外光吊艙及視頻追蹤模塊搭載于無人機(jī)設(shè)備后能顯著提升晝夜監(jiān)控能力，并實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的長航時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控以及指定區(qū)域上空定點(diǎn)盤旋監(jiān)測(cè)，鎖定地面指定目標(biāo)后穩(wěn)定凝視、探查細(xì)節(jié)，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)管線破壞、盜取等具體位置和破壞程度，制定搶修方案，將災(zāi)害的不利影響降至最低水平。

2.2 技術(shù)應(yīng)用難點(diǎn)

無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在油氣長輸管道方面的應(yīng)用存在一定局限，一是無人機(jī)續(xù)航能力低，當(dāng)前，由于無人機(jī)自身載重、電源等方面的制約導(dǎo)致其續(xù)航能力較弱，為推動(dòng)其在油氣長輸管道工程方面的廣泛應(yīng)用，必須盡快研發(fā)出續(xù)航能力更強(qiáng)的機(jī)型。二是大比例尺地形圖自動(dòng)化生成程度不高，受密云點(diǎn)濾波精度的限制，大比例尺地形圖自動(dòng)生成系統(tǒng)較難自動(dòng)區(qū)分地面與非地面點(diǎn)[3]。三是無人機(jī)的起飛方式包括滑跑和彈射，而油氣管道大多敷設(shè)于山區(qū)等地形復(fù)雜區(qū)域，很難滿足大型無人機(jī)滑跑、滑降對(duì)起降地點(diǎn)的要求，如果采用對(duì)起降地點(diǎn)要求不高的輕型無人機(jī)，則難以滿足飛行高度、穩(wěn)定性等要求。

3 結(jié)論

綜上所述，無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)具有機(jī)動(dòng)靈活、作業(yè)成本低、作業(yè)周期短，能快速、自動(dòng)獲取所測(cè)油氣長輸管道的DOM、DEM、DSM及大比例尺地形圖DLG等成果的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)于油氣長輸管道線路測(cè)量較為適用，雖然該技術(shù)當(dāng)前還存在諸多應(yīng)用難點(diǎn)，但隨著無人機(jī)軟硬件及數(shù)據(jù)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，在克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷的基礎(chǔ)上，還可以在大數(shù)據(jù)背景下建立“數(shù)據(jù)融合應(yīng)用平臺(tái)”，將無人機(jī)巡檢所捕捉到的管線信息融入數(shù)據(jù)融合應(yīng)用平臺(tái)，待數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回后進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)快速處理、影像快速拼接和數(shù)據(jù)融合，并使之與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，便于后期數(shù)據(jù)的深度挖掘應(yīng)用，為油氣長輸管道工程提供決策支持的同時(shí)使線路隱患及故障預(yù)警效率顯著提升。

◆參考文獻(xiàn)

[1] 于麒. 民用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在工程中的應(yīng)用與分析[J].低溫建筑技術(shù)，2019，41(11)：128-130.

[2] GB/T 6962-2005，1:500、1:1000、1:2000地形圖航空攝影規(guī)范[S].

[3] 李瑋. 無人機(jī)航空攝影測(cè)量在油氣管道工程中的應(yīng)用[J].天然氣與石油，2018，36(5)：106-110.