無人機傾斜攝影在油氣管道建設(shè)中的應(yīng)用探索

劉奎榮，周劍琴，楊國暉

國家管網(wǎng)集團西南管道有限責(zé)任公司，四川成都 610000

隨著科技的發(fā)展，數(shù)字化和信息化技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個學(xué)科領(lǐng)域。通過遙感衛(wèi)星獲得地面影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算機分析處理以及網(wǎng)絡(luò)傳輸實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互共享，建設(shè)數(shù)字地球，它可以讓人們更加快捷有效地獲取、存儲并處理相關(guān)信息，同時也促進了社會、經(jīng)濟的不斷進步[1]。數(shù)字油氣管道以基礎(chǔ)設(shè)施信息為基礎(chǔ)，以空間地理信息為支撐，是數(shù)字地球的一個重要組成部分，也是當(dāng)下的一個研究熱點[2-5]。

目前，國內(nèi)外已經(jīng)有不少學(xué)者對數(shù)字化油氣管道建設(shè)方法進行了研究，其中GPS-RTK作為一種成熟的實時動態(tài)差分測量技術(shù)[6-8]，被廣泛應(yīng)用于油氣管道建設(shè)中[9]，該方法極大提高了勘測精度和工作效率，且受天氣情況影響較小，能夠?qū)崿F(xiàn)實時測量，是油氣管道勘測和施工作業(yè)方法研究中一個重要的里程碑。然而在使用GPS-RTK測量技術(shù)進行油氣管道周邊數(shù)據(jù)采集時，對測量區(qū)域的信號要求較高，針對信號較差的區(qū)域，數(shù)據(jù)采集工作較為困難；該方法測得的結(jié)果只能顯示為二維地形圖，在油氣管道建設(shè)工作中，無法提供直觀的地形、地物、地貌信息。

為解決上述問題，本文引入了無人機傾斜攝影測量技術(shù)[10-11]，利用其機動靈活、高效快速、精細準(zhǔn)確、作業(yè)成本低、適用范圍廣、生產(chǎn)周期短且對測量區(qū)域無信號要求等特點，獲取測區(qū)影像數(shù)據(jù)，并生成三維實景模型，其成果在達到實際測量精度要求的同時，也更直觀地展示了油氣管道路由區(qū)域地形、地物、地貌信息。

1 基于無人機傾斜攝影測量的油氣管道建設(shè)

1.1 無人機傾斜攝影測量概述

無人機傾斜攝影測量作為一種創(chuàng)新型技術(shù)，利用立體三維空間模式進行測量并建模，具有很高的應(yīng)用價值。無人機傾斜攝影測量最大的特點是能夠搭載多個傳感器進行影像采集，從不同方向拍攝影像，該技術(shù)按照4個傾斜方位以及豎直方向的觀測來提供地表影像信息，以增強地表信息的真實度[12-15]。此外，無人機傾斜攝影測量能夠自動生成三維數(shù)字模型，可以有效反映出人們的感知狀態(tài)，所以該技術(shù)被廣泛應(yīng)用到了數(shù)字城市、工程建筑等諸多領(lǐng)域。

1.2 無人機傾斜攝影測量航高改進

傳統(tǒng)的無人機傾斜攝影測量技術(shù)采用固定航高的無人機搭載傳感器，這種方法在高程變化比較緩慢的區(qū)域能夠保證影像分辨率的變化幅度限制在一定的閾值內(nèi)，不會影響后續(xù)的三維建模工作。但由于油氣管道建設(shè)區(qū)域一般高程落差較大，使用常規(guī)固定航高的無人機搭載傳感器進行數(shù)據(jù)采集會導(dǎo)致影像分辨率變化幅度較大，影響三維模型精度。為解決以上問題，在進行航飛數(shù)據(jù)采集時，使用帶有自動跟隨地形調(diào)整航高的無人機，這樣既保證了測區(qū)范圍內(nèi)無人機能保持相對航高一致，也保證了航片的分辨率精度一致，進而保證了生成三維模型精度的一致性。

1.3 基于無人機傾斜攝影測量的油氣管道建設(shè)方法

由于航測的最終建模成果要用于土方量計算，所以對高程的精度要求很高，而傳統(tǒng)的單鏡頭無人機高程精度較低，無法滿足土方量的計算要求，故本文采用傾斜攝影測量的方式，用五鏡頭無人機進行航飛測量。

基于無人機傾斜攝影測量的油氣管道建設(shè)方法：首先，需要確定測區(qū)范圍的地理概況來規(guī)劃航線，并基于規(guī)劃航線布設(shè)像控點；其次，綜合考慮模型精度要求以及現(xiàn)場無人機作業(yè)安全情況，設(shè)定相應(yīng)的航高、航向重疊率以及旁向重疊率；再次，獲取測區(qū)影像數(shù)據(jù)，同時在測區(qū)采用GPS-RTK作業(yè)方式采集檢查點和地形點；最后，將獲取的影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Smart3D軟件中，自動構(gòu)建測區(qū)的正射影像和三維實景模型，并與通過GPS-RTK作業(yè)方式采集的檢查點和地形點進行對比分析。其具體流程如圖1所示。

圖1 基于無人機傾斜攝影測量的油氣管道建設(shè)方法

此外，本文采用的無人機攝影系統(tǒng)自帶PPK（Postprocessed Kinematic）動態(tài)后處理功能，在獲取數(shù)據(jù)時，在測區(qū)現(xiàn)場架設(shè)GNSS（Global Navigation Satellite System） 基站進行同步數(shù)據(jù)采集，通過內(nèi)業(yè)處理，可以將無人機的平面位置精度提高到厘米級，以減少無人機對像控點的依賴。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)處理環(huán)境

本文對獲取的影像進行數(shù)據(jù)處理時，所用的計算機配置如表1所示。實驗拍攝航片共1 990張，空中三角測量所用的時間為5 h，三維實景建模所用的時間為15 h。

表1 計算機配置規(guī)格

2.2 測區(qū)概況

本文選取的航飛區(qū)域長約2000m、寬約500m、總面積約1 km2，如圖2所示。圖中紅點位置即為無人機的起飛點，紅色線路即為管道埋設(shè)線路。整個測區(qū)高差為200 m，坡度為25%，地面起伏較大，基于此，采用帶有自動跟隨地形調(diào)整航高功能的無人機，以保證測區(qū)范圍內(nèi)無人機能夠保持一定的相對航高，進而保證航片分辨率的一致性和生成的三維模型精度的一致性。

圖2 測區(qū)概況

2.3 數(shù)據(jù)獲取

由于項目規(guī)定的控制點離測區(qū)較遠，故本次測試坐標(biāo)系統(tǒng)采用國家2000坐標(biāo)系，高程系統(tǒng)采用獨立高程系統(tǒng)，中央子午線經(jīng)度為105°，投影面高度確定為1 500 m。本次航攝，無人機采用旋翼機，搭載5鏡頭進行傾斜攝影。為了保證三維實景建模成果達到精度要求，且保障無人機在測區(qū)范圍內(nèi)的安全運行，經(jīng)過綜合考慮，設(shè)定相對航高為200 m、航片航向重疊率為80%、旁向重疊率為65%、影像分辨率約為3 cm。同時，像控點和檢查點的坐標(biāo)采用GNSS RTK接入千尋CORS系統(tǒng)測得，精度在20 mm之內(nèi)，可為無人機傾斜攝影測量三維建模成果的精度分析工作提供參考依據(jù)，以驗證本文方法的有效性。

本次航飛主要區(qū)域為長600 m左右的管道施工作業(yè)帶，像控點主要布設(shè)在其左右，共計布設(shè)9個像控點[16-17]，其位置如圖3所示，圖中黃色空心圓點即為本次航測像控點。像控點采用正規(guī)1 m×1 m的航測像控標(biāo)靶布（見圖4）。像控點測量采用千尋CORS流動站方式進行，9個像控點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)見表2。

表2 像控點坐標(biāo)

圖3 像控點布置位置

圖4 像控點采集

本次航飛無人機采用旋翼飛機（見圖5），通過飛行控制軟件，按照預(yù)設(shè)飛行區(qū)域和航線飛行，用時24 min，共拍攝航片1 990張。同時通過在地面架設(shè)GNSS基準(zhǔn)站采集靜態(tài)數(shù)據(jù)（見圖6），以便內(nèi)業(yè)PPK解算，并通過CORS在鋪設(shè)管道區(qū)域采集檢查點和地形點（如圖7所示）。

圖5 航測無人機

圖6 地面GNSS基站

圖7 檢查點采集

2.4 基于無人機傾斜攝影測量的三維實景建模成果

本次航測共獲得實驗數(shù)據(jù)影像1 990張，通過Smart3D三維建模軟件進行內(nèi)業(yè)處理與建模[18-19]，設(shè)置好軟件參數(shù)后，可直接生成實景三維模型（見圖8）。生成的實景三維模型可在Acute 3Dviewer中進行瀏覽、距離量測、面積量測、體積量測等操作（見圖9），還可以將其導(dǎo)入到第三方軟件進行二次編輯和應(yīng)用。

圖8 生成的實景三維模型

圖9 模型瀏覽示意

2.5 模型精度分析

經(jīng)過攝影測量技術(shù)的不斷發(fā)展，其平面測量精度普遍都能達到厘米級，所以本文主要是對模型的高程精度進行驗證分析，精度驗證工作主要是和RTK采集的測試點和地形點進行對比分析。

（1）將三維實景模型和RTK采集的測試點進行對比，本次實驗外業(yè)共采集了5個測試點（見圖10），在同一平面坐標(biāo)下進行高程對比，結(jié)果見表3：測試點1在距離管道50 m處，模型高程和測試點相差0.02 m；測試點2在水泥墩坎角上的最高點，模型高程和測試點相差0.02 m；測試點3在水池角點，模型高程和測試點相差0.05 m；測試點4在水泥墩坎角上最高點，模型高程和測試點相差0.03 m；測試點5在土路路面上的點，模型高程和測試點相差0.03 m。

表3 測試點高程對比

圖10 RTK測試點

（2）將實景三維模型和RTK采集的地形點進行對比，由于地形點采集較多，本文選取了14個特征比較明顯的地形點進行對比分析（見圖11），分析結(jié)果見表4。由于無人機航測高程精度一般為影像分辨率的2～3倍左右，此次航攝影像的分辨率約為3 cm，可推算高程精度需控制在10 cm左右（即高差閾值）。

圖11 部分RTK地形點

從表3、表4的高程差數(shù)據(jù)可以看出：本次航攝的高程差最大值為0.08 m，小于閾值，可以判定通過本文方法獲得的三維實景模型能夠達到實際測量精度要求，證明了本文方法的可行性。

表4 地形點高程對比

3 三維實景模型成果應(yīng)用

本文方法所生成的三維實景模型具有直觀性、靈敏性、便捷性和實用性的特征，可將本文成果應(yīng)用到諸多工作中去。

3.1 現(xiàn)場施工

本文的三維實景模型成果可為現(xiàn)場的施工進度平臺提供實景模型數(shù)據(jù)，通過航測手段獲取的帶有真實色彩的現(xiàn)場三維模型可供設(shè)計和施工參考使用，為施工進度平臺提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以進行施工進度管理和二次開發(fā)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交互，提高現(xiàn)場施工效率。

3.2 管道工程建設(shè)

本文的三維實景模型成果可應(yīng)用到管道工程建設(shè)土石方工程量計算工作中去。因傾斜攝影測量保證了較高的高程精度，并以點云的方式計算土方量，所以即使有偏差，其精度也遠高于基于傳統(tǒng)的方格網(wǎng)測量方法，且更高效。利用本文方法，在1 km2的待測區(qū)，只需一個架次20 min的航拍，經(jīng)過15 h的數(shù)據(jù)處理即可生成模型，當(dāng)天進行航飛，最快當(dāng)天即可出模型成果。所以在進行土方量變化計算時，在挖填土石方前后分別進行一次航測就可算出土方量的準(zhǔn)確變化值，方便、快捷且高效。

3.3 作為工程外協(xié)賠付依據(jù)

本文三維實景模型成果中對地面附著物、構(gòu)筑物、建筑物的清點，可為工程外協(xié)賠付提供支持。在200 m航高下，航攝影像分辨率約為3 cm，而一般情況下，影像上物體覆蓋2～3個像素點時肉眼就能準(zhǔn)確識別，故可以對模型上直徑大于6 cm的目標(biāo)物（如果樹、路燈等）進行清點和統(tǒng)計，作為工程外協(xié)賠付的依據(jù)。

3.4 滿足多樣化工程需要

無人機攝影測量不僅可以滿足多種比例尺帶狀地形圖的測圖精度[20]，且具有自動化、智能化、精確化的優(yōu)勢，可以快速準(zhǔn)確地獲取DEM、DLG、DSM和DOM數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行矢量化等操作，可滿足多樣化工程需要。

4 結(jié)論

三維實景模型的精度受航攝影像分辨率以及控制點的精度影響，無人機航測高程精度一般為影像分辨率的2～3倍左右，本文航攝影像分辨率約為3 cm，可推算高程精度為10 cm左右。通過將本文方法獲得的三維實景模型高程與RTK實測數(shù)據(jù)進行對比分析，可以看出，高程差最大值為8 cm，可控制在10 cm以內(nèi)，據(jù)此判定建立的三維實景模型能夠達到實際測量精度要求。在航高200 m的情況下通過傾斜攝影測量的方式生成的三維實景模型成果，平面精度在5 cm之內(nèi)、高程精度在8 cm之內(nèi)，由此可以判定通過本文方法獲得的三維實景模型能夠達到實際測量精度要求，證明該方法的可行性。如需更高測量精度要求，可依照該方法，根據(jù)測區(qū)實際情況，降低航高，以提高航片分辨率和模型精度。在航高較低的情況下，若測區(qū)高程起伏較大，為保證無人機飛行安全，需分段分架次進行航測，如航高100 m情況下，在高差200 m山坡飛行航測，可以劃分為兩段飛行。