一種基于高精度航測技術(shù)的無人機(jī)燃?xì)夤艿乐悄苎矙z系統(tǒng)

高京衛(wèi) 郭永超 高 濤 楊亞欣

（陜西省天然氣股份有限公司,陜西 西安 710000）

作為城市生命線工程的高中壓燃?xì)夤艿?，是城?zhèn)燃?xì)夤?yīng)的主動(dòng)脈，也屬于城市公共安全領(lǐng)域監(jiān)管的重要對象[1]。燃?xì)夤艿篱L期埋設(shè)在地下，會(huì)受到管線自身長期或超期服役而導(dǎo)致本體強(qiáng)度等力學(xué)性能下降[2]、管道自身的內(nèi)外壁腐蝕、自然和地質(zhì)災(zāi)害損毀、第三方人為破壞等各種不確定性因素的影響，存在潛在的巨大危害。一旦發(fā)生燃?xì)庑孤┗蛘弑ㄊ鹿剩瑢?yán)重威脅人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全及生態(tài)環(huán)境。然而燃?xì)夤艿辣O(jiān)測因其特殊性需要進(jìn)行大量的實(shí)地調(diào)查勘測，尤其管道處于地下，沿途地表的地形地貌復(fù)雜多變，受交通不便、環(huán)境惡劣等不利因素的制約，傳統(tǒng)人工巡護(hù)不僅耗時(shí)耗力，還存在著難度大、安全性低、周期較長、巡檢效率低、易形成巡檢盲區(qū)等問題，影響巡檢精度及準(zhǔn)確性[3]。

我國的無人機(jī)發(fā)展史已逾40年，其在管道巡檢領(lǐng)域也成了一種運(yùn)用于現(xiàn)代企業(yè)管理的輔助型手段[4]。近年來，在國家的大力扶植與培養(yǎng)下，基于無人機(jī)平臺(tái)的各項(xiàng)技術(shù)發(fā)展日漸成熟，多元的任務(wù)設(shè)備與無人機(jī)平臺(tái)的集成呈現(xiàn)一種熱點(diǎn)態(tài)勢。無人機(jī)航測[5]遙感技術(shù)作為一種新型的低空遙感技術(shù)，具有探測范圍廣、時(shí)效性強(qiáng)、受約束條件少、獲取信息手段先進(jìn)等多方面的優(yōu)點(diǎn)，由于無人機(jī)具有迅捷靈活、載荷能力強(qiáng)、應(yīng)急處理完備、地面操作智能化、可快速獲取高分辨率影像等特點(diǎn)，其在管道巡檢領(lǐng)域備受青睞，也成了低空采集各類原始數(shù)據(jù)最可靠的平臺(tái)。

1 系統(tǒng)介紹

基于高精度航測技術(shù)的無人機(jī)燃?xì)夤艿乐悄苎矙z系統(tǒng)主要由飛行平臺(tái)、傳感器分系統(tǒng)、地面站、配套軟件四個(gè)部分構(gòu)成，如圖1所示。此系統(tǒng)以復(fù)合翼垂直起降型無人機(jī)為基礎(chǔ)，配備雙天線測向的三軸穩(wěn)定云臺(tái)[6]，搭載高清可見光相機(jī)，可以在苛刻天氣條件下獲取像片傾角、旋偏角滿足規(guī)范要求的原始影像；集成了GNSS原始觀測數(shù)據(jù)及曝光同步記錄模塊，采用動(dòng)態(tài)后處理差分技術(shù)，可提供相機(jī)曝光瞬間精確的位置信息，實(shí)現(xiàn)免像控/稀少控制點(diǎn)的航空攝影測量；系統(tǒng)配備了基于DEM數(shù)據(jù)的可變基線航線設(shè)計(jì)軟件，搭載雙光光電吊艙，可進(jìn)行晝夜巡查，通過輸入巡檢線路坐標(biāo)，自動(dòng)生成巡檢航線，在巡檢過程中，光電吊艙可自動(dòng)對準(zhǔn)管線所在區(qū)域，并將拍攝的視頻圖像實(shí)時(shí)傳回至地面控制站，同時(shí)在地面端配備智能識別模塊，可對回傳的視頻進(jìn)行微小目標(biāo)識別，工作人員可根據(jù)識別結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場管控和后續(xù)追責(zé)。

圖1 無人機(jī)燃?xì)夤艿乐悄苎矙z系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 飛行平臺(tái)

飛行平臺(tái)采用單尾撐、大展弦比直機(jī)翼、T型尾翼、尾推式的氣動(dòng)布局方案，無人機(jī)采用全自主垂直起降，其中旋翼電機(jī)負(fù)責(zé)飛機(jī)起飛與降落階段的動(dòng)力供應(yīng)，二沖程活塞發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)責(zé)飛機(jī)平飛階段的動(dòng)力供應(yīng)。航電設(shè)備包括飛行控制計(jì)算機(jī)、磁航向傳感器、低油位傳感器、機(jī)載電池、機(jī)載綜合電源、伺服設(shè)備。

1.2 傳感器分系統(tǒng)

1.2.1 航攝系統(tǒng)

航攝系統(tǒng)由相機(jī)、三軸轉(zhuǎn)臺(tái)、任務(wù)計(jì)算機(jī)及定位測向天線構(gòu)成。相機(jī)是航攝系統(tǒng)的影像采集工具，其接收任務(wù)計(jì)算機(jī)的曝光信號，并在曝光完成后發(fā)送曝光輸出信號。三軸轉(zhuǎn)臺(tái)用于改正相機(jī)姿態(tài)角及偏流角。任務(wù)計(jì)算機(jī)用于控制相機(jī)曝光、控制三軸轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)、記錄GNSS原始數(shù)據(jù)及曝光輸出信號（曝光同步記錄）。定位測向天線由主副雙天線構(gòu)成，用于采集GNSS原始數(shù)據(jù)以及實(shí)時(shí)航向測量。

航攝系統(tǒng)工作原理：相機(jī)接收任務(wù)計(jì)算機(jī)發(fā)送的曝光信號，曝光完成后觸發(fā)閃光燈同步信號，發(fā)送至任務(wù)計(jì)算機(jī)；任務(wù)計(jì)算機(jī)記錄主天線原始觀測數(shù)據(jù)及曝光時(shí)刻數(shù)據(jù)；三軸轉(zhuǎn)臺(tái)由任務(wù)計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)垂直對地拍攝，其中，偏流角由雙天線測向值與設(shè)計(jì)航線的航向值作差實(shí)現(xiàn)偏流改正，滾轉(zhuǎn)及俯仰角由飛控機(jī)內(nèi)的傳感器測量得出，再傳送至任務(wù)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的控制。

無人機(jī)航測工作流程如下：

（1）根據(jù)相機(jī)參數(shù)、測區(qū)范圍、地形數(shù)據(jù)和航攝任務(wù)技術(shù)參數(shù)，進(jìn)行航線敷設(shè)和曝光點(diǎn)生成。無人機(jī)搭載航攝系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)的航線開始飛行作業(yè)，到達(dá)曝光點(diǎn)后，由任務(wù)計(jì)算機(jī)發(fā)送曝光信號控制相機(jī)曝光。

（2）相機(jī)在每一個(gè)曝光點(diǎn)進(jìn)行曝光時(shí)，會(huì)同時(shí)把曝光輸出信號反饋給任務(wù)計(jì)算機(jī)，任務(wù)計(jì)算機(jī)會(huì)記錄相機(jī)在每一個(gè)曝光點(diǎn)的反饋時(shí)刻。

（3）通過觸發(fā)相機(jī)曝光存儲(chǔ)的原始影像和經(jīng)過事后差分解算的POS數(shù)據(jù)作為加工產(chǎn)品的原料導(dǎo)入影像處理模塊，生成“燃?xì)夤艿酪粡垐D”。

1.2.2 光電吊艙系統(tǒng)

光電吊艙系統(tǒng)由FAIS-140雙光光電吊艙和升降機(jī)構(gòu)組成，光電吊艙作為燃?xì)夤艿姥矙z的主要任務(wù)設(shè)備，集成了可見光鏡頭和熱紅外鏡頭，可實(shí)現(xiàn)高清視頻實(shí)時(shí)回傳，在夜間巡航中可切換紅外視頻通過溫度監(jiān)控完成夜間巡檢和應(yīng)急搶險(xiǎn)，可見光視頻分辨率為1 920×1 080，熱紅外視頻分辨率為640×512。光電吊艙系統(tǒng)工作流程如下：

（1）地面測試階段：地面站發(fā)送“任務(wù)開”指令，機(jī)載綜合電源為光電吊艙供電，光電吊艙上電進(jìn)行自檢，自檢結(jié)果無誤，各項(xiàng)功能經(jīng)測試后無異常，地面站發(fā)送“任務(wù)關(guān)”指令，機(jī)載綜合電源切斷光電吊艙供電。

（2）無人機(jī)飛行階段：地面站發(fā)送“任務(wù)開”指令，光電吊艙上電，升降機(jī)構(gòu)降至機(jī)腹下部，地面站發(fā)送自動(dòng)照準(zhǔn)指令，光電吊艙根據(jù)線路節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)自行對準(zhǔn)線路位置，并可通過北東方向偏移量進(jìn)行微調(diào)，管線巡檢視頻畫面實(shí)時(shí)回傳至地面站。

（3）無人機(jī)降落階段：地面站發(fā)送“任務(wù)關(guān)”指令，光電吊艙斷電，同時(shí)發(fā)送平臺(tái)上升指令，升降機(jī)構(gòu)搭載光電吊艙回收至機(jī)艙內(nèi)部。

1.3 地面站

地面站用于控制飛機(jī)飛行，對飛機(jī)及設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。地面站由指揮控制電腦、數(shù)據(jù)鏈地面設(shè)備及地面GNSS基站三部分構(gòu)成，地面指揮控制電腦采用雙席位設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)鏈地面設(shè)備用于與飛機(jī)通信。地面GNSS基站提供差分改正信息供飛機(jī)實(shí)時(shí)差分定位，提供原始觀測數(shù)據(jù)供后差分處理。

1.4 配套軟件

系統(tǒng)配套軟件由飛行前航線設(shè)計(jì)模塊、飛行過程中的地面控制軟件、飛行過程中智能識別模塊、飛行結(jié)束后的相機(jī)定位后處理模塊組成。

航線設(shè)計(jì)模塊是飛行前的航測航線設(shè)計(jì)工具，用于完成飛行前的航線設(shè)計(jì)，規(guī)劃無人機(jī)作業(yè)的飛行航線；地面控制軟件是飛行過程中用于指揮控制無人機(jī)的工具，同時(shí)具有地面GNSS基站原始數(shù)據(jù)記錄功能；相機(jī)定位后處理模塊用于計(jì)算相機(jī)曝光點(diǎn)坐標(biāo)，由原始數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模塊、動(dòng)態(tài)后差分模塊（PPK）、曝光時(shí)刻推算模塊構(gòu)成。

智能識別模塊是飛行過程中對巡檢視頻進(jìn)行目標(biāo)識別的工具，采用一臺(tái)便攜式計(jì)算機(jī)作為智能目標(biāo)檢測平臺(tái)的載體與地面指控設(shè)備實(shí)時(shí)通信，再通過智能目標(biāo)檢測軟件對光電吊艙實(shí)時(shí)回傳的視頻畫面進(jìn)行智能識別，可將視頻中的車輛、人員、施工等類型進(jìn)行識別，識別結(jié)果會(huì)以紅色方框進(jìn)行框選，結(jié)果以截圖形式保存，既提供了現(xiàn)場識別能力，又可保留檢測結(jié)果。

2 智能化運(yùn)用

該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中，融合了復(fù)合翼無人機(jī)垂直起降、高精度航測、光電載荷自動(dòng)照準(zhǔn)、智能識別等技術(shù)，多項(xiàng)高新技術(shù)的交叉融合，共同提高了整個(gè)系統(tǒng)的智能化水平。

系統(tǒng)以復(fù)合翼垂直起降無人機(jī)為基礎(chǔ)，不需要機(jī)場和跑道，具備零長發(fā)射、定點(diǎn)回收的特點(diǎn)，動(dòng)力系統(tǒng)采用二沖程活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，4 h的續(xù)航能力使巡檢效率得到保證。起降階段采用旋翼，巡航階段采用固定翼，并具有一定程度的抗風(fēng)能力，這在很大程度上保證了飛行平臺(tái)的穩(wěn)定性，保證了數(shù)字影像采集的準(zhǔn)確性和巡檢視頻的清晰度。

光電吊艙系統(tǒng)以線路節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的目標(biāo)自動(dòng)選擇及照準(zhǔn)技術(shù)為基礎(chǔ)，以升降機(jī)構(gòu)為輔助，大大提高了管道巡檢的準(zhǔn)確性、易操作性和便捷性。工作人員只需導(dǎo)入管線坐標(biāo)，選擇自動(dòng)照準(zhǔn)，光電吊艙即可自動(dòng)對線路進(jìn)行照準(zhǔn)和跟蹤，減少人員操作誤差，提升巡檢效率。另外，在采用光電吊艙系統(tǒng)進(jìn)行巡檢時(shí)，視頻可以實(shí)時(shí)回傳至地面站，地面站可通過基于4G網(wǎng)絡(luò)的視頻云直播技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將視頻實(shí)時(shí)回傳至指揮大廳，這樣的高實(shí)時(shí)性加強(qiáng)了實(shí)際巡檢工作的后方?jīng)Q策能力和管理能力。

系統(tǒng)配備三軸轉(zhuǎn)臺(tái)、任務(wù)計(jì)算機(jī)、雙天線測向系統(tǒng)，可保證相機(jī)始終進(jìn)行垂直對地觀測，任務(wù)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄相機(jī)曝光時(shí)刻和GNSS原始數(shù)據(jù)，與地面記錄的GNSS原始數(shù)據(jù)可進(jìn)行動(dòng)態(tài)后差分處理，減少了POS數(shù)據(jù)的誤差，從而提高“燃?xì)夤艿酪粡垐D”的精度。

智能識別模塊以微小目標(biāo)智能識別技術(shù)為基礎(chǔ)，突破了動(dòng)態(tài)視頻實(shí)時(shí)增強(qiáng)技術(shù)，提高了微小異動(dòng)目標(biāo)的檢測率，可實(shí)時(shí)對管線周圍的人員、車輛、施工等分類進(jìn)行識別，并將識別結(jié)果標(biāo)記截圖，提高了證據(jù)記錄能力，為后續(xù)追責(zé)提供了有力的保障。

整套系統(tǒng)通過航攝系統(tǒng)獲取高精度原始影像和POS數(shù)據(jù)，形成高精度的“燃?xì)夤艿酪粡垐D”，可為管道系統(tǒng)后續(xù)建立管道信息系統(tǒng)提供優(yōu)質(zhì)的地理底圖，也可通過正射影像圖的分類、疊加分析、固定時(shí)間間隔的圖像對比，對管道周圍地物地貌的變化進(jìn)行預(yù)測，提前部署有效保護(hù)措施；通過光電吊艙系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對管道的常態(tài)化巡檢，自動(dòng)照準(zhǔn)模塊和智能識別模塊有效提升了系統(tǒng)的智能化水平，減少人為干擾，提升巡檢內(nèi)容的準(zhǔn)確性，為決策和追責(zé)提供強(qiáng)力的保障。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 航攝系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)項(xiàng)目需求，選取靖邊無人機(jī)試驗(yàn)測試中心作為航攝系統(tǒng)驗(yàn)證任務(wù)測區(qū)，整個(gè)測區(qū)平均高程約為1 316 m，最低點(diǎn)高程約為1 281 m，最高點(diǎn)高程約為1 365 m，最大高差為84 m。

飛機(jī)整體起飛重量約29.98 kg，所搭載的設(shè)備總重為2.63 kg（含三軸轉(zhuǎn)臺(tái)、佳能5Ds(35 mm鏡頭)、任務(wù)計(jì)算機(jī)），于2019年7月18日17時(shí)26分59秒起飛，18時(shí)22分49秒降落。總計(jì)飛行時(shí)長約56 min，共計(jì)拍照570張，地面平均分辨率約5.13 cm，有效作業(yè)面積約14 km2。

根據(jù)此次任務(wù)需求設(shè)計(jì)了構(gòu)架航線，覆蓋測區(qū)的航線共計(jì)12條航帶。拍照點(diǎn)依據(jù)高程模型進(jìn)行可變基線設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)航向重疊率最小值為68.6%，最大值為96.1%，平均值為69.9%；設(shè)計(jì)旁向重疊率最小值為37.5%，最大值為46.3%，平均值為40.7%；設(shè)計(jì)地面分辨率最小值4.4 cm，最大值5.8 cm，平均值5.0 cm，相機(jī)CCD尺寸為36mm×24mm，畫幅為5 792×8 688像素，飛機(jī)飛行過渡距離約為600 m，最小轉(zhuǎn)彎半徑為200 m，航線安全評估結(jié)果為安全，航線鏈路通視情況為100%通視。

當(dāng)飛機(jī)進(jìn)入任務(wù)航線時(shí)，程控相機(jī)采取定點(diǎn)拍照模式，相機(jī)會(huì)在經(jīng)過曝光點(diǎn)時(shí)進(jìn)行原始數(shù)據(jù)采集。待飛機(jī)落地后，將相機(jī)中的原始照片取出。并將任務(wù)計(jì)算機(jī)中的曝光時(shí)刻記錄文件及地面站中的GNSS基站觀測數(shù)據(jù)取出，進(jìn)行動(dòng)態(tài)后差分處理及相機(jī)曝光時(shí)刻坐標(biāo)內(nèi)插，形成精確度極高的POS數(shù)據(jù)。

照片經(jīng)過初步篩選和處理后，結(jié)合POS數(shù)據(jù)，使用Pix4D Mapper（V4.4.10）進(jìn)行正射影像圖的快速拼接。

在Pix4D Mapper（V4.4.10）中導(dǎo)入曝光點(diǎn)坐標(biāo)，水平/垂直精度均設(shè)置為0.2 m。初始化處理（空中三角測量）設(shè)置為“全面高精度處理”，計(jì)算內(nèi)外方位元素，最后生成數(shù)字正射影像（DOM）如圖2所示，地面分辨率（GSD）約為5.13 cm。

圖2 數(shù)字正射影像（GSD≈5.13 cm）

此處摘選光束法區(qū)域網(wǎng)平差結(jié)果，如表1所示。

表1 平差結(jié)果

3.2 光電吊艙系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)任務(wù)要求，靖西三線燃?xì)夤艿佬枰矙z的管線長度為500 km，全線共劃分為4個(gè)子空域開展。

應(yīng)用過程以巡線第一架次為例進(jìn)行闡述，第一段管線長度為25.5 km，將第一段管線坐標(biāo)導(dǎo)入航線設(shè)計(jì)模塊，自動(dòng)生成巡檢航線，航線全長約60 km，航線高度約為海拔2 000 m，根據(jù)數(shù)據(jù)鏈路通視情況和安全飛行原則，選取定邊縣石洞溝鎮(zhèn)一處視野開闊，高程較高的小坡作為起降點(diǎn)，起降點(diǎn)（地面站架設(shè)點(diǎn)）坐標(biāo)為37.489927°N，108.091736°E，在航線設(shè)計(jì)模塊中對航線安全和通視情況進(jìn)行評估，航線安全評估結(jié)果為安全，航線鏈路通視情況為100%通視。

飛機(jī)整體起飛重量約26.5 kg，所搭載的設(shè)備總重為2.85 kg（含光電吊艙、升降機(jī)構(gòu)、設(shè)備安裝板），于2022年8月18日10時(shí)11分18秒起飛，11時(shí)3分49秒降落?？傆?jì)飛行時(shí)長約52 min，風(fēng)力三級。

當(dāng)飛機(jī)進(jìn)入巡檢航線時(shí)，地面站發(fā)送“線路跟蹤”“連續(xù)跟蹤”指令，利用地面站外接控制手柄將焦距調(diào)整至推薦焦距范圍內(nèi)，光電吊艙自動(dòng)旋轉(zhuǎn)對準(zhǔn)管線所在位置，并保持連續(xù)跟蹤，在巡檢過程中，采用北東坐標(biāo)補(bǔ)償進(jìn)行微調(diào)。同時(shí)光電吊艙拍攝的高清視頻實(shí)時(shí)回傳至地面站分屏和外接智能識別模塊。

在本架次巡檢任務(wù)中，傳回的巡檢視頻中共識別到車1輛，人員1名，檢測精確率100%，經(jīng)巡檢工作人員判斷，識別到的車輛與人員對管道安全無影響。識別結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 人員識別結(jié)果

圖4 車輛識別結(jié)果

4 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了一種基于高精度航測技術(shù)的無人機(jī)燃?xì)夤艿乐悄苎矙z系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)組成、智能化運(yùn)用，并結(jié)合應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行了詳細(xì)描述。該系統(tǒng)搭載巡檢工作中主流的任務(wù)載荷，融合了高精度航測、基于線路節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的自動(dòng)照準(zhǔn)識別、智能識別等多項(xiàng)高新技術(shù)，充分提高了整體智能化水平。從系統(tǒng)在項(xiàng)目實(shí)例中的應(yīng)用可以看出該系統(tǒng)在管道巡檢工作中可以極大地提高巡檢效率和遠(yuǎn)程決策能力，為后續(xù)構(gòu)建管道信息管理系統(tǒng)和追責(zé)取證工作提供可靠的技術(shù)保障。