低空無人機航攝系統在長距離輸油(氣)管道1∶2000帶狀地形圖測繪中的應用研究

呂立蕾，張衛兵，胡樹林，楊 軍，巴 亮

（中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司，河北任丘062552）

一、引 言

長距離輸油(氣)管道是國家油氣儲運項目的重要組成部分，隨著國家能源戰略的加速推進，主支干輸油(氣)管道鋪設工程越來越呈現出距離長、覆蓋廣、地形復雜、工期緊的特點，對線路測量也提出了更高的要求。

傳統人工測量模式存在作業周期長、人力投入大、成本高等問題，甚至會出現困難地區無法施測，無法滿足高難度、快節奏測量生產的需要。因此，借助新技術、新工藝來滿足長距離輸送管道項目開發時間短、任務重、質量高的需要顯得極為迫切。

現有的衛星遙感技術雖然能夠獲取大區域的空間地理信息，但受回歸周期、軌道高度、氣象等因素影響，遙感數據分辨率和時相難以保證。常規航攝技術因受空域協調、起降場地選取、天氣等因素的影響較大，缺乏機動快速能力，同時成本較高，靈活及精細度不足，無法及時有效地滿足小范圍高分辨率數據快速獲取。而作為傳統航空攝影測量補充手段的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，大大降低了作業成本和生產周期［1-2］，在“短、平、快”的長輸管道線路地形圖測繪方面具有明顯優勢。

管道測量主要包含線路測量、穿跨越工程測量和站場測量。其中，線路測量在中線兩側各100 m范圍內，采用1∶2000比例尺;穿跨越工程和站場測量采用1∶500比例尺［3］。本文主要針對無人機航測系統在1∶2000線路測量中的應用展開研究。

二、無人機系統簡介

低空無人機(unmanned aerial vehicle，UAV)航攝系統［4］是一種集無人駕駛飛行器、遙感及GPS導航定位等技術于一體建立起來的高機動性、低成本和小型化、專用化的遙感系統。如圖1所示。

圖1 無人機航攝系統組成

無人機航測系統主要包括無人機飛行平臺、飛行控制系統和非量測型面陣CCD數碼相機，以及地面站、遠程無線通信裝置、地面數據處理系統等輔助設施。

1.無人機飛行平臺

無人機飛行平臺主要包含固定翼無人機、旋翼輕型無人機和無人飛艇。由于固定翼無人機具有低成本，可實現低速平穩飛行等優點，本研究采用固定翼無人機平臺，該平臺主要參數見表1。

表1 平臺主要參數

2.飛行控制系統

飛行控制系統用于飛行控制及任務設備管理，由自駕儀、姿態陀螺、GPS定位裝置、無線電遙控系統等組成，可實現飛機姿態、航高、速度、航向的控制及各個參數的傳輸，以便于地面人員實時掌控飛行情況。本研究中使用UP30型無人機飛控導航系統。

3.攝影傳感器

本研究中搭載傳感器為EOS 5D MarkII，鏡頭標稱焦距有24 mm、35 mm兩種;CMOS傳感器尺寸:36 mm×24 mm，最大像素:6048像素×4032像素。飛行過程中采取飛控系統控制快門定點曝光，將對焦環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一物鏡畸變參數，并伴有二軸穩定云臺。

4.地面控制系統

地面控制系統的功能包括:航攝前期主要有測區查詢、航線設計及參數設置;飛行階段實時顯示飛行參數，輔助飛控人員進行飛行;后期統計輸出導航文件、影像飛行質量快速檢查等。

三、無人機航攝系統在長距離輸氣管道測量中的應用

某煤制氣支干線全長113 km，測區地勢東北高西南低，地質構造較為復雜。其中，山區約占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100 m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2所示。

1.無人機航攝數據獲取

（1）測區相關資料的收集

在飛行設計之前對測區概況進行了解并收集相關資料，如測區地形圖、GPS控制點坐標等。

圖2 無人機航測技術流程

（2）飛行設計

根據工程項目的成圖要求及測區地形起伏狀況，本試驗設計5個航攝架次，航高依分區海拔高度設置為600～1200 m，地面分辨率優于0.2 m，帶寬1 km。

（3）數據采集

將規劃好的航線載入飛行控制系統，地面控制子系統按照規劃航線控制無人機飛行，飛控系統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，利用飛控數據和導航數據來檢查航線的彎曲度、同一航線的航高差等參數［5］，經檢查均達到規范要求(如圖3所示)。

2.像控布設及施測

根據“條帶”狀測區特點，全區采用平高區域網單航帶雙模型［6］布點方案。每隔5條基線布一對平高點，不規則區域網在凹拐角處加布平高點。全線共布設外業像控點408個。

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碼影像存在各種畸變差，不能直接用于測繪生產［7］。本試驗中航飛前在專業檢校場對相機進行精檢校，獲取相機畸變差系數，借助Pixel Grid畸變糾正模塊完成數據預處理。

圖3 影像重疊度顯示

（2）空中三角測量

空中三角測量是數據處理的核心，主要作業方法為根據POS數據自動建立航帶內和航帶間的拓撲關系網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［8］，生成加密點坐標。本項目丘陵地區空三加密成果精度見表2。

表2 檢查點精度表 m

以丘陵地形為參照，表2所列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0.5 m，高程0.4 m)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。根據外業調繪片在CASS環境下進行屬性編輯、圖廓整飾。利用采集的三維DLG數據內插生成DEM數據，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，如圖4、圖5所示。

圖4 DEM成果

圖5 DLG和DOM疊加帶狀地形圖

（4）DLG成圖精度分析

精度評定包含地理精度和數學精度評定兩方面。地理精度評定采取外業巡視的方法對圖面地理要素的正確性及數據完整性、綜合取舍的合理性、接邊質量等進行檢查;數學精度評定包括平面位置評定和高程評定，主要采用RTK實測地物點，并對比圖上坐標，計算較差，利用點位中誤差公式計算出各個檢查點的平面位置中誤差和高程中誤差。

在保證精度評定基礎上，全區以地貌差異為劃分單元，選取11個檢查樣本區(平原4個，丘陵3個，山區6個)。本試驗采取地理精度、數學精度同步檢查方式，在對地物特征點進行坐標數據采集的同時，根據現場地物實際情況檢查圖面信息，并保證每個樣本區均勻抽取30個檢測點以上，如圖6所示。

圖6 精度抽檢樣本區

由于不同地形地貌對高程精度影響較大，因此高程精度統計采取分區域形式，平面精度采用全線綜合統計。中誤差采用高精度檢測公式［9］，即

各樣本區高程中誤差見表3。

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外業實測點中均勻選取100個房角、公路拐角、獨立地物作為檢查點，精度檢查結果見表4。

表3 高程精度檢查表 m

表4 平面精度檢查表m

分析表3、表4數據可知，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規范》(GB/T 7930—2008)要求。其中，高程精度隨地形變化差異較大，地形略有起伏的丘陵地帶精度最優，平面精度總體保持良好。分析誤差產生的原因:從無人機自身考慮，機身姿態不穩定、傳感器采用非量測型相機對高程精度影響較大;從作業過程來看，內業空三加密、立體測圖等環節產生的誤差，以及外業GPS實測像控點、檢查點產生的誤差都造成了高程、平面精度的損失。

通過與實地地物特性現場對比、量測可知，圖面內容表達清晰，地物地貌取舍合理，均符合《1∶500 1∶1000 1∶2000 地形圖圖式》(GB/T 7929—1995)規范要求。其中，通信線、電力線走向粗差率較高，經分析得知原因為內業采集無法完全識別電桿位置，外業調繪存在誤差所致。

四、結束語

低空無人機具有輕便靈活、反應迅速、成本低廉等諸多優點，本文將該技術應用于“條帶狀”工程——長距離輸氣管道線路帶狀地形圖測量中，經試驗驗證，該技術在“短、平、快”的長距離輸油氣管道帶狀地形圖測量中優勢明顯，可以高效、快速、保質地完成測量工作，極大地節省了人力，縮短了測量周期。

需要指出的是，低空無人機航攝系統自身仍存在諸多缺陷，如采用小幅面的非量測型相機，單幅影像覆蓋面積小，正射影像圖接縫工作量變大;像對模型變多，增加了模型切換和模型接邊工作量;系統姿態不穩定、基高比［10］變小，使得空中三角形不穩定，從而引起高程精度損失，使得其在線路的穿越、站址處的大比例尺(1∶1000、1∶500)測圖無法滿足高程精度要求。

因此，后續工作中將主要研究利用外業實測高程點對低空攝影測量高程數據進行擬合修正，并根據擬合精度情況考慮是否可以將無人機航測技術應用于線路站址、穿越處大比例尺測圖生產，以進一步發展無人機航攝技術在長距離輸油氣管道中的應用。

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