應用低空無人機的長輸管道測量研究

趙鵬飛 王小萍

摘? 要：傳統的手動測量模式存在操作周期長、勞動投入大、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。低空無人機航攝技術，憑借其自身機動靈活、高效快速、航拍成像技術（可在困難地區進行探測）以及精確的后處理技術，大大降低了運營成本和生產周期。在“短、平、快”的長輸管道線路地形圖測繪方面具有明顯優勢。本文主要探討無人機航測系統在1∶2000線路測量中的應用思路，包括數據獲取、像控布設及影像處理等。

關鍵詞：低空無人機? 長輸管道? 測量? 航攝系統

中圖分類號：TE973? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）10（a）-0022-03

Abstract： The traditional manual measurement mode has many problems， such as long working cycle， large input of manpower， high cost， etc.， and even can not be measured in difficult areas， which can not meet the needs of high difficulty and fast-paced measurement production. Low altitude UAV aerial photography technology， with its own flexible， efficient， fast and difficult area detection aerial capture technology， as well as accurate post-processing technology， greatly reduces the operating cost and production cycle， and has obvious advantages in the "short， flat and fast" topographic mapping of long-distance pipeline route. This paper mainly discusses the application of UAV aerial survey system in 1：2000 line survey， including data acquisition， image control layout and image processing.

Key Words： Low altitude UAV; Long-distance pipeline; Measurement; Aerial photography system

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，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100m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。

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。

1? 無人機系統簡介

低空無人機（unmanned aerial vehicle，UAV）航攝系統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。

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。

1.1 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。

1.2 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。

1.3 攝影傳感器

本研究中搭載傳感器為EOS5DMarkII，鏡頭標稱焦距有24mm、35mm兩種;CMOS傳感器尺寸：36mm×24mm，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。

1.4 地面控制系統

地面控制系統的功能：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。

2? 無人機航攝系統

在長距離輸氣管道測量中應用某煤制氣支干線全長113km，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%，平原約占20%，丘陵約占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100m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1所示。

2.1 無人機航攝數據獲取

（1）收集與待測區有關的數據。在進行飛行設計之前，了解待測區域的概況并收集有關數據，例如待測區域的地形圖，GPS檢查點的坐標等。

（2）飛行設計。根據項目制圖的要求和研究區域的地形起伏，本次實驗設計了5個航拍，根據飛行高度確定了600～1200m的高度。該區域的高度，分辨率優于0.2m，帶寬為1 km。

（3）數據收集。將計劃的路線加載到飛行控制系統中，地面控制子系統根據計劃的路線控制無人機的飛行，而飛行控制系統則控制攝像機以根據預設的路線和拍攝模式進行拍攝。在該實驗中總共獲得了3500張圖像。使用同名的手動點選擇方法來計算相鄰照片的重疊度和旋轉角度。使用飛行控制數據和導航數據來驗證路線的曲率和同一路線的高度差。經檢查，均符合規格要求。

2.2 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。

2.3 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。

由于無人機在低空時的負載和體積，該傳感器是無法測量相機感光單元的非平方因子和非正交性，以及該組傳感器的徑向和切向畸變物鏡采集數字圖像中存在各種失真，因此不能直接用于地形圖和制圖生產中。在此實驗中，在飛行之前，已通過專業校準學校對攝像機進行了驗證，以獲得攝像機的畸變系數，并在PixelGrid畸變校正模塊的幫助下完成了數據預處理。

（2）空中三角測量。

空中三角測量是數據處理的核心。操作的主要方法是基于POS數據自動在飛行條帶內部和它們之間建立拓撲關系網絡，以自動提取連接點，而該方法可以通過大量設置點和設置算法完全消除。總體差異點使用控制點進行空中三角測量，以獲取精確的外部方向元素并生成加密點的坐標。

對于山區地形，殘差檢查點平面與高程殘差之間的最大差值小于山區地形極限的差值（0.5m平面，0.4m高程）。

（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2所示）。

（4）DLG成圖精度分析。

根據地貌差異將整個區域劃分為多個單元，并選擇13個檢查樣本區域（4個平原，3個丘陵和6個山區）。本實驗采用地理精度和數學精度的同步檢查方法。通過收集要素的特征點上的坐標數據，它可以根據要素在現場的實際位置來驗證圖形中的信息，并確保對每個樣本區域中的30個樣本進行均勻采樣。由于不同的地形和地貌對高程精度的影響較大，因此高程精度統計采用子區域的形式，而平面精度則采用完全統計的形式。平均誤差采用高精度的檢測公式。

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，結果表明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/T7930—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。

4? 結語

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。

參考文獻

[1] 羅志強.無人機在天然氣長輸管道地質災害預警的應用[J].石化技術，2020（2）：174-175.

[2] 殷煜.高精度管道測量機器人多傳感器集成系統設計與實現[D].武漢：華中師范大學，2019.

[3] 張穎龍.基于視覺的無人機在油氣管道安全管理中的應用[J].電子技術與軟件工程，2019（9）：99-100.

[4] 韓昭嶸.四旋翼無人機礦漿管道輔助巡線系統的研究[D].昆明：昆明理工大學，2017.

[5] 郝曉平.無人機技術在油氣管道巡護中的應用[J]. 油氣儲運，2019（5）：955-960.

[6] 王巨濤.機載LiDAR技術在長輸管道測量中的應用[J]. 測繪標準化，2016（12）：42-43.