消費級無人機大比例尺測圖應用技術研究

萬仕平 王 靜 龍 潔 李 瑋 苑 冬 高發強 袁國淳

1. 中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041; 2. 中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田公司, 新疆 庫爾勒 841000; 3. 三峽大學電氣與新能源學院， 湖北 宜昌 443000

0 前言

消費級無人機指無人機產品中面向個人消費者，用于娛樂與航拍功能的飛行器,一般為四軸或者六軸的多旋翼機型,主要由飛行控制系統、動力系統、通信系統、云臺及拍攝設備、地面控制站(含遙控柄、平板、手機等)及機身等系統構成,可實現自主或半自主飛行,即能夠按控制算法完成自動起降、定點懸停、繞點飛行、路線規劃等功能[1]。高端消費級無人機的硬件和性能開發具有較強的前瞻性,目前在抗風能力、通信距離、相機鏡頭和像素、存儲空間等主要性能指標方面,滿足CH/Z 3002-2010《無人機航攝系統技術要求》的規定[2],具備小面積大比例尺低空數字航測的技術能力。

隨著材料、通信、傳感器、計算機等技術的快速發展,在國內工程建設領域,無人機技術的發展和應用目前進入了一個爆發期。今后各種先進技術的重要指標之一便是綜合性尖端技術的融合,其應用將徹底打破多數基礎學科的專業界限,服務更加大眾化和社會化。消費級無人機正是基于這一時代技術發展背景,廣泛應用于石油天然氣地面工程建設大比例尺測圖。本文根據石油天然氣地面工程建設小面積大比例尺測圖的需求,通過行業技術特點和相關案例介紹并分析了消費級無人機的應用情況。

1 數據采集

石油天然氣地面工程除線路外的工點有廠、庫、站址及穿跨越等單體,一般測圖面積為0.01～3 km2,成圖比例尺為1∶500～1∶2 000[3]。采用消費級無人機外業數據采集時,需要根據測圖面積和比例尺進行像片控制、航空攝影、調繪等外業工作的技術設計,主要內容包括測區控制測量、像片控制點測量、檢查點測量、航線設計、低空攝影等。其中,航攝分辨率、像片控制點及檢查點根據成圖比例尺可參考表1實施。

測區平面及高程控制測量參照油氣行業相關標準,按等級控制測量原則,逐級布設和施測[4]。像片控制點布設在周邊無遮擋的平整地表處,在航攝前采用人工標繪地標的方法設置,人工地標可采用“L”形標志或三角形對頂標志。像片控制點測量采用GNSS RTK技術,以測區等級控制點為起算,直接測得像片控制點的坐標和高程,施測精度建議平面±5 cm,高程±5 cm,困難和復雜測區可根據情況適當放寬[5]。像片控制點測量結束后,將成果及點位照片整理為滿足空三計算的支持性文件(如kml)。

表1 成圖比例尺、航攝分辨率、像片控制點間距、像片控制點數量和檢查點數量表

航線設計主要通過商業或隨機軟件進行,設計時應考慮測區氣象條件、無人機續航時間、地表起伏、周邊環境等因素。根據測區分布情況,可設計不同方式的航線,包括交叉飛行和全向飛行方式。交叉飛行主要用于傾斜攝影,全向飛行則適用于傾斜和正射攝影。航線設計時,考慮到后期影像三維建模范圍和精度對影像重疊度要求較高[5-7],故設計像片重疊度為航向不低于80%,旁向不低于75%。

航空攝影時,按照安全要求和無人機的性能選擇起降場地。航空攝影時間根據任務工期要求選擇最有利的氣象條件,確保航空攝影像片能真實準確地表達地表的細部特征,光照度和陰影倍數需滿足相關規范要求[8-11]。消費級無人機受鏡頭焦距和地面分辨率的限制,飛行相對航高多數小于200 m,實施90～120 m相對航高的案例居多。對于站址、穿越等小面積測區,一般起降1～3個架次即可完成航攝任務,作業效率高。

2 數據處理

內業數據處理主要工作內容包括空三加密、三維模型制作和三維數字化測圖等[12]。空三加密和三維模型制作通常為一體化處理,主要采用的軟件系統包括：Agisoft Metashape Professional、PIX4 Dmapper、Bentley Context Capture等。內業處理流程見圖1。

需要特別注意的是,上述幾類內業處理軟件系統在空三解算后,空三報告中控制點誤差等指標不能真實反映實際測量精度和模型精度,故在空三加密時,應保證加密區域有足夠且分布合理的檢查點參與計算,通過檢查點殘差指標對測區加密精度進行綜合評估。另外,在三維實景模型制作后,需及時導入外業檢查點和其他實測碎部點進行二次精度驗證,經過兩次精度驗證后的空三加密和三維模型精度具有較高的可靠性；對不滿足精度要求的加密成果和模型數據應通過及時調整和外業補測等手段,重新進行加密和驗證,滿足要求后按作業流程輸出數據,以便后續處理。

圖1 內業處理流程圖Fig.1 Flowchart of interior process

3 質量檢查

消費級無人機航測需對關鍵過程和成果質量進行檢查,質量檢查根據任務委托、相關規范及技術文件的要求進行,主要就符合性、準確性、完整性、一致性等方面進行質量檢查[13-15]。檢查內容和處理措施:航空攝影結束后應及時檢查像片重疊度,對不符合設計重疊度的航段,應及時補飛;空三加密完成后應及時檢查加密成果,加密成果不滿足精度要求時,應補測并重新進行空三加密,精度直至滿足要求為止;三維模型制作完成后應及時檢查模型精度,模型精度不滿足測圖需要時,應補飛、重飛、重新加密和制作模型;對于模型中出現的重影、飛出、突起、凹陷、斷裂等情況,應及時檢查發現并處理;數字線劃圖(DLG)與影像的一致性檢查,如不一致,須查明原因并及時修改錯誤成果。

4 案例應用

某擬建天然氣凈化廠和相關配套設施,其測區位于山地和緩坡地帶,屬典型盆地北部深丘地貌,其中山地附作物為茂密樹林,緩坡地段為梯田、旱地和果園,測區地物多為民房、旱地坎、水田坎、架空線路、墳地等。任務要求測圖范圍不小于450 m×900 m,比例尺為1∶500,提交地形圖成果。經研究,該項目采用國內某品牌消費級旋翼無人機作業,通過超低空數字航測,獲得測區三維實景模型,從三維數字化測圖結合外調草圖編制DLG成圖[16-17]。無人機主要性能指標見表2。

表2 無人機主要性能指標表

測區共布設5個控制點,均勻分布于中央及周邊區域,觀測采用全球導航衛星系統(GNSS)靜態方法,平面按二級、高程按五等控制測量技術要求進行。航線設計采用傾斜攝影交叉飛行方式,旁向和航向重疊度均為80%,航高 112 m,地面分辨率4 cm。航空攝影前根據航線設計圖進行像片控制點布設,采用人工地標方式共布設12個像片控制點(編號XK 01～XK 12)及7個檢查點(編號JC 01～JC 07),像片控制點測量采用GNSS RTK按三級平面、等外高程技術要求施測[4,18]。航線、像片控制點及檢查點位置見圖2。

圖2 航線、像片控制點及檢查點位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of aerial route,photocontrol points and inspection point location

測區植被茂密、局部高差較大,為避免過大的陰影,航空攝影開始時間選擇在11∶00,共計起降3個架次于12∶40完成作業,獲得航片共計1 352張。內業處理采用Bentley Context Capture軟件進行,空三計算時通過初選、精選和迭代方式對像片控制點、檢查點進行刺點和計算,檢查加密報告像片控制點和檢查點精度滿足要求后輸出模型[19-20],空三加密像片控制點及檢查點精度情況見表3。

表3 像片控制點及檢查點精度情況表

三維模型成果輸出后,將在調繪過程中采用 GNSS RTK 隨機施測的28個地物特征點和52個地形碎部點同模型一并導入三維測圖軟件,進行二次精度驗證。驗證結果表現為:平面誤差≤±40 cm點數占比96%,最大值為41 cm;高程誤差≤±25 cm點數占比94%,最大值為48 cm。經計算,平面位置中誤差為±12 cm,高程中誤差為±18 cm,滿足GB/T 50539-2017《油氣輸送管道工程測量規范》中1∶500比例尺地形測量的精度要求[4]。

三維數字化測圖和DLG編制利用三維測圖軟件和南方CASS測圖系統,結合外業調繪和實測數據進行綜合處理,要素表達、取舍和整飾按地形圖圖式規范要求進行,圖面編制檢查無誤后,輸出該項目1∶500比例尺地形圖成果,見圖3。

圖3 1∶500地形圖成果圖(局部)Fig.3 1∶500 topographic map result(part)

該項目采用消費級無人機航測技術,順利完成了天然氣凈化廠原始地貌1∶500比例尺地形圖的測繪工作。經初步評估,較傳統地面人工測量工作,消費級無人機航測數據采集效率提升3倍以上,減少外業人工勞動強度60%;內業處理自動化程度高,模型可判讀性強,大大減少了野外調繪工作,節約了工期和成本。

5 結論

消費級無人機成本低廉、操作簡單,其性能指標滿足局部小面積低空快速航攝需求,結合測繪專業級的技術路線和作業流程,能夠有效獲取用于航空攝影測量的數字影像,是目前最簡單有效的無人機航測方法之一,作業時相關技術指標按照無人機測繪行業標準或高于標準實施,能夠有效保障并顯著提高成果精度。某擬建天然氣凈化廠1∶500比例尺測圖案例的應用表明,消費級無人機在石油天然氣地面工程建設小面積大比例尺測圖方面,響應速度快、作業效率高、精度可靠、成果滿足要求,具有良好的經濟效益和應用前景。