無人機航測數據質量檢查及成果應用

鄭永明，王艷梅，張志霞，張麗萍，谷艷如

(東方地球物理公司裝備服務處測量服務中心，河北涿州072751)

一、引 言

長期以來，石油物探施工中所用的基礎地理數據多為國外商業遙感影像或國家基本比例尺地形圖。這些數據為野外地震勘探施工提供了必要的信息，方便了勘探作業的開展。但這些數據更新比較滯后，所表達的地理信息有時與工區現狀不匹配;在地物地貌復雜的工區，信息表達能力與所需求的勘探信息不相稱。這些因素制約了石油勘探的作業效率的提高。

近年來興起的無人機低空攝影測量技術是一項獲取空間數據的重要手段。該技術能獲取工區的正射影像和數字高程模型，展現勘探工區的三維地理信息。將無人機航空攝影測量技術引入石油勘探生產對促進石油勘探地震隊信息化建設，提高石油勘探生產效率具有重要意義。

二、無人機航測系統構成

無人機航測系統由硬件系統和軟件系統組成。硬件系統主要由固定翼無人機飛行平臺、數字遙感設備、電源系統組成;軟件系統主要包括測控地面站、遙感傳感器自動控制系統、數據后處理等。

無人機航測的工作流程為：根據工程要求，收集施工區域資料和遵照民航、通航和空域管理相關規定，進行飛行前的協調;布設在地面控制點;設計航線，然后將數據上傳至無人機的飛行控制裝置，系統按設計航線進行航測作業;數字傳感器按設計要求進行地面數據的收集;地面監測系統顯示無人機飛行航跡，地面工作人員據此監視無人機工作情況;結束飛行任務，下載航測數據;利用數據后處理軟件結合相機參數，影像數據，控制點數據生產測區的數字正射影像地圖(DOM)和數字地面模型(DEM)和數字線劃圖。

三、航空飛行質量檢查與應用

1．工區情況介紹

保德工區主要位于山西省忻州市保德縣境內。南北長大約40 km，西至黃河東岸，東西長大約12 km，工區面積476．3 km2。測區大部分地區被較厚的黃土覆蓋，由于受流水的長期侵蝕，形成千溝萬壑、坡陡溝深的起伏地形。測區最高處1137 m，最低處790 m，相對高差347 m。測區的數據采集作業由固定翼無人機飛行平臺承擔。搭載傳感器焦距為24 mm，實際飛行11架次進行，工區范圍和飛行航跡如圖1所示。

圖1 施工區域和航跡圖

2．航測數據質量評價

無人機航測所獲取的遙感數據，除了在現場檢查影像色調、飽和度、云和霧之外，還要從以下幾個方面進行檢查：

(1)影像重疊度

同一條航線內相鄰的影像重疊稱為航向重疊，相鄰航線的重疊為旁向重疊。根據相關測量規范要求，航向重疊度一般為60% ～80%，最小不應小于53%;旁向重疊度一般為15% ～60%，最小不應小于8%。從飛行數據中隨機選一飛行架次，根據機載記錄數據攝影中心的直線元素，計算出旁向重疊度在 40．294% ～41．572%，航向重疊度在70．113% ～71．392%。計算結果如表1和圖2所示。所選數據的影像重疊均滿足低空數字航空攝影規范要求。

圖2 航向重疊度最大最小值展示

表1 實際飛行數據的航向重疊度

(2)航帶彎曲度

飛機在飛行過程中，受外界自然條件影響會出現偏離預設航線的情況。像主點偏離航線首尾連線的最大距離與航線首尾連線的長度比值稱為航帶彎曲度。實際飛行的航線彎曲度會影響影像重疊度。如果航帶彎曲度過大，可能會產生航攝漏洞，影響攝影測量的作業。航帶彎曲度不應大于3%。計算結果如表2和圖3所示，所用數據最大彎曲度為0．0346%，小于測量規范限差，說明飛機作業過程中直線性飛行狀態良好。

圖3 所選試驗數據的航帶彎曲度

表2 所選試驗數據的航帶彎曲度

(3)航帶內最大高差

無人飛機在飛行過程中，飛機實際飛行高度會偏離預設高度。測量規范要求同一航線上相鄰像片的航高差不應大于30m，最大航高與最小航高之差不應大于50m。從圖4飛行數據中可知，最大航高差為24．06 m，所選數據航帶內最大高差為滿足低空數字航空攝影規范要求。

(4)像片旋角

正影像上相鄰主點連線與同方向連線的夾角即為像片旋角。一般像片旋角要求小于6°，個別最大不應大于8°，而且不能有連續三片有超過6°情況。從表3和圖5中的飛行數據可知，像片旋角最大為4．81°，所選數據像片旋角滿足低空數字航空攝影規范要求。

圖4 測區航帶內攝影中心高差顯示

圖5 測區飛行數據像片旋角

表3 測區飛行數據像片旋角統計

3．影像處理與應用

在檢查外業飛行數據質量合格，不用重飛或者補飛的情況下，利用數據后處理軟件，依據無人機航測內業相關數據處理規范，檢查內業數據處理精度。

航測影像內業處理所參考的技術指標依據《低空數字航空攝影測量內業規范》(CH/Z 3003—2010)，按成圖比例尺1∶2000的精度要求，正射影像的地面分辨率應該滿足0．2m。山西保德區域最終獲取的影像地面分辨率為0．19 m，滿足規范對于1∶2000數字正射影像圖的分辨率要求。

規范要求生產數字線劃圖，數字正射影像圖時，區域網平差結束后，基本定向點殘差平面最大較差應滿足在2m以內，高程最大較差應該滿足在1．5m以內。成果僅用于數字正射影像制作時，高程精度可放寬。此工區所用的417個像控點做完空中三角測量后高程較差及平面位置較差如圖6和圖7所示。

圖6 像控點坐標高程較差

圖7 像控點坐標平面較差

經計算，絕對定向點的平面位置中誤差為0．465 251 m，最大較差為1．665 m;高程中誤差為0．201335 m，最大較差為1．499m，滿足制作1∶2000正射影像圖精度要求。然后按圖8所示的內業數據處理流程生產相應的正射影像和數字高程模型。

圖8 無人機航測內業數據處理流程

4．數據操作與應用

生成的工區正射影像數據量較大，整個工區的影像數據量是76 GB。將影像應用于石油勘探生產，需要解決影像大數據量存儲和讀取問題。Arc-GIS 10對影像建立金字塔索引后，可以方便地對影像數據進行讀取與顯示。把正射影像和數字高程模型進行切片后放入三維顯示系統，可以清晰地重現勘探工區三維場景。

本次無人機航空攝影測量所生成的基礎地理數據(DOM+DEM+DLG)不但為保德12億方產能建設自用主干道路測量工程土石方計算，坡度計算和道路施工放樣(如圖9所示)提供了關鍵的數據源，還為該區塊三維石油勘探施工設計，物理點位偏移和放樣，地震數據采集放線，鉆井作業生產管理，工農關系協調和HSE管理提供了詳細的信息支持。

圖9 道路設計與放樣

四、結束語

無人機航空攝影測量技術是一項技術門檻高，風險大的作業模式，尚沒有在石油物探生產中形成成熟的作業流程。通過工程實踐，證實了無人機攝影測量技術輔助石油勘探生產能降低石油勘探成本和周期，提高石油勘探作業效率。

隨著無人機航測技術在物探生產的應用越來越深入，必將引起現行石油勘探作業模式的變革，促使石油勘探隊伍建設向信息化，數字化方向轉變。

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