無人機(jī)傾斜攝影在油氣管道建設(shè)中的應(yīng)用探索

劉奎榮，周劍琴，楊國暉

國家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司，四川成都 610000

隨著科技的發(fā)展，數(shù)字化和信息化技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個學(xué)科領(lǐng)域。通過遙感衛(wèi)星獲得地面影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算機(jī)分析處理以及網(wǎng)絡(luò)傳輸實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互共享，建設(shè)數(shù)字地球，它可以讓人們更加快捷有效地獲取、存儲并處理相關(guān)信息，同時也促進(jìn)了社會、經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步[1]。數(shù)字油氣管道以基礎(chǔ)設(shè)施信息為基礎(chǔ)，以空間地理信息為支撐，是數(shù)字地球的一個重要組成部分，也是當(dāng)下的一個研究熱點[2-5]。

目前，國內(nèi)外已經(jīng)有不少學(xué)者對數(shù)字化油氣管道建設(shè)方法進(jìn)行了研究，其中GPS-RTK作為一種成熟的實時動態(tài)差分測量技術(shù)[6-8]，被廣泛應(yīng)用于油氣管道建設(shè)中[9]，該方法極大提高了勘測精度和工作效率，且受天氣情況影響較小，能夠?qū)崿F(xiàn)實時測量，是油氣管道勘測和施工作業(yè)方法研究中一個重要的里程碑。然而在使用GPS-RTK測量技術(shù)進(jìn)行油氣管道周邊數(shù)據(jù)采集時，對測量區(qū)域的信號要求較高，針對信號較差的區(qū)域，數(shù)據(jù)采集工作較為困難；該方法測得的結(jié)果只能顯示為二維地形圖，在油氣管道建設(shè)工作中，無法提供直觀的地形、地物、地貌信息。

為解決上述問題，本文引入了無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)[10-11]，利用其機(jī)動靈活、高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確、作業(yè)成本低、適用范圍廣、生產(chǎn)周期短且對測量區(qū)域無信號要求等特點，獲取測區(qū)影像數(shù)據(jù)，并生成三維實景模型，其成果在達(dá)到實際測量精度要求的同時，也更直觀地展示了油氣管道路由區(qū)域地形、地物、地貌信息。

1 基于無人機(jī)傾斜攝影測量的油氣管道建設(shè)

1.1 無人機(jī)傾斜攝影測量概述

無人機(jī)傾斜攝影測量作為一種創(chuàng)新型技術(shù)，利用立體三維空間模式進(jìn)行測量并建模，具有很高的應(yīng)用價值。無人機(jī)傾斜攝影測量最大的特點是能夠搭載多個傳感器進(jìn)行影像采集，從不同方向拍攝影像，該技術(shù)按照4個傾斜方位以及豎直方向的觀測來提供地表影像信息，以增強(qiáng)地表信息的真實度[12-15]。此外，無人機(jī)傾斜攝影測量能夠自動生成三維數(shù)字模型，可以有效反映出人們的感知狀態(tài)，所以該技術(shù)被廣泛應(yīng)用到了數(shù)字城市、工程建筑等諸多領(lǐng)域。

1.2 無人機(jī)傾斜攝影測量航高改進(jìn)

傳統(tǒng)的無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)采用固定航高的無人機(jī)搭載傳感器，這種方法在高程變化比較緩慢的區(qū)域能夠保證影像分辨率的變化幅度限制在一定的閾值內(nèi)，不會影響后續(xù)的三維建模工作。但由于油氣管道建設(shè)區(qū)域一般高程落差較大，使用常規(guī)固定航高的無人機(jī)搭載傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集會導(dǎo)致影像分辨率變化幅度較大，影響三維模型精度。為解決以上問題，在進(jìn)行航飛數(shù)據(jù)采集時，使用帶有自動跟隨地形調(diào)整航高的無人機(jī)，這樣既保證了測區(qū)范圍內(nèi)無人機(jī)能保持相對航高一致，也保證了航片的分辨率精度一致，進(jìn)而保證了生成三維模型精度的一致性。

1.3 基于無人機(jī)傾斜攝影測量的油氣管道建設(shè)方法

由于航測的最終建模成果要用于土方量計算，所以對高程的精度要求很高，而傳統(tǒng)的單鏡頭無人機(jī)高程精度較低，無法滿足土方量的計算要求，故本文采用傾斜攝影測量的方式，用五鏡頭無人機(jī)進(jìn)行航飛測量。

基于無人機(jī)傾斜攝影測量的油氣管道建設(shè)方法：首先，需要確定測區(qū)范圍的地理概況來規(guī)劃航線，并基于規(guī)劃航線布設(shè)像控點；其次，綜合考慮模型精度要求以及現(xiàn)場無人機(jī)作業(yè)安全情況，設(shè)定相應(yīng)的航高、航向重疊率以及旁向重疊率；再次，獲取測區(qū)影像數(shù)據(jù)，同時在測區(qū)采用GPS-RTK作業(yè)方式采集檢查點和地形點；最后，將獲取的影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Smart3D軟件中，自動構(gòu)建測區(qū)的正射影像和三維實景模型，并與通過GPS-RTK作業(yè)方式采集的檢查點和地形點進(jìn)行對比分析。其具體流程如圖1所示。

圖1 基于無人機(jī)傾斜攝影測量的油氣管道建設(shè)方法

此外，本文采用的無人機(jī)攝影系統(tǒng)自帶PPK（Postprocessed Kinematic）動態(tài)后處理功能，在獲取數(shù)據(jù)時，在測區(qū)現(xiàn)場架設(shè)GNSS（Global Navigation Satellite System） 基站進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集，通過內(nèi)業(yè)處理，可以將無人機(jī)的平面位置精度提高到厘米級，以減少無人機(jī)對像控點的依賴。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)處理環(huán)境

本文對獲取的影像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，所用的計算機(jī)配置如表1所示。實驗拍攝航片共1 990張，空中三角測量所用的時間為5 h，三維實景建模所用的時間為15 h。

表1 計算機(jī)配置規(guī)格

2.2 測區(qū)概況

本文選取的航飛區(qū)域長約2000m、寬約500m、總面積約1 km2，如圖2所示。圖中紅點位置即為無人機(jī)的起飛點，紅色線路即為管道埋設(shè)線路。整個測區(qū)高差為200 m，坡度為25%，地面起伏較大，基于此，采用帶有自動跟隨地形調(diào)整航高功能的無人機(jī)，以保證測區(qū)范圍內(nèi)無人機(jī)能夠保持一定的相對航高，進(jìn)而保證航片分辨率的一致性和生成的三維模型精度的一致性。

圖2 測區(qū)概況

2.3 數(shù)據(jù)獲取

由于項目規(guī)定的控制點離測區(qū)較遠(yuǎn)，故本次測試坐標(biāo)系統(tǒng)采用國家2000坐標(biāo)系，高程系統(tǒng)采用獨立高程系統(tǒng)，中央子午線經(jīng)度為105°，投影面高度確定為1 500 m。本次航攝，無人機(jī)采用旋翼機(jī)，搭載5鏡頭進(jìn)行傾斜攝影。為了保證三維實景建模成果達(dá)到精度要求，且保障無人機(jī)在測區(qū)范圍內(nèi)的安全運行，經(jīng)過綜合考慮，設(shè)定相對航高為200 m、航片航向重疊率為80%、旁向重疊率為65%、影像分辨率約為3 cm。同時，像控點和檢查點的坐標(biāo)采用GNSS RTK接入千尋CORS系統(tǒng)測得，精度在20 mm之內(nèi)，可為無人機(jī)傾斜攝影測量三維建模成果的精度分析工作提供參考依據(jù)，以驗證本文方法的有效性。

本次航飛主要區(qū)域為長600 m左右的管道施工作業(yè)帶，像控點主要布設(shè)在其左右，共計布設(shè)9個像控點[16-17]，其位置如圖3所示，圖中黃色空心圓點即為本次航測像控點。像控點采用正規(guī)1 m×1 m的航測像控標(biāo)靶布（見圖4）。像控點測量采用千尋CORS流動站方式進(jìn)行，9個像控點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)見表2。

表2 像控點坐標(biāo)

圖3 像控點布置位置

圖4 像控點采集

本次航飛無人機(jī)采用旋翼飛機(jī)（見圖5），通過飛行控制軟件，按照預(yù)設(shè)飛行區(qū)域和航線飛行，用時24 min，共拍攝航片1 990張。同時通過在地面架設(shè)GNSS基準(zhǔn)站采集靜態(tài)數(shù)據(jù)（見圖6），以便內(nèi)業(yè)PPK解算，并通過CORS在鋪設(shè)管道區(qū)域采集檢查點和地形點（如圖7所示）。

圖5 航測無人機(jī)

圖6 地面GNSS基站

圖7 檢查點采集

2.4 基于無人機(jī)傾斜攝影測量的三維實景建模成果

本次航測共獲得實驗數(shù)據(jù)影像1 990張，通過Smart3D三維建模軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理與建模[18-19]，設(shè)置好軟件參數(shù)后，可直接生成實景三維模型（見圖8）。生成的實景三維模型可在Acute 3Dviewer中進(jìn)行瀏覽、距離量測、面積量測、體積量測等操作（見圖9），還可以將其導(dǎo)入到第三方軟件進(jìn)行二次編輯和應(yīng)用。

圖8 生成的實景三維模型

圖9 模型瀏覽示意

2.5 模型精度分析

經(jīng)過攝影測量技術(shù)的不斷發(fā)展，其平面測量精度普遍都能達(dá)到厘米級，所以本文主要是對模型的高程精度進(jìn)行驗證分析，精度驗證工作主要是和RTK采集的測試點和地形點進(jìn)行對比分析。

（1）將三維實景模型和RTK采集的測試點進(jìn)行對比，本次實驗外業(yè)共采集了5個測試點（見圖10），在同一平面坐標(biāo)下進(jìn)行高程對比，結(jié)果見表3：測試點1在距離管道50 m處，模型高程和測試點相差0.02 m；測試點2在水泥墩坎角上的最高點，模型高程和測試點相差0.02 m；測試點3在水池角點，模型高程和測試點相差0.05 m；測試點4在水泥墩坎角上最高點，模型高程和測試點相差0.03 m；測試點5在土路路面上的點，模型高程和測試點相差0.03 m。

表3 測試點高程對比

圖10 RTK測試點

（2）將實景三維模型和RTK采集的地形點進(jìn)行對比，由于地形點采集較多，本文選取了14個特征比較明顯的地形點進(jìn)行對比分析（見圖11），分析結(jié)果見表4。由于無人機(jī)航測高程精度一般為影像分辨率的2～3倍左右，此次航攝影像的分辨率約為3 cm，可推算高程精度需控制在10 cm左右（即高差閾值）。

圖11 部分RTK地形點

從表3、表4的高程差數(shù)據(jù)可以看出：本次航攝的高程差最大值為0.08 m，小于閾值，可以判定通過本文方法獲得的三維實景模型能夠達(dá)到實際測量精度要求，證明了本文方法的可行性。

表4 地形點高程對比

3 三維實景模型成果應(yīng)用

本文方法所生成的三維實景模型具有直觀性、靈敏性、便捷性和實用性的特征，可將本文成果應(yīng)用到諸多工作中去。

3.1 現(xiàn)場施工

本文的三維實景模型成果可為現(xiàn)場的施工進(jìn)度平臺提供實景模型數(shù)據(jù)，通過航測手段獲取的帶有真實色彩的現(xiàn)場三維模型可供設(shè)計和施工參考使用，為施工進(jìn)度平臺提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以進(jìn)行施工進(jìn)度管理和二次開發(fā)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交互，提高現(xiàn)場施工效率。

3.2 管道工程建設(shè)

本文的三維實景模型成果可應(yīng)用到管道工程建設(shè)土石方工程量計算工作中去。因傾斜攝影測量保證了較高的高程精度，并以點云的方式計算土方量，所以即使有偏差，其精度也遠(yuǎn)高于基于傳統(tǒng)的方格網(wǎng)測量方法，且更高效。利用本文方法，在1 km2的待測區(qū)，只需一個架次20 min的航拍，經(jīng)過15 h的數(shù)據(jù)處理即可生成模型，當(dāng)天進(jìn)行航飛，最快當(dāng)天即可出模型成果。所以在進(jìn)行土方量變化計算時，在挖填土石方前后分別進(jìn)行一次航測就可算出土方量的準(zhǔn)確變化值，方便、快捷且高效。

3.3 作為工程外協(xié)賠付依據(jù)

本文三維實景模型成果中對地面附著物、構(gòu)筑物、建筑物的清點，可為工程外協(xié)賠付提供支持。在200 m航高下，航攝影像分辨率約為3 cm，而一般情況下，影像上物體覆蓋2～3個像素點時肉眼就能準(zhǔn)確識別，故可以對模型上直徑大于6 cm的目標(biāo)物（如果樹、路燈等）進(jìn)行清點和統(tǒng)計，作為工程外協(xié)賠付的依據(jù)。

3.4 滿足多樣化工程需要

無人機(jī)攝影測量不僅可以滿足多種比例尺帶狀地形圖的測圖精度[20]，且具有自動化、智能化、精確化的優(yōu)勢，可以快速準(zhǔn)確地獲取DEM、DLG、DSM和DOM數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化等操作，可滿足多樣化工程需要。

4 結(jié)論

三維實景模型的精度受航攝影像分辨率以及控制點的精度影響，無人機(jī)航測高程精度一般為影像分辨率的2～3倍左右，本文航攝影像分辨率約為3 cm，可推算高程精度為10 cm左右。通過將本文方法獲得的三維實景模型高程與RTK實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，可以看出，高程差最大值為8 cm，可控制在10 cm以內(nèi)，據(jù)此判定建立的三維實景模型能夠達(dá)到實際測量精度要求。在航高200 m的情況下通過傾斜攝影測量的方式生成的三維實景模型成果，平面精度在5 cm之內(nèi)、高程精度在8 cm之內(nèi)，由此可以判定通過本文方法獲得的三維實景模型能夠達(dá)到實際測量精度要求，證明該方法的可行性。如需更高測量精度要求，可依照該方法，根據(jù)測區(qū)實際情況，降低航高，以提高航片分辨率和模型精度。在航高較低的情況下，若測區(qū)高程起伏較大，為保證無人機(jī)飛行安全，需分段分架次進(jìn)行航測，如航高100 m情況下，在高差200 m山坡飛行航測，可以劃分為兩段飛行。