一種基于高精度航測技術的無人機燃氣管道智能巡檢系統

高京衛 郭永超 高 濤 楊亞欣

（陜西省天然氣股份有限公司,陜西 西安 710000）

作為城市生命線工程的高中壓燃氣管道，是城鎮燃氣供應的主動脈，也屬于城市公共安全領域監管的重要對象[1]。燃氣管道長期埋設在地下，會受到管線自身長期或超期服役而導致本體強度等力學性能下降[2]、管道自身的內外壁腐蝕、自然和地質災害損毀、第三方人為破壞等各種不確定性因素的影響，存在潛在的巨大危害。一旦發生燃氣泄漏或者爆炸事故，將嚴重威脅人民群眾的生命和財產安全及生態環境。然而燃氣管道監測因其特殊性需要進行大量的實地調查勘測，尤其管道處于地下，沿途地表的地形地貌復雜多變，受交通不便、環境惡劣等不利因素的制約，傳統人工巡護不僅耗時耗力，還存在著難度大、安全性低、周期較長、巡檢效率低、易形成巡檢盲區等問題，影響巡檢精度及準確性[3]。

我國的無人機發展史已逾40年，其在管道巡檢領域也成了一種運用于現代企業管理的輔助型手段[4]。近年來，在國家的大力扶植與培養下，基于無人機平臺的各項技術發展日漸成熟，多元的任務設備與無人機平臺的集成呈現一種熱點態勢。無人機航測[5]遙感技術作為一種新型的低空遙感技術，具有探測范圍廣、時效性強、受約束條件少、獲取信息手段先進等多方面的優點，由于無人機具有迅捷靈活、載荷能力強、應急處理完備、地面操作智能化、可快速獲取高分辨率影像等特點，其在管道巡檢領域備受青睞，也成了低空采集各類原始數據最可靠的平臺。

1 系統介紹

基于高精度航測技術的無人機燃氣管道智能巡檢系統主要由飛行平臺、傳感器分系統、地面站、配套軟件四個部分構成，如圖1所示。此系統以復合翼垂直起降型無人機為基礎，配備雙天線測向的三軸穩定云臺[6]，搭載高清可見光相機，可以在苛刻天氣條件下獲取像片傾角、旋偏角滿足規范要求的原始影像；集成了GNSS原始觀測數據及曝光同步記錄模塊，采用動態后處理差分技術，可提供相機曝光瞬間精確的位置信息，實現免像控/稀少控制點的航空攝影測量；系統配備了基于DEM數據的可變基線航線設計軟件，搭載雙光光電吊艙，可進行晝夜巡查，通過輸入巡檢線路坐標，自動生成巡檢航線，在巡檢過程中，光電吊艙可自動對準管線所在區域，并將拍攝的視頻圖像實時傳回至地面控制站，同時在地面端配備智能識別模塊，可對回傳的視頻進行微小目標識別，工作人員可根據識別結果進行現場管控和后續追責。

圖1 無人機燃氣管道智能巡檢系統構成

1.1 飛行平臺

飛行平臺采用單尾撐、大展弦比直機翼、T型尾翼、尾推式的氣動布局方案，無人機采用全自主垂直起降，其中旋翼電機負責飛機起飛與降落階段的動力供應，二沖程活塞發動機負責飛機平飛階段的動力供應。航電設備包括飛行控制計算機、磁航向傳感器、低油位傳感器、機載電池、機載綜合電源、伺服設備。

1.2 傳感器分系統

1.2.1 航攝系統

航攝系統由相機、三軸轉臺、任務計算機及定位測向天線構成。相機是航攝系統的影像采集工具，其接收任務計算機的曝光信號，并在曝光完成后發送曝光輸出信號。三軸轉臺用于改正相機姿態角及偏流角。任務計算機用于控制相機曝光、控制三軸轉臺轉動、記錄GNSS原始數據及曝光輸出信號（曝光同步記錄）。定位測向天線由主副雙天線構成，用于采集GNSS原始數據以及實時航向測量。

航攝系統工作原理：相機接收任務計算機發送的曝光信號，曝光完成后觸發閃光燈同步信號，發送至任務計算機；任務計算機記錄主天線原始觀測數據及曝光時刻數據；三軸轉臺由任務計算機控制，實現垂直對地拍攝，其中，偏流角由雙天線測向值與設計航線的航向值作差實現偏流改正，滾轉及俯仰角由飛控機內的傳感器測量得出，再傳送至任務計算機實現對三軸轉臺的控制。

無人機航測工作流程如下：

（1）根據相機參數、測區范圍、地形數據和航攝任務技術參數，進行航線敷設和曝光點生成。無人機搭載航攝系統按照設計的航線開始飛行作業，到達曝光點后，由任務計算機發送曝光信號控制相機曝光。

（2）相機在每一個曝光點進行曝光時，會同時把曝光輸出信號反饋給任務計算機，任務計算機會記錄相機在每一個曝光點的反饋時刻。

（3）通過觸發相機曝光存儲的原始影像和經過事后差分解算的POS數據作為加工產品的原料導入影像處理模塊，生成“燃氣管道一張圖”。

1.2.2 光電吊艙系統

光電吊艙系統由FAIS-140雙光光電吊艙和升降機構組成，光電吊艙作為燃氣管道巡檢的主要任務設備，集成了可見光鏡頭和熱紅外鏡頭，可實現高清視頻實時回傳，在夜間巡航中可切換紅外視頻通過溫度監控完成夜間巡檢和應急搶險，可見光視頻分辨率為1 920×1 080，熱紅外視頻分辨率為640×512。光電吊艙系統工作流程如下：

（1）地面測試階段：地面站發送“任務開”指令，機載綜合電源為光電吊艙供電，光電吊艙上電進行自檢，自檢結果無誤，各項功能經測試后無異常，地面站發送“任務關”指令，機載綜合電源切斷光電吊艙供電。

（2）無人機飛行階段：地面站發送“任務開”指令，光電吊艙上電，升降機構降至機腹下部，地面站發送自動照準指令，光電吊艙根據線路節點坐標自行對準線路位置，并可通過北東方向偏移量進行微調，管線巡檢視頻畫面實時回傳至地面站。

（3）無人機降落階段：地面站發送“任務關”指令，光電吊艙斷電，同時發送平臺上升指令，升降機構搭載光電吊艙回收至機艙內部。

1.3 地面站

地面站用于控制飛機飛行，對飛機及設備狀態進行監視。地面站由指揮控制電腦、數據鏈地面設備及地面GNSS基站三部分構成，地面指揮控制電腦采用雙席位設計。數據鏈地面設備用于與飛機通信。地面GNSS基站提供差分改正信息供飛機實時差分定位，提供原始觀測數據供后差分處理。

1.4 配套軟件

系統配套軟件由飛行前航線設計模塊、飛行過程中的地面控制軟件、飛行過程中智能識別模塊、飛行結束后的相機定位后處理模塊組成。

航線設計模塊是飛行前的航測航線設計工具，用于完成飛行前的航線設計，規劃無人機作業的飛行航線；地面控制軟件是飛行過程中用于指揮控制無人機的工具，同時具有地面GNSS基站原始數據記錄功能；相機定位后處理模塊用于計算相機曝光點坐標，由原始數據格式轉換模塊、動態后差分模塊（PPK）、曝光時刻推算模塊構成。

智能識別模塊是飛行過程中對巡檢視頻進行目標識別的工具，采用一臺便攜式計算機作為智能目標檢測平臺的載體與地面指控設備實時通信，再通過智能目標檢測軟件對光電吊艙實時回傳的視頻畫面進行智能識別，可將視頻中的車輛、人員、施工等類型進行識別，識別結果會以紅色方框進行框選，結果以截圖形式保存，既提供了現場識別能力，又可保留檢測結果。

2 智能化運用

該系統在設計過程中，融合了復合翼無人機垂直起降、高精度航測、光電載荷自動照準、智能識別等技術，多項高新技術的交叉融合，共同提高了整個系統的智能化水平。

系統以復合翼垂直起降無人機為基礎，不需要機場和跑道，具備零長發射、定點回收的特點，動力系統采用二沖程活塞發動機，4 h的續航能力使巡檢效率得到保證。起降階段采用旋翼，巡航階段采用固定翼，并具有一定程度的抗風能力，這在很大程度上保證了飛行平臺的穩定性，保證了數字影像采集的準確性和巡檢視頻的清晰度。

光電吊艙系統以線路節點坐標的目標自動選擇及照準技術為基礎，以升降機構為輔助，大大提高了管道巡檢的準確性、易操作性和便捷性。工作人員只需導入管線坐標，選擇自動照準，光電吊艙即可自動對線路進行照準和跟蹤，減少人員操作誤差，提升巡檢效率。另外，在采用光電吊艙系統進行巡檢時，視頻可以實時回傳至地面站，地面站可通過基于4G網絡的視頻云直播技術和網絡通信技術將視頻實時回傳至指揮大廳，這樣的高實時性加強了實際巡檢工作的后方決策能力和管理能力。

系統配備三軸轉臺、任務計算機、雙天線測向系統，可保證相機始終進行垂直對地觀測，任務計算機實時記錄相機曝光時刻和GNSS原始數據，與地面記錄的GNSS原始數據可進行動態后差分處理，減少了POS數據的誤差，從而提高“燃氣管道一張圖”的精度。

智能識別模塊以微小目標智能識別技術為基礎，突破了動態視頻實時增強技術，提高了微小異動目標的檢測率，可實時對管線周圍的人員、車輛、施工等分類進行識別，并將識別結果標記截圖，提高了證據記錄能力，為后續追責提供了有力的保障。

整套系統通過航攝系統獲取高精度原始影像和POS數據，形成高精度的“燃氣管道一張圖”，可為管道系統后續建立管道信息系統提供優質的地理底圖，也可通過正射影像圖的分類、疊加分析、固定時間間隔的圖像對比，對管道周圍地物地貌的變化進行預測，提前部署有效保護措施；通過光電吊艙系統，可實現對管道的常態化巡檢，自動照準模塊和智能識別模塊有效提升了系統的智能化水平，減少人為干擾，提升巡檢內容的準確性，為決策和追責提供強力的保障。

3 應用實例

3.1 航攝系統應用實例

根據項目需求，選取靖邊無人機試驗測試中心作為航攝系統驗證任務測區，整個測區平均高程約為1 316 m，最低點高程約為1 281 m，最高點高程約為1 365 m，最大高差為84 m。

飛機整體起飛重量約29.98 kg，所搭載的設備總重為2.63 kg（含三軸轉臺、佳能5Ds(35 mm鏡頭)、任務計算機），于2019年7月18日17時26分59秒起飛，18時22分49秒降落。總計飛行時長約56 min，共計拍照570張，地面平均分辨率約5.13 cm，有效作業面積約14 km2。

根據此次任務需求設計了構架航線，覆蓋測區的航線共計12條航帶。拍照點依據高程模型進行可變基線設計。設計航向重疊率最小值為68.6%，最大值為96.1%，平均值為69.9%；設計旁向重疊率最小值為37.5%，最大值為46.3%，平均值為40.7%；設計地面分辨率最小值4.4 cm，最大值5.8 cm，平均值5.0 cm，相機CCD尺寸為36mm×24mm，畫幅為5 792×8 688像素，飛機飛行過渡距離約為600 m，最小轉彎半徑為200 m，航線安全評估結果為安全，航線鏈路通視情況為100%通視。

當飛機進入任務航線時，程控相機采取定點拍照模式，相機會在經過曝光點時進行原始數據采集。待飛機落地后，將相機中的原始照片取出。并將任務計算機中的曝光時刻記錄文件及地面站中的GNSS基站觀測數據取出，進行動態后差分處理及相機曝光時刻坐標內插，形成精確度極高的POS數據。

照片經過初步篩選和處理后，結合POS數據，使用Pix4D Mapper（V4.4.10）進行正射影像圖的快速拼接。

在Pix4D Mapper（V4.4.10）中導入曝光點坐標，水平/垂直精度均設置為0.2 m。初始化處理（空中三角測量）設置為“全面高精度處理”，計算內外方位元素，最后生成數字正射影像（DOM）如圖2所示，地面分辨率（GSD）約為5.13 cm。

圖2 數字正射影像（GSD≈5.13 cm）

此處摘選光束法區域網平差結果，如表1所示。

表1 平差結果

3.2 光電吊艙系統應用實例

根據任務要求，靖西三線燃氣管道需要巡檢的管線長度為500 km，全線共劃分為4個子空域開展。

應用過程以巡線第一架次為例進行闡述，第一段管線長度為25.5 km，將第一段管線坐標導入航線設計模塊，自動生成巡檢航線，航線全長約60 km，航線高度約為海拔2 000 m，根據數據鏈路通視情況和安全飛行原則，選取定邊縣石洞溝鎮一處視野開闊，高程較高的小坡作為起降點，起降點（地面站架設點）坐標為37.489927°N，108.091736°E，在航線設計模塊中對航線安全和通視情況進行評估，航線安全評估結果為安全，航線鏈路通視情況為100%通視。

飛機整體起飛重量約26.5 kg，所搭載的設備總重為2.85 kg（含光電吊艙、升降機構、設備安裝板），于2022年8月18日10時11分18秒起飛，11時3分49秒降落。總計飛行時長約52 min，風力三級。

當飛機進入巡檢航線時，地面站發送“線路跟蹤”“連續跟蹤”指令，利用地面站外接控制手柄將焦距調整至推薦焦距范圍內，光電吊艙自動旋轉對準管線所在位置，并保持連續跟蹤，在巡檢過程中，采用北東坐標補償進行微調。同時光電吊艙拍攝的高清視頻實時回傳至地面站分屏和外接智能識別模塊。

在本架次巡檢任務中，傳回的巡檢視頻中共識別到車1輛，人員1名，檢測精確率100%，經巡檢工作人員判斷，識別到的車輛與人員對管道安全無影響。識別結果如圖3、圖4所示。

圖3 人員識別結果

圖4 車輛識別結果

4 結語

本文詳細介紹了一種基于高精度航測技術的無人機燃氣管道智能巡檢系統，重點介紹了系統組成、智能化運用，并結合應用實例進行了詳細描述。該系統搭載巡檢工作中主流的任務載荷，融合了高精度航測、基于線路節點坐標的自動照準識別、智能識別等多項高新技術，充分提高了整體智能化水平。從系統在項目實例中的應用可以看出該系統在管道巡檢工作中可以極大地提高巡檢效率和遠程決策能力，為后續構建管道信息管理系統和追責取證工作提供可靠的技術保障。