無人機航空攝影測量在長輸管道工程中的應(yīng)用研究

摘 要：某長輸管線工程需要穿越地形復(fù)雜的山地，為了規(guī)劃合理的施工線路，技術(shù)人員通過無人機航空攝影測量技術(shù)生成相關(guān)區(qū)域的數(shù)字高程模型。研究過程分析了無人機航空攝影測量的實施要點、數(shù)字高程模型的建模方法，包括設(shè)備選型、飛行參數(shù)設(shè)置、模型生成等。在建模完成后，對數(shù)據(jù)和建模精度進(jìn)行評價。結(jié)果顯示，像控點和檢測點平面位置偏差的中誤差和高程偏差的中誤差均未超過規(guī)范值。研究結(jié)論：無人機航空攝影測量技術(shù)具有較高的精度，能夠為長輸管道工程提供可靠的地形地貌數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：無人機航空攝影測量；長輸管道工程；平面位置偏差；高程偏差

中圖分類號：P 23" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在長輸管道工程中，為了采集施工沿線的地形地貌信息，建立二維地圖和三維模型，并且將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)布至GIS平臺，以便企業(yè)進(jìn)行施工方案編制、歷史影像歸檔、施工變更索賠、工作匯報，技術(shù)人員可基于無人機航空攝影測量技術(shù)建立施工區(qū)域的數(shù)字高程模型。

國內(nèi)技術(shù)人員對該技術(shù)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用方法進(jìn)行了較為廣泛的研究。陳晨[1]運用無人機航空攝影測量技術(shù)繪制地形圖，分析了相關(guān)的應(yīng)用方法。張英俊等[2]以征地拆遷工程為背景，運用無人機攝影測量技術(shù)建立工程區(qū)的三維實景模型。唐先祥[3]利用激光航空攝影技術(shù)勘察道路擴容施工的地形地貌數(shù)據(jù)，取得了良好的效果。

在此次研究中，以較高海拔地區(qū)的長輸管道工程為分析對象，運用無人機航空測量技術(shù)采集圖像，將其導(dǎo)入軟件工具，生成點云，進(jìn)而建立數(shù)字高程模型。該三維模型能夠輔助施工單位展示工程項目、規(guī)劃施工線路。

1 工程概況

某長輸管線工程全長為35km，項目全線需要穿越海拔800～2800m的山脈。在管道施工前，需要通過無人機航空攝影測量技術(shù)獲取作業(yè)區(qū)域的數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM），為施工線路規(guī)劃、施工方案設(shè)計等提供三維地形、地貌資料。數(shù)字高程模型的比例尺應(yīng)達(dá)到1∶2000，網(wǎng)格間距要求為2.0m。

2 無人機航空攝影測量在長輸管道工程中的應(yīng)用方法

采用無人機搭載高分辨率攝像頭或其他傳感器，能夠快速獲取管道沿線的地形圖、施工進(jìn)度、環(huán)境變化等信息。這種技術(shù)不僅適用于管道規(guī)劃與設(shè)計，還能實時監(jiān)測管道施工質(zhì)量。

2.1 無人機航空攝影測量實施要點

2.1.1 設(shè)備選型

2.1.1.1 無人機選型

在此次航空測繪中，選用的無人機設(shè)備性能較為先進(jìn)。能夠滿足飛行速度、海拔、懸停精度等方面的技術(shù)要求，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

2.1.1.2 數(shù)碼相機性能參數(shù)

數(shù)碼相機的性能參數(shù)對DEM的建模精度具有重要的影響，研究過程在無人機上搭載一臺ILCE-5100型高性能數(shù)碼相機。其有效像素為2430pixel，圖像分辨率為6000ppi×3376ppi。相機焦距為35mm，能夠?qū)崿F(xiàn)6張/s的快速連拍，感光標(biāo)準(zhǔn)為ISO 100-25600。

2.1.2 無人機航空攝影測量參數(shù)設(shè)置

2.1.2.1 航區(qū)及航線規(guī)劃

該項目航測區(qū)域的高程差較大，據(jù)此將航區(qū)劃分為3部分，分別記為I、II、III區(qū)。I區(qū)的最高點和最低點高程分別為1900m、905m，基準(zhǔn)面高程為1400m。II區(qū)的最高點和最低點高程分別為2800m、1200m，基準(zhǔn)面高程為2100m。III區(qū)的最高點和最低點高程為1560m、890m，基準(zhǔn)面高程為1200m。其中，基準(zhǔn)面高程=（最高點高程+最低點高程）/2。航線規(guī)劃可通過軟件工具輔助完成，航線規(guī)劃軟件可用于DEM航線設(shè)計，每條航線的長度不得超過無人機飛行速度的1/3。

2.1.2.2 無人機航空攝影參數(shù)設(shè)置

2.2 無人機航空攝影測量數(shù)據(jù)處理

2.2.1 DEM模型構(gòu)建

2.2.1.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在此次航測中，利用無人機拍攝了97980張照片，包括正攝影照片和4個方向的傾斜攝影照片，傾斜度均為35°。其中，正攝影照片數(shù)量為27435張，占比為28%。在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，將所有照片導(dǎo)入Context Capture 軟件，生成點云數(shù)據(jù)。經(jīng)過處理后，共生成了97699896個點云數(shù)量，點云密度達(dá)到了80pts/m2～120pts/m2，點云的平均距離為0.083m。

2.2.1.2 DEM建模

DEM建模采用Context Capture軟件，完整的建模流程為影像準(zhǔn)備→創(chuàng)建工程→添加影像資料→提交空三運算→生成點云數(shù)據(jù)→生成DEM模型[5]。該軟件的“概要”選項卡下具有“提交空中三角測量運算”按鈕，通過該操作對航拍照片的畸變進(jìn)行糾正，從而提高建模精度。圖1為DEM模型的構(gòu)建成果。

2.2.2 無人機航空攝影測量數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

2.2.2.1 設(shè)置像控點和檢測點

為了評價無人機航空測量的精度，技術(shù)人員在航測區(qū)域內(nèi)設(shè)置了5個像控點和15個檢測點。像控點編號為X1、X2、X3、X4、X5，檢測點編號為J1、J2、......、J15。分別通過無人機航測和人工測量獲取像控點、檢測點的平面位置數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)，將人工測量結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)值。在人工測量階段使用Leical201全站儀和DNA03電子水準(zhǔn)儀，確保檢測結(jié)果的精度。

2.2.2.2 平面位置誤差和高程誤差統(tǒng)計

利用航測數(shù)據(jù)減去人工測量的數(shù)據(jù)，得到5個像控點和15個檢測點的平面位置誤差、高程誤差，結(jié)果見表3。

計算監(jiān)測點的平面位置誤差和高程誤差的中誤差，獲得檢測點的平面位置誤差和高程誤差數(shù)據(jù)后，分別采用公式（4）和公式（5）計算以上兩項指標(biāo)的中誤差，并且與規(guī)范中的要求進(jìn)行對比，從而判斷無人機航空攝影測量的質(zhì)量。

《數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范》（GB/T 23236—2024）中規(guī)定，當(dāng)成圖比例尺為1∶2000，并且地形為山地時，平面位置中誤差不得超過1.0m，高程中誤差不得超過0.8m[6]。由圖2數(shù)據(jù)可知，ms=0.0178m＜1.0m，mb=0.00831m＜0.8m，實際誤差遠(yuǎn)小于規(guī)定數(shù)值。由此可見，此次無人機航空測量達(dá)到了較高的精度，滿足規(guī)范要求。

2.2.2.3 DEM模型整體精度分析

建立DEM模型后，可利用Context Capture軟件從模型中讀取檢測點和像控點的坐標(biāo)。以地面控制點坐標(biāo)和照片中的像點坐標(biāo)為基礎(chǔ)，通過空中三角測量解算，求得檢測點和像控點的平面位置坐標(biāo)和高程，與Context Capture軟件提取的結(jié)果進(jìn)行對比，求出偏差[7]。最后計算20個點沿著x方向、y方向和z方向的中誤差，結(jié)果如圖3所示。

3 結(jié)論

該項目為長輸管道工程，作業(yè)區(qū)域位于山區(qū)，海拔為800～2800m，地形地貌較為復(fù)雜，需要規(guī)劃合理的施工線路，從而控制工程造價。研究過程運用無人機航空攝影測量技術(shù)采集作業(yè)區(qū)域的DEM模型，以便施工單位設(shè)計合理的施工方案。根據(jù)研究內(nèi)容，得出以下結(jié)論。在無人機航空測繪前，應(yīng)根據(jù)測量區(qū)域的海拔、面積、地形復(fù)雜度等因素，選取適宜的無人機設(shè)備和航空攝影設(shè)備，保證無人機能夠滿足續(xù)航時間、飛行高度方面的要求，同時保證航空攝影工具能夠拍攝較高清晰度的照片。

在無人機航測前，應(yīng)規(guī)劃航線，設(shè)計旁向重疊度、航向重疊度、航高等飛行參數(shù)。通過無人機航測采集大量的地形地貌影像資料，將其導(dǎo)入軟件工具，生成DEM模型。建模完成后，應(yīng)該評價其精度。設(shè)置像控點和檢測點，采集各點的平面位置偏差和高程偏差，計算各類偏差的中誤差，判斷其是否滿足規(guī)范要求。

參考文獻(xiàn)

[1]陳晨.無人機航空攝影測量在地形圖測繪中的應(yīng)用[J].智能建筑與智慧城市，2024（9）：46-48.

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[3]唐先祥.道路擴容勘察設(shè)計中激光航空攝影測量技術(shù)的應(yīng)用[J].工程技術(shù)研究，2024，9（12）：177-179.

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