李 瑋

中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

無人機航空攝影測量是一種獲取高分辨率數(shù)據(jù)的航測技術,具有造價低、操作靈活、機動性強、高危地區(qū)探測等技術特點,突破了傳統(tǒng)航空攝影測量和衛(wèi)星遙感測量不能完全解決的測繪時效性和性價比的難題,在工程建設中的應用效果顯著[1]。近幾年,無人機硬件技術、飛行控制技術和設備集成技術發(fā)展迅速,無人機航空攝影測量作為新興航空攝影測量技術,在石油天然氣行業(yè)中的應用越來越多。特別是在油氣管道方面,無人機航空攝影測量為管道工程建設提供了豐富可靠的基礎測繪成果,為油氣管道的建設發(fā)揮了重要作用[2]。本文通過工程項目試驗實例，分析無人機航空攝影測量的技術應用。

1 航空攝影

試驗測區(qū)位于四川省梓潼縣境內(nèi),線路長約15 km。測區(qū)地理位置為東經(jīng)105°09′22″～105°12′48″，北緯31°37′35″～31°35′49″,測區(qū)平均海拔496 m,周邊海拔460～580 m,相對高差120 m左右,地勢起伏不大,屬于丘陵平原地帶。線路從西到東地面高程上升,植被較多。試驗目標為線路中心線兩側(cè)各200 m范圍的1∶2 000 DEM及DOM成果制作。

1.1 無人機技術指標

本次試驗采用一款卓越的多功能型航拍、實時影像回傳的無人機,由世界知名無人機廠商生產(chǎn)。該型無人機經(jīng)過了大量、反復地飛行測試,具有高耐久性、高穩(wěn)健性等特點,可以獲取高質(zhì)量的航攝像片,同時,還可以選配實時視頻傳輸系統(tǒng)進行實時監(jiān)控、指揮和調(diào)度工作。無人機主要性能指標見表1。

1.2 實地踏勘和航線設計

1.2.1 實地踏勘

根據(jù)試驗測區(qū)的線路路由地面情況,試驗組對測區(qū)現(xiàn)場進行了踏勘。踏勘主要任務為選擇無人機的起降場地,起降場地的選擇主要考慮因素:無明顯障礙物,包括架空線路、高層建筑物、山嶺等;無大面積水域、深溝、樹林等;松軟土質(zhì)或低矮植被[3]。

1.2.2 航線設計

踏勘完畢后,試驗組在實地進行了航線設計。本次試驗按3個航攝架次飛行設計,設計航線14條,任意向飛行,飛行航高約400～500 m。航線設計圖見圖1。

表1無人機主要性能指標

性能指標數(shù)據(jù)翼展/m1.60最大起飛重量/kg4.30最大飛行高度/m4 500 滯空時間/min60～90任務執(zhí)行距離/km50巡航速度/(km·h-1)63～81抗風級數(shù)/級6起飛/回收方式彈力繩/降落傘動力系統(tǒng)無刷電動馬達通訊頻率/MHz868光學相機2 430萬像素,F2.0,35 mm,35全畫幅地面控制站手持終端器,筆記本電腦

圖1 航線設計圖

1.3 航空攝影及質(zhì)量檢查

1.3.1 航空攝影

航空攝影時因氣候突變,天氣情況為小雨、微風,地面反射條件較差。因此,執(zhí)行航飛任務時對設計航線進行了調(diào)整,將第1架次航線進行了局部微調(diào),第2架次和第3架次的順序?qū)φ{(diào)。實際飛行航線19條,共1 145張影像,面積約9.45 km2。第1架次490張影像,第2架次262張影像,第3架次393張影像,測區(qū)接邊處均有重疊影像,實際飛行航線見圖2。

圖2 實際飛行航線

1.3.2 質(zhì)量檢查

質(zhì)量檢查采用EasyMos軟件,通過航飛質(zhì)檢功能,提取POS導航數(shù)據(jù),對測區(qū)內(nèi)影像的飛行質(zhì)量進行全面檢查[4]。以第3架次共393張像片質(zhì)檢為例,由于航攝時天氣的影響,本架次個別航線重疊度和旋偏角不能滿足規(guī)范要求,但與規(guī)范規(guī)定的臨界值差數(shù)較小,根據(jù)以往經(jīng)驗,為保證連接影像的完整,本次試驗對此情況忽略不計。飛行質(zhì)量檢查結果見表2。

表2飛行質(zhì)量檢查結果

最大重疊度/(%)最小重疊度/(%)平均重疊度/(%)最大旋偏角/(°)最小旋偏角/(°)平均旋偏角/(°)96.4554.2367.78160.16.18

2 像片控制測量

像片控制測量采用航線網(wǎng)和全野外布點相結合的方式進行,像片控制點的布設按飛行架次設計,盡量考慮在航向和旁向6片或5片重疊區(qū)域內(nèi)布設像片控制點。像片控制點點位目標影像清晰、易于判別和立體量測,平面和高程控制點共用[5-6]。像片控制測量采用GNSS RTK測量方法進行,實施時GNSS RTK施測像片控制點相對于臨近等級控制點的精度指標為:平面中誤差不大于5 cm,高程中誤差不大于10 cm。像片控制點的布設情況見表3。

表3像片控制點的布設情況

架次點數(shù)176223316

3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用EasyMos軟件和M-DPGrid(移動式數(shù)字自攝影測量網(wǎng)格)系統(tǒng)進行,按航空攝影架次分區(qū)進行數(shù)據(jù)處理。主要內(nèi)容包括：影像畸變校正、空中三角測量、DEM及DOM成果制作。

3.1 影像畸變校正

航空攝影像片經(jīng)質(zhì)檢分析滿足使用要求后,需進行影像畸變校正[7],畸變校正在EasyMos軟件中進行。通過輸入檢校相機的畸變參數(shù),設定輸入和輸出目錄,批量進行各架次航空攝影像片的畸變校正,校正后的影像作為下一內(nèi)業(yè)工序的輸入條件,以滿足空中三角測量計算和平差的需要。

3.2 空中三角測量

空中三角測量采用M-DPgrid系統(tǒng),主要工作內(nèi)容包括:影像自動匹配與轉(zhuǎn)點、交互式編輯、區(qū)域網(wǎng)平差等[8]?？罩腥菧y量工作流程見圖3。

3.2.1 影像自動匹配與轉(zhuǎn)點

在影像自動匹配與轉(zhuǎn)點時,應注意執(zhí)行程序前的參數(shù)設置[9]。本次試驗任務參數(shù)設置為:每張影像標準點位個數(shù)“5”,每個標準點位上保留點的個數(shù)“3”,粗差閥值“2”(像素)。

圖3 空中三角測量工作流程

3.2.2 交互式編輯

影像自動匹配與轉(zhuǎn)點工作完成后,需進行粗差點自動挑選,確保每個點都是同名點的同時,還需要檢查測區(qū)內(nèi)是否缺點或漏點[10]。當自動計算的連接點不能滿足加密要求時,需人工增加一些連接點,在模型間保證足夠的連接強度。且航帶間的每張像片要均勻分布的多度重疊點,以保證控制網(wǎng)的強度[11-12]。

3.2.3 區(qū)域網(wǎng)平差

采用M-DPGrid系統(tǒng)內(nèi)置iBundle-Frame軟件進行分區(qū)區(qū)域網(wǎng)平差。平差時應反復檢查已知控制點的點位和高程精度指標,對于差值較大的已知點需在交互式編輯狀態(tài)下對其點位和高程信息進行核實和檢驗[13]。對于自動或人工轉(zhuǎn)點的點位需進行檢驗和調(diào)整,確認已知控制點的轉(zhuǎn)點位置無誤以及其他同名點無粗差后,再次進行平差,輸出平差報告。以第3架次的分區(qū)為例,控制點殘差統(tǒng)計見表4。

3.3 DEM及DOM成果制作

DEM制作是在DSM基礎上進行的,通過自動濾波和人機交互,在立體模型下人工干預測區(qū)DSM格網(wǎng)點的高度信息[14-15]。DSM的人工干預主要體現(xiàn)在植被、房屋、水域、橋梁等區(qū)域,數(shù)據(jù)處理人員需根據(jù)現(xiàn)場地表情況和調(diào)繪數(shù)據(jù)進行處理[16-17]。DOM制作則是通過匹配的點云進行單片糾正,再進行融合拼接處理,這種方法的優(yōu)點在于不易出現(xiàn)較大的接邊差和影像物理拉伸現(xiàn)象,可以在最大程度上保證DOM的影像質(zhì)量[18-19]。DEM及DOM成果見圖4。

表4控制點殘差統(tǒng)計單位:m

圖4 DEM及DOM成果

4 精度分析

本次試驗分別對影像平面位置和DEM高程精度進行了外業(yè)檢驗,為了整體反映航空攝影測量精度,檢查點均勻分布在整個測區(qū)[20-21]。利用GNSS RTK共采集了126個地面檢查點,計算結果表明試驗成果的平面位置精度較高,而高程精度偏低。精度較高的檢查點主要集中在測區(qū)西部平坦地區(qū),精度較差的點則主要集中于東部山區(qū)和中部水域附近。GNSS RTK檢查結果統(tǒng)計見表5。

表5GNSS RTK檢查結果統(tǒng)計

類別中誤差/m百分比/(%)成果精度/m平面0～0.8570.8～1.2351.2以上8中誤差0.66高程0～0.8520.8～1.4391.4以上9中誤差0.82

5 結論

無人機航空攝影測量在應用時,主要應考慮:無人機設備性能和參數(shù);空三加密過程變形度;地物配準程度;作業(yè)采集精度;出圖、處理精度等。測區(qū)天氣情況對無人機航空攝影質(zhì)量具有決定性的作用,航空攝影時可根據(jù)實際情況對規(guī)劃航線進行調(diào)整;軟件中個別超限的質(zhì)檢指標可忽略;內(nèi)業(yè)處理時采用自動化程度高、處理效率和質(zhì)量好的全數(shù)字攝影測量軟件,可以取到事半功倍的效果。本次試驗結果表明:無人機航空攝影測量在油氣輸送管道工程測量中的應用是可行的,試驗成果的質(zhì)量和精度滿足GB/T 50539-2009《油氣輸送管道工程測量規(guī)范》對線路帶狀地形圖、正射影像圖的精度要求。