萬仕平 王 靜 龍 潔 李 瑋 苑 冬 高發(fā)強 袁國淳

1. 中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041; 2. 中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田公司, 新疆 庫爾勒 841000; 3. 三峽大學電氣與新能源學院， 湖北 宜昌 443000

0 前言

消費級無人機指無人機產(chǎn)品中面向個人消費者，用于娛樂與航拍功能的飛行器,一般為四軸或者六軸的多旋翼機型,主要由飛行控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、云臺及拍攝設備、地面控制站(含遙控柄、平板、手機等)及機身等系統(tǒng)構成,可實現(xiàn)自主或半自主飛行,即能夠按控制算法完成自動起降、定點懸停、繞點飛行、路線規(guī)劃等功能[1]。高端消費級無人機的硬件和性能開發(fā)具有較強的前瞻性,目前在抗風能力、通信距離、相機鏡頭和像素、存儲空間等主要性能指標方面,滿足CH/Z 3002-2010《無人機航攝系統(tǒng)技術要求》的規(guī)定[2],具備小面積大比例尺低空數(shù)字航測的技術能力。

隨著材料、通信、傳感器、計算機等技術的快速發(fā)展,在國內工程建設領域,無人機技術的發(fā)展和應用目前進入了一個爆發(fā)期。今后各種先進技術的重要指標之一便是綜合性尖端技術的融合,其應用將徹底打破多數(shù)基礎學科的專業(yè)界限,服務更加大眾化和社會化。消費級無人機正是基于這一時代技術發(fā)展背景,廣泛應用于石油天然氣地面工程建設大比例尺測圖。本文根據(jù)石油天然氣地面工程建設小面積大比例尺測圖的需求,通過行業(yè)技術特點和相關案例介紹并分析了消費級無人機的應用情況。

1 數(shù)據(jù)采集

石油天然氣地面工程除線路外的工點有廠、庫、站址及穿跨越等單體,一般測圖面積為0.01～3 km2,成圖比例尺為1∶500～1∶2 000[3]。采用消費級無人機外業(yè)數(shù)據(jù)采集時,需要根據(jù)測圖面積和比例尺進行像片控制、航空攝影、調繪等外業(yè)工作的技術設計,主要內容包括測區(qū)控制測量、像片控制點測量、檢查點測量、航線設計、低空攝影等。其中,航攝分辨率、像片控制點及檢查點根據(jù)成圖比例尺可參考表1實施。

測區(qū)平面及高程控制測量參照油氣行業(yè)相關標準,按等級控制測量原則,逐級布設和施測[4]。像片控制點布設在周邊無遮擋的平整地表處,在航攝前采用人工標繪地標的方法設置,人工地標可采用“L”形標志或三角形對頂標志。像片控制點測量采用GNSS RTK技術,以測區(qū)等級控制點為起算,直接測得像片控制點的坐標和高程,施測精度建議平面±5 cm,高程±5 cm,困難和復雜測區(qū)可根據(jù)情況適當放寬[5]。像片控制點測量結束后,將成果及點位照片整理為滿足空三計算的支持性文件(如kml)。

表1 成圖比例尺、航攝分辨率、像片控制點間距、像片控制點數(shù)量和檢查點數(shù)量表

航線設計主要通過商業(yè)或隨機軟件進行,設計時應考慮測區(qū)氣象條件、無人機續(xù)航時間、地表起伏、周邊環(huán)境等因素。根據(jù)測區(qū)分布情況,可設計不同方式的航線,包括交叉飛行和全向飛行方式。交叉飛行主要用于傾斜攝影,全向飛行則適用于傾斜和正射攝影。航線設計時,考慮到后期影像三維建模范圍和精度對影像重疊度要求較高[5-7],故設計像片重疊度為航向不低于80%,旁向不低于75%。

航空攝影時,按照安全要求和無人機的性能選擇起降場地。航空攝影時間根據(jù)任務工期要求選擇最有利的氣象條件,確保航空攝影像片能真實準確地表達地表的細部特征,光照度和陰影倍數(shù)需滿足相關規(guī)范要求[8-11]。消費級無人機受鏡頭焦距和地面分辨率的限制,飛行相對航高多數(shù)小于200 m,實施90～120 m相對航高的案例居多。對于站址、穿越等小面積測區(qū),一般起降1～3個架次即可完成航攝任務,作業(yè)效率高。

2 數(shù)據(jù)處理

內業(yè)數(shù)據(jù)處理主要工作內容包括空三加密、三維模型制作和三維數(shù)字化測圖等[12]?？杖用芎腿S模型制作通常為一體化處理,主要采用的軟件系統(tǒng)包括：Agisoft Metashape Professional、PIX4 Dmapper、Bentley Context Capture等。內業(yè)處理流程見圖1。

需要特別注意的是,上述幾類內業(yè)處理軟件系統(tǒng)在空三解算后,空三報告中控制點誤差等指標不能真實反映實際測量精度和模型精度,故在空三加密時,應保證加密區(qū)域有足夠且分布合理的檢查點參與計算,通過檢查點殘差指標對測區(qū)加密精度進行綜合評估。另外,在三維實景模型制作后,需及時導入外業(yè)檢查點和其他實測碎部點進行二次精度驗證,經(jīng)過兩次精度驗證后的空三加密和三維模型精度具有較高的可靠性；對不滿足精度要求的加密成果和模型數(shù)據(jù)應通過及時調整和外業(yè)補測等手段,重新進行加密和驗證,滿足要求后按作業(yè)流程輸出數(shù)據(jù),以便后續(xù)處理。

圖1 內業(yè)處理流程圖Fig.1 Flowchart of interior process

3 質量檢查

消費級無人機航測需對關鍵過程和成果質量進行檢查,質量檢查根據(jù)任務委托、相關規(guī)范及技術文件的要求進行,主要就符合性、準確性、完整性、一致性等方面進行質量檢查[13-15]。檢查內容和處理措施:航空攝影結束后應及時檢查像片重疊度,對不符合設計重疊度的航段,應及時補飛;空三加密完成后應及時檢查加密成果,加密成果不滿足精度要求時,應補測并重新進行空三加密,精度直至滿足要求為止;三維模型制作完成后應及時檢查模型精度,模型精度不滿足測圖需要時,應補飛、重飛、重新加密和制作模型;對于模型中出現(xiàn)的重影、飛出、突起、凹陷、斷裂等情況,應及時檢查發(fā)現(xiàn)并處理;數(shù)字線劃圖(DLG)與影像的一致性檢查,如不一致,須查明原因并及時修改錯誤成果。

4 案例應用

某擬建天然氣凈化廠和相關配套設施,其測區(qū)位于山地和緩坡地帶,屬典型盆地北部深丘地貌,其中山地附作物為茂密樹林,緩坡地段為梯田、旱地和果園,測區(qū)地物多為民房、旱地坎、水田坎、架空線路、墳地等。任務要求測圖范圍不小于450 m×900 m,比例尺為1∶500,提交地形圖成果。經(jīng)研究,該項目采用國內某品牌消費級旋翼無人機作業(yè),通過超低空數(shù)字航測,獲得測區(qū)三維實景模型,從三維數(shù)字化測圖結合外調草圖編制DLG成圖[16-17]。無人機主要性能指標見表2。

表2 無人機主要性能指標表

測區(qū)共布設5個控制點,均勻分布于中央及周邊區(qū)域,觀測采用全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)靜態(tài)方法,平面按二級、高程按五等控制測量技術要求進行。航線設計采用傾斜攝影交叉飛行方式,旁向和航向重疊度均為80%,航高 112 m,地面分辨率4 cm。航空攝影前根據(jù)航線設計圖進行像片控制點布設,采用人工地標方式共布設12個像片控制點(編號XK 01～XK 12)及7個檢查點(編號JC 01～JC 07),像片控制點測量采用GNSS RTK按三級平面、等外高程技術要求施測[4,18]。航線、像片控制點及檢查點位置見圖2。

圖2 航線、像片控制點及檢查點位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of aerial route,photocontrol points and inspection point location

測區(qū)植被茂密、局部高差較大,為避免過大的陰影,航空攝影開始時間選擇在11∶00,共計起降3個架次于12∶40完成作業(yè),獲得航片共計1 352張。內業(yè)處理采用Bentley Context Capture軟件進行,空三計算時通過初選、精選和迭代方式對像片控制點、檢查點進行刺點和計算,檢查加密報告像片控制點和檢查點精度滿足要求后輸出模型[19-20],空三加密像片控制點及檢查點精度情況見表3。

表3 像片控制點及檢查點精度情況表

三維模型成果輸出后,將在調繪過程中采用 GNSS RTK 隨機施測的28個地物特征點和52個地形碎部點同模型一并導入三維測圖軟件,進行二次精度驗證。驗證結果表現(xiàn)為:平面誤差≤±40 cm點數(shù)占比96%,最大值為41 cm;高程誤差≤±25 cm點數(shù)占比94%,最大值為48 cm。經(jīng)計算,平面位置中誤差為±12 cm,高程中誤差為±18 cm,滿足GB/T 50539-2017《油氣輸送管道工程測量規(guī)范》中1∶500比例尺地形測量的精度要求[4]。

三維數(shù)字化測圖和DLG編制利用三維測圖軟件和南方CASS測圖系統(tǒng),結合外業(yè)調繪和實測數(shù)據(jù)進行綜合處理,要素表達、取舍和整飾按地形圖圖式規(guī)范要求進行,圖面編制檢查無誤后,輸出該項目1∶500比例尺地形圖成果,見圖3。

圖3 1∶500地形圖成果圖(局部)Fig.3 1∶500 topographic map result(part)

該項目采用消費級無人機航測技術,順利完成了天然氣凈化廠原始地貌1∶500比例尺地形圖的測繪工作。經(jīng)初步評估,較傳統(tǒng)地面人工測量工作,消費級無人機航測數(shù)據(jù)采集效率提升3倍以上,減少外業(yè)人工勞動強度60%;內業(yè)處理自動化程度高,模型可判讀性強,大大減少了野外調繪工作,節(jié)約了工期和成本。

5 結論

消費級無人機成本低廉、操作簡單,其性能指標滿足局部小面積低空快速航攝需求,結合測繪專業(yè)級的技術路線和作業(yè)流程,能夠有效獲取用于航空攝影測量的數(shù)字影像,是目前最簡單有效的無人機航測方法之一,作業(yè)時相關技術指標按照無人機測繪行業(yè)標準或高于標準實施,能夠有效保障并顯著提高成果精度。某擬建天然氣凈化廠1∶500比例尺測圖案例的應用表明,消費級無人機在石油天然氣地面工程建設小面積大比例尺測圖方面,響應速度快、作業(yè)效率高、精度可靠、成果滿足要求,具有良好的經(jīng)濟效益和應用前景。