应用无人机倾斜摄影测量的管道测绘技术研究

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摘要：摘 要：传统的管道测绘方法主要采用地面三维激光扫描、机载激光雷达等方法进行三维建模，但效率往往较低。而采用旋翼无人机倾斜摄影测量技术进行管道测绘，则能够取得更好的效果。本文首先探讨了倾斜摄影测量技术在管道测绘中的原理和方法，进而结合实例，详

　　摘 要：传统的管道测绘方法主要采用地面三维激光扫描、机载激光雷达等方法进行三维建模，但效率往往较低。而采用旋翼无人机倾斜摄影测量技术进行管道测绘，则能够取得更好的效果。本文首先探讨了倾斜摄影测量技术在管道测绘中的原理和方法，进而结合实例，详细论述了具体的实施方案，结果表明，无人机倾斜摄影测量技术，具有时效性强、性价比高、监控区域受限小、地面数据快速获取和三维建模的优点。

　　关键词：无人机 倾斜摄影测量 管道工程 三维建模

　　管道是一種重要的油气输送设备，如果管道使用年限较长，管道老化，容易发生很多管道事故，以此，管道安全就显得的十分重要。为了使管道事故的风险得到降低，提出了数字化管道的概念，而管道数字化的基础条件，就是实现管道空间位置的数字化和三维可视化。传统方法主要采用地面三维激光扫描、机载激光雷达等方法进行三维建模，但效率往往较低。而采用旋翼无人机倾斜摄影测量技术进行管道测绘，则能够取得更好的效果。

　　倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、倾斜等不同的角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息。航空倾斜影像不仅能够真实地反映地物情况，而且具有精确定位地理信息、丰富影像信息等优势。

　　国际上倾斜航空摄影技术，已经广泛应用于应急指挥、国土安全、城市管理、房产税收等领域。在国内，自2010年以来，在国家科技支撑计划项目和测绘科技项目的支持下，通过技术引进和自主研发相结合，实现了倾斜航摄仪的研制和相应的数据处理软件开发，并且在城市三维建模等领域得到广泛应用。

　　目前国内有思维远见公司的SWDC-5、上海航遥公司的AMC、中测新图研制的TOPDC-5等。本文主要介绍了倾斜摄影测量的基本原理和方法，通过项目应用分析了该技术相对于传统地面和航空测量的优缺点，探讨了该技术可改进的方向以及目前适用的范围。

　　1 基本原理和方法

　　1.1 无人机倾斜摄影测量系统组成

　　无人机倾斜摄影测量系统由三部分组成，它包括飞行平台(测绘专业无人机)、倾斜摄影相机和倾斜摄影数据处理软件。

　　测绘专业无人机按驱动方式分为汽油驱动和电池驱动两种，按机翼形式分为固定翼、无人直升机和旋翼无人机三大平台，其中旋翼无人机以其价廉、操作灵活的优点得到广泛应用。

　　倾斜摄影相机主要包括三线阵相机系统、三相机系统、五相机系统，其中应用最广泛的是五相机系统，在业界最权威的美国Pictometry公司便采用了五相机倾斜摄影系统。

　　1.2 倾斜摄影测量基本原理及方法

　　倾斜影像是通过具有一定倾角的倾斜航摄相机获取的，具有如下的特点：可以获取多个视点和视角的影像，从而得到更为详尽的侧面信息;具有较高的分辨率和较大的视场角;同一地物具有多重分辨率的影像;倾斜影像地物遮挡现象较突出。

　　倾斜摄影测量方法主要包括以下几个步骤：航飞设计、像控测量、自动化三维建模、自动化正射影像图(DOM)生成、自动化数字高程模型(DEM)生成、立体测图、调绘和补测、地形图绘制。该方法应用于管道工程的生产流程如图1所示。

　　1.3 倾斜摄影测量在管道测量中的应用方法

　　在管道测绘中，使用人机倾斜摄影测量法可以取得良好的效果，准确反映现场实际情况，并满足管道测绘的相应技术要求。在实际应用中，配备多角度倾斜摄影系统的无人机用于通过空中倾斜摄影获取POS数据和原始图像，对获得的图像数据进行处理。在摄影过程中，由于图像差异、顺反光差异等，色相、饱和度、亮度等不一致，因此对图像进行了规范化和统一处理，从而使图像在视觉上完整且统一。原始图像分为不同类型的倾斜图像和垂直图像，整合地面相位控制点和POS数据，通过计算准确获取外部图像方向元素。整合垂直和倾斜图像数据，地面相位控制点数据，POS数据等，执行空中三角测量，并准确获取每个图像的外部方向元素。完整的空中三角剖分加密结果，垂直和倾斜图像数据，并通过图像密集匹配技术，获得基于真实图像的超高密度点云真实数字表面模型。

　　在现实世界的DSM数据的表面上，映射来自标准化和增强过程的像素级分辨率纹理和图像数据，以获得全因子3D模型的主要场景。通过模型编辑软件，进行细化，捕获和其他精细处理，然后将其导入模型结构以获得完整的3D模型场景。一旦测试了获得的结果，就可以在实践中使用它们。使用专业软件制作3D模型，包括坡度、角度、面积、长度、高度等基本属性。同时，收集地形点的3D坐标，并完成通过3D曲面模型场景选择管道钻探地点和隧道的选择。在管道测绘中，无人机倾斜摄影测量技术的应用具有许多优势：它可以准确地测量地形和非接触特征，并且可以到达人们难以到达的危险区域，像山谷、山顶等通过非接触式测量，可以有效地确保设计人员和测量人员的人身安全。在管道穿越和隧道穿越的钻探路线选择过程中，可以大大提高工作效率，减少改道情况。此外，使用专业软件建立3D表面模型可以提高3D建模的速度和效率，同时降低生产成本并获得更好的经济效益。

　　2 应用实例

　　采用无人机倾斜摄影测量系统完成3km管道线路(带宽500m)三维模型建立和1∶1000数字线划图(DLG)制作。

　　2.1 硬件和软件配置

　　(1)飞行平台：AC1100六旋翼无人机，最高作业高度300m，最大续航时间30min，最大控制半径3000m，可自驾或手控。

　　(2)倾斜相机：AP5100倾斜像机(1个垂直摄影镜头和4个倾斜摄影镜头)，单个CCD有效像素2000万，云台重量(倾斜相机系统总重量)2.1kg，焦距10.4mm，定点曝光。

　　(3)建模软件：Smart3DCapture软件，可单次处理100亿像素点数据，全自动化建模。

　　(4)DLG制作软件：我公司自主研发的制图软件Smart mapping。

　　2.2 方案设计

　　(1)本次航飞沿管道走向，共设计2条航带(相当于面状区域测量的分区)，每个航带设计5～6条航线。

　　(2)航高150m，航向、旁向重叠度70%。

　　(3)区域网布设像控点14个，包括8个平高点，6个检查点。

　　(4)使用Smart 3D软件进行迅捷三维建模，并对模型成果进行精度评价。

　　2.3 结果分析

　　(1)产品精度评价：利用现场6个检核点对模型精度进行评定，X、Y、Z方向的分量中误差分别为0.11m、0.11m和0.13m，平面中误差为0.16m，符合《工程测量规范》中规定的该环境下，城建区地物点点位中误差优于0.30m，高程中误差优于0.25m的要求。

　　(2)三维模型效果分析：如图2所示，三维模型色彩真实，位置准确，真实再现了现场的实际情况。

　　(3)DLG效果分析：DLG中地形、地物无遗漏，地形点密度和综合取舍合理、勾绘形象正确，地理名称调查注记正确，符合規范要求，满足设计需求。

　　3 结语

　　在管道工程中，尤其是在测量站场、跨河、沟壑、地质灾害等方面，UAV倾斜摄影测量系统的使用具有明显的优势，主要体现在以下方面两个方面。

　　(1)平台的优势。无人机空中侦察具有灵活性，运行成本低，生产周期短的特点。

　　(2)多方面的成就。Tilt UAV倾斜摄影测量系统可以快速生成大型3D模型，正射影像(DOM)，地面高程(DEM)，表面模型(DSM)和DLG地形图。

　　UAV倾斜摄影测量系统在管道工程中的应用存在一定的局限性，主要体现在两个方面。

　　(1)飞机的阻力低。当前，由于其自身的负载限制，无人机平台具有较弱的抵抗力。如果要在长距离管道工程中广泛使用它，则有必要开发新的，更具抵抗力的无人机。

　　(2)需要改进大规模地形图制作的自动化。小型地形图自动生成的主要问题是密集云点的滤波精度不高，很难自动区分所有地面和非地面点，如果可以提高精度通过过滤，将大大提高大规模地形图的生产效率。

　　综上所述，无人机倾斜摄影测量技术具有准时、成本效益高、监测面积小、地面数据采集速度快和三维建模等优点，特别适合于长距离线路和管道区域(例如野外测量站、河流穿越、沟壑、地质灾害点等)。随着无人机硬件和设备的发展，该技术存在无人机阻力低，地形图制作自动化不足的问题。数据处理技术将在管道工程中发挥更大的作用。

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