应用低空无人机的长输管道测量研究

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摘要：摘 要：传统的手动测量模式存在操作周期长、劳动投入大、成本高等问题，甚至会出现困难地区无法施测，无法满足高难度、快节奏测量生产的需要。低空无人机航摄技术，凭借其自身机动灵活、高效快速、航拍成像技术(可在困难地区进行探测)以及精确的后处理技术，

　　摘 要：传统的手动测量模式存在操作周期长、劳动投入大、成本高等问题，甚至会出现困难地区无法施测，无法满足高难度、快节奏测量生产的需要。低空无人机航摄技术，凭借其自身机动灵活、高效快速、航拍成像技术(可在困难地区进行探测)以及精确的后处理技术，大大降低了运营成本和生产周期。在“短、平、快”的长输管道线路地形图测绘方面具有明显优势。本文主要探讨无人机航测系统在1∶2000线路测量中的应用思路，包括数据获取、像控布设及影像处理等。

　　关键词：低空无人机 长输管道 测量 航摄系统

　　长距离输油(气)管道是国家油气储运项目的重要组成部分，随着国家能源战略的加速推进，主支干输油(气)管道铺设工程越来越呈现出距离长、覆盖广、地形复杂、工期紧的特点，对线路测量也提出了更高的要求。

　　传统航空摄影测量补充手段的低空无人机航摄技术，凭借其自身机动灵活、高效快速、困難地区探测的航片获取技术，以及精准的后处理技术，大大降低了作业成本和生产周期，在“短、平、快”的长输管道线路地形图测绘方面具有明显优势。

　　管道测量主要包含线路测量、穿跨越工程测量和站场测量。其中，线路测量在中线两侧各100m范围内，采用1∶2000比例尺;穿跨越工程和站场测量采用1∶500比例尺。

　　本文主要针对无人机航测系统在1∶2000线路测量中的应用展开研究。

　　1 无人机系统简介

　　低空无人机(unmanned aerial vehicle，UAV)航摄系统是一种集无人驾驶飞行器、遥感及GPS导航定位等技术于一体建立起来的高机动性、低成本和小型化、专用化的遥感系统。

　　无人机航测系统主要包括无人机飞行平台、飞行控制系统和非量测型面阵CCD数码相机，以及地面站、远程无线通信装置、地面数据处理系统等辅助设施。

　　1.1 无人机飞行平台

　　无人机飞行平台主要包含固定翼无人机、旋翼轻型无人机和无人飞艇。由于固定翼无人机具有低成本，可实现低速平稳飞行等优点，本研究采用固定翼无人机平台。

　　1.2 飞行控制系统

　　飞行控制系统用于飞行控制及任务设备管理，由自驾仪、姿态陀螺、GPS定位装置、无线电遥控系统等组成，可实现飞机姿态、航高、速度、航向的控制及各个参数的传输，以便于地面人员实时掌控飞行情况。本研究中使用UP30型无人机飞控导航系统。

　　1.3 摄影传感器

　　本研究中搭载传感器为EOS5DMarkII，镜头标称焦距有24mm、35mm两种;CMOS传感器尺寸：36mm×24mm，最大像素：6048像素×4032像素。飞行过程中采取飞控系统控制快门定点曝光，将对焦环固定在无穷远处锁定相机的内方位元素，采用固定光圈以保证统一物镜畸变参数，并伴有二轴稳定云台。

　　1.4 地面控制系统

　　地面控制系统的功能：航摄前期主要有测区查询、航线设计及参数设置;飞行阶段实时显示飞行参数，辅助飞控人员进行飞行;后期统计输出导航文件、影像飞行质量快速检查等。

　　2 无人机航摄系统

　　在长距离输气管道测量中应用某煤制气支干线全长113km，测区地势东北高西南低，地质构造较为复杂。其中，山区约占70%，平原约占20%，丘陵约占10%。因管道施工设计需求，需在20个工作日内提供全线1∶2000带状地形图(沿中线两侧各100m范围)。为保证工期与质量，决定采用无人机航摄技术，技术流程如图1所示。

　　2.1 无人机航摄数据获取

　　(1)收集与待测区有关的数据。在进行飞行设计之前，了解待测区域的概况并收集有关数据，例如待测区域的地形图，GPS检查点的坐标等。

　　(2)飞行设计。根据项目制图的要求和研究区域的地形起伏，本次实验设计了5个航拍，根据飞行高度确定了600～1200m的高度。该区域的高度，分辨率优于0.2m，带宽为1 km。

　　(3)数据收集。将计划的路线加载到飞行控制系统中，地面控制子系统根据计划的路线控制无人机的飞行，而飞行控制系统则控制摄像机以根据预设的路线和拍摄模式进行拍摄。在该实验中总共获得了3500张图像。使用同名的手动点选择方法来计算相邻照片的重叠度和旋转角度。使用飞行控制数据和导航数据来验证路线的曲率和同一路线的高度差。经检查，均符合规格要求。

　　2.2 像控布设及施测

　　根据“条带”状测区特点，全区采用平高区域网单航带双模型[6]布点方案。每隔5条基线布一对平高点，不规则区域网在凹拐角处加布平高点。全线共布设外业像控点408个。

　　2.3 影像处理

　　影像处理主要包括畸变差纠正、空中三角测量、三维产品制作及精度检查等内容。

　　(1)影像畸变差纠正。

　　由于无人机在低空时的负载和体积，该传感器是无法测量相机感光单元的非平方因子和非正交性，以及该组传感器的径向和切向畸变物镜采集数字图像中存在各种失真，因此不能直接用于地形图和制图生产中。在此实验中，在飞行之前，已通过专业校准学校对摄像机进行了验证，以获得摄像机的畸变系数，并在PixelGrid畸变校正模块的帮助下完成了数据预处理。

　　(2)空中三角测量。

　　空中三角测量是数据处理的核心。操作的主要方法是基于POS数据自动在飞行条带内部和它们之间建立拓扑关系网络，以自动提取连接点，而该方法可以通过大量设置点和设置算法完全消除。总体差异点使用控制点进行空中三角测量，以获取精确的外部方向元素并生成加密点的坐标。

　　对于山区地形，残差检查点平面与高程残差之间的最大差值小于山区地形极限的差值(0.5m平面，0.4m高程)。

　　(3)DOM、DEM、DLG制作。

　　在VZ站下导入空三成果恢复立体模型，生成核线影像文件，进行影像匹配、编辑，线划图采集。根据外业调绘片在CASS环境下进行属性编辑、图廓整饰。利用采集的三维DLG数据内插生成DEM数据，从而进行DOM的制作。将正射影像图与线划图叠加分幅整饰最终完成线路1∶2000带状地形图制作(如图2所示)。

　　(4)DLG成图精度分析。

　　根据地貌差异将整个区域划分为多个单元，并选择13个检查样本区域(4个平原，3个丘陵和6个山区)。本实验采用地理精度和数学精度的同步检查方法。通过收集要素的特征点上的坐标数据，它可以根据要素在现场的实际位置来验证图形中的信息，并确保对每个样本区域中的30个样本进行均匀采样。由于不同的地形和地貌对高程精度的影响较大，因此高程精度统计采用子区域的形式，而平面精度則采用完全统计的形式。平均误差采用高精度的检测公式。

　　为了更好地验证平面位置精度，避免实测点位过程中选取点位与图上点位人为误差的存在，平面精度在各样本区外业实测点中均匀选取100个房角、公路拐角、独立地物作为检查点，结果表明基于无人机航摄技术的1∶2000线路带状地形图高程、平面中误差均满足《1∶500、1∶1000、1∶2000地形图航空摄影测量内业规范》(GB/T7930—2008)要求。其中，高程精度随地形变化差异较大，地形略有起伏的丘陵地带精度最优，平面精度总体保持良好。分析误差产生的原因：从无人机自身考虑，机身姿态不稳定、传感器采用非量测型相机对高程精度影响较大;从作业过程来看，内业空三加密、立体测图等环节产生的误差，以及外业GPS实测像控点、检查点产生的误差都造成了高程、平面精度的损失。

　　4 结语

　　低空无人机具有轻便灵活、反应迅速、成本低廉等诸多优点，本文将该技术应用于“条带状”工程——长距离输气管道线路带状地形图测量中，经试验验证，该技术在“短、平、快”的长距离输油气管道带状地形图测量中优势明显，可以高效、快速、保质地完成测量工作，极大地节省了人力，缩短了测量周期。

　　参考文献

　　[1] 罗志强.无人机在天然气长输管道地质灾害预警的应用[J].石化技术，2020(2)：174-175.

　　[2] 殷煜.高精度管道测量机器人多传感器集成系统设计与实现[D].武汉：华中师范大学，2019.

　　[3] 张颖龙.基于视觉的无人机在油气管道安全管理中的应用[J].电子技术与软件工程，2019(9)：99-100.

　　[4] 韩昭嵘.四旋翼无人机矿浆管道辅助巡线系统的研究[D].昆明：昆明理工大学，2017.

　　[5] 郝晓平.无人机技术在油气管道巡护中的应用[J]. 油气储运，2019(5)：955-960.

　　[6] 王巨涛.机载LiDAR技术在长输管道测量中的应用[J]. 测绘标准化，2016(12)：42-43.[1] 2

　　推荐阅读：基于小型无人机系统的地形测绘系统

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