消费级无人机大比例尺测图应用技术研究

万仕平 王 静 龙 洁 李 玮 苑 冬 高发强 袁国淳

1. 中国石油工程建设有限公司西南分公司, 四川 成都 610041; 2. 中国石油天然气股份有限公司塔里木油田公司, 新疆 库尔勒 841000; 3. 三峡大学电气与新能源学院， 湖北 宜昌 443000

0 前言

消费级无人机指无人机产品中面向个人消费者，用于娱乐与航拍功能的飞行器,一般为四轴或者六轴的多旋翼机型,主要由飞行控制系统、动力系统、通信系统、云台及拍摄设备、地面控制站(含遥控柄、平板、手机等)及机身等系统构成,可实现自主或半自主飞行,即能够按控制算法完成自动起降、定点悬停、绕点飞行、路线规划等功能[1]。高端消费级无人机的硬件和性能开发具有较强的前瞻性,目前在抗风能力、通信距离、相机镜头和像素、存储空间等主要性能指标方面,满足CH/Z 3002-2010《无人机航摄系统技术要求》的规定[2],具备小面积大比例尺低空数字航测的技术能力。

随着材料、通信、传感器、计算机等技术的快速发展,在国内工程建设领域,无人机技术的发展和应用目前进入了一个爆发期。今后各种先进技术的重要指标之一便是综合性尖端技术的融合,其应用将彻底打破多数基础学科的专业界限,服务更加大众化和社会化。消费级无人机正是基于这一时代技术发展背景,广泛应用于石油天然气地面工程建设大比例尺测图。本文根据石油天然气地面工程建设小面积大比例尺测图的需求,通过行业技术特点和相关案例介绍并分析了消费级无人机的应用情况。

1 数据采集

石油天然气地面工程除线路外的工点有厂、库、站址及穿跨越等单体,一般测图面积为0.01～3 km2,成图比例尺为1∶500～1∶2 000[3]。采用消费级无人机外业数据采集时,需要根据测图面积和比例尺进行像片控制、航空摄影、调绘等外业工作的技术设计,主要内容包括测区控制测量、像片控制点测量、检查点测量、航线设计、低空摄影等。其中,航摄分辨率、像片控制点及检查点根据成图比例尺可参考表1实施。

测区平面及高程控制测量参照油气行业相关标准,按等级控制测量原则,逐级布设和施测[4]。像片控制点布设在周边无遮挡的平整地表处,在航摄前采用人工标绘地标的方法设置,人工地标可采用“L”形标志或三角形对顶标志。像片控制点测量采用GNSS RTK技术,以测区等级控制点为起算,直接测得像片控制点的坐标和高程,施测精度建议平面±5 cm,高程±5 cm,困难和复杂测区可根据情况适当放宽[5]。像片控制点测量结束后,将成果及点位照片整理为满足空三计算的支持性文件(如kml)。

表1 成图比例尺、航摄分辨率、像片控制点间距、像片控制点数量和检查点数量表

航线设计主要通过商业或随机软件进行,设计时应考虑测区气象条件、无人机续航时间、地表起伏、周边环境等因素。根据测区分布情况,可设计不同方式的航线,包括交叉飞行和全向飞行方式。交叉飞行主要用于倾斜摄影,全向飞行则适用于倾斜和正射摄影。航线设计时,考虑到后期影像三维建模范围和精度对影像重叠度要求较高[5-7],故设计像片重叠度为航向不低于80%,旁向不低于75%。

航空摄影时,按照安全要求和无人机的性能选择起降场地。航空摄影时间根据任务工期要求选择最有利的气象条件,确保航空摄影像片能真实准确地表达地表的细部特征,光照度和阴影倍数需满足相关规范要求[8-11]。消费级无人机受镜头焦距和地面分辨率的限制,飞行相对航高多数小于200 m,实施90～120 m相对航高的案例居多。对于站址、穿越等小面积测区,一般起降1～3个架次即可完成航摄任务,作业效率高。

2 数据处理

内业数据处理主要工作内容包括空三加密、三维模型制作和三维数字化测图等[12]。空三加密和三维模型制作通常为一体化处理,主要采用的软件系统包括：Agisoft Metashape Professional、PIX4 Dmapper、Bentley Context Capture等。内业处理流程见图1。

需要特别注意的是,上述几类内业处理软件系统在空三解算后,空三报告中控制点误差等指标不能真实反映实际测量精度和模型精度,故在空三加密时,应保证加密区域有足够且分布合理的检查点参与计算,通过检查点残差指标对测区加密精度进行综合评估。另外,在三维实景模型制作后,需及时导入外业检查点和其他实测碎部点进行二次精度验证,经过两次精度验证后的空三加密和三维模型精度具有较高的可靠性；对不满足精度要求的加密成果和模型数据应通过及时调整和外业补测等手段,重新进行加密和验证,满足要求后按作业流程输出数据,以便后续处理。

图1 内业处理流程图Fig.1 Flowchart of interior process

3 质量检查

消费级无人机航测需对关键过程和成果质量进行检查,质量检查根据任务委托、相关规范及技术文件的要求进行,主要就符合性、准确性、完整性、一致性等方面进行质量检查[13-15]。检查内容和处理措施:航空摄影结束后应及时检查像片重叠度,对不符合设计重叠度的航段,应及时补飞;空三加密完成后应及时检查加密成果,加密成果不满足精度要求时,应补测并重新进行空三加密,精度直至满足要求为止;三维模型制作完成后应及时检查模型精度,模型精度不满足测图需要时,应补飞、重飞、重新加密和制作模型;对于模型中出现的重影、飞出、突起、凹陷、断裂等情况,应及时检查发现并处理;数字线划图(DLG)与影像的一致性检查,如不一致,须查明原因并及时修改错误成果。

4 案例应用

某拟建天然气净化厂和相关配套设施,其测区位于山地和缓坡地带,属典型盆地北部深丘地貌,其中山地附作物为茂密树林,缓坡地段为梯田、旱地和果园,测区地物多为民房、旱地坎、水田坎、架空线路、坟地等。任务要求测图范围不小于450 m×900 m,比例尺为1∶500,提交地形图成果。经研究,该项目采用国内某品牌消费级旋翼无人机作业,通过超低空数字航测,获得测区三维实景模型,从三维数字化测图结合外调草图编制DLG成图[16-17]。无人机主要性能指标见表2。

表2 无人机主要性能指标表

测区共布设5个控制点,均匀分布于中央及周边区域,观测采用全球导航卫星系统(GNSS)静态方法,平面按二级、高程按五等控制测量技术要求进行。航线设计采用倾斜摄影交叉飞行方式,旁向和航向重叠度均为80%,航高 112 m,地面分辨率4 cm。航空摄影前根据航线设计图进行像片控制点布设,采用人工地标方式共布设12个像片控制点(编号XK 01～XK 12)及7个检查点(编号JC 01～JC 07),像片控制点测量采用GNSS RTK按三级平面、等外高程技术要求施测[4,18]。航线、像片控制点及检查点位置见图2。

图2 航线、像片控制点及检查点位置示意图Fig.2 Schematic diagram of aerial route,photocontrol points and inspection point location

测区植被茂密、局部高差较大,为避免过大的阴影,航空摄影开始时间选择在11∶00,共计起降3个架次于12∶40完成作业,获得航片共计1 352张。内业处理采用Bentley Context Capture软件进行,空三计算时通过初选、精选和迭代方式对像片控制点、检查点进行刺点和计算,检查加密报告像片控制点和检查点精度满足要求后输出模型[19-20],空三加密像片控制点及检查点精度情况见表3。

表3 像片控制点及检查点精度情况表

三维模型成果输出后,将在调绘过程中采用 GNSS RTK 随机施测的28个地物特征点和52个地形碎部点同模型一并导入三维测图软件,进行二次精度验证。验证结果表现为:平面误差≤±40 cm点数占比96%,最大值为41 cm;高程误差≤±25 cm点数占比94%,最大值为48 cm。经计算,平面位置中误差为±12 cm,高程中误差为±18 cm,满足GB/T 50539-2017《油气输送管道工程测量规范》中1∶500比例尺地形测量的精度要求[4]。

三维数字化测图和DLG编制利用三维测图软件和南方CASS测图系统,结合外业调绘和实测数据进行综合处理,要素表达、取舍和整饰按地形图图式规范要求进行,图面编制检查无误后,输出该项目1∶500比例尺地形图成果,见图3。

图3 1∶500地形图成果图(局部)Fig.3 1∶500 topographic map result(part)

该项目采用消费级无人机航测技术,顺利完成了天然气净化厂原始地貌1∶500比例尺地形图的测绘工作。经初步评估,较传统地面人工测量工作,消费级无人机航测数据采集效率提升3倍以上,减少外业人工劳动强度60%;内业处理自动化程度高,模型可判读性强,大大减少了野外调绘工作,节约了工期和成本。

5 结论

消费级无人机成本低廉、操作简单,其性能指标满足局部小面积低空快速航摄需求,结合测绘专业级的技术路线和作业流程,能够有效获取用于航空摄影测量的数字影像,是目前最简单有效的无人机航测方法之一,作业时相关技术指标按照无人机测绘行业标准或高于标准实施,能够有效保障并显著提高成果精度。某拟建天然气净化厂1∶500比例尺测图案例的应用表明,消费级无人机在石油天然气地面工程建设小面积大比例尺测图方面,响应速度快、作业效率高、精度可靠、成果满足要求,具有良好的经济效益和应用前景。