無人機(jī)航空攝影測量在長輸管道工程中的應(yīng)用研究

摘 要：某長輸管線工程需要穿越地形復(fù)雜的山地，為了規(guī)劃合理的施工線路，技術(shù)人員通過無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)生成相關(guān)區(qū)域的數(shù)字高程模型。研究過程分析了無人機(jī)航空攝影測量的實(shí)施要點(diǎn)、數(shù)字高程模型的建模方法，包括設(shè)備選型、飛行參數(shù)設(shè)置、模型生成等。在建模完成后，對數(shù)據(jù)和建模精度進(jìn)行評價(jià)。結(jié)果顯示，像控點(diǎn)和檢測點(diǎn)平面位置偏差的中誤差和高程偏差的中誤差均未超過規(guī)范值。研究結(jié)論：無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)具有較高的精度，能夠?yàn)殚L輸管道工程提供可靠的地形地貌數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)航空攝影測量；長輸管道工程；平面位置偏差；高程偏差

中圖分類號：P 23" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在長輸管道工程中，為了采集施工沿線的地形地貌信息，建立二維地圖和三維模型，并且將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)布至GIS平臺，以便企業(yè)進(jìn)行施工方案編制、歷史影像歸檔、施工變更索賠、工作匯報(bào)，技術(shù)人員可基于無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)建立施工區(qū)域的數(shù)字高程模型。

國內(nèi)技術(shù)人員對該技術(shù)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用方法進(jìn)行了較為廣泛的研究。陳晨[1]運(yùn)用無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)繪制地形圖，分析了相關(guān)的應(yīng)用方法。張英俊等[2]以征地拆遷工程為背景，運(yùn)用無人機(jī)攝影測量技術(shù)建立工程區(qū)的三維實(shí)景模型。唐先祥[3]利用激光航空攝影技術(shù)勘察道路擴(kuò)容施工的地形地貌數(shù)據(jù)，取得了良好的效果。

在此次研究中，以較高海拔地區(qū)的長輸管道工程為分析對象，運(yùn)用無人機(jī)航空測量技術(shù)采集圖像，將其導(dǎo)入軟件工具，生成點(diǎn)云，進(jìn)而建立數(shù)字高程模型。該三維模型能夠輔助施工單位展示工程項(xiàng)目、規(guī)劃施工線路。

1 工程概況

某長輸管線工程全長為35km，項(xiàng)目全線需要穿越海拔800～2800m的山脈。在管道施工前，需要通過無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)獲取作業(yè)區(qū)域的數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM），為施工線路規(guī)劃、施工方案設(shè)計(jì)等提供三維地形、地貌資料。數(shù)字高程模型的比例尺應(yīng)達(dá)到1∶2000，網(wǎng)格間距要求為2.0m。

2 無人機(jī)航空攝影測量在長輸管道工程中的應(yīng)用方法

采用無人機(jī)搭載高分辨率攝像頭或其他傳感器，能夠快速獲取管道沿線的地形圖、施工進(jìn)度、環(huán)境變化等信息。這種技術(shù)不僅適用于管道規(guī)劃與設(shè)計(jì)，還能實(shí)時(shí)監(jiān)測管道施工質(zhì)量。

2.1 無人機(jī)航空攝影測量實(shí)施要點(diǎn)

2.1.1 設(shè)備選型

2.1.1.1 無人機(jī)選型

在此次航空測繪中，選用的無人機(jī)設(shè)備性能較為先進(jìn)。能夠滿足飛行速度、海拔、懸停精度等方面的技術(shù)要求，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

2.1.1.2 數(shù)碼相機(jī)性能參數(shù)

數(shù)碼相機(jī)的性能參數(shù)對DEM的建模精度具有重要的影響，研究過程在無人機(jī)上搭載一臺ILCE-5100型高性能數(shù)碼相機(jī)。其有效像素為2430pixel，圖像分辨率為6000ppi×3376ppi。相機(jī)焦距為35mm，能夠?qū)崿F(xiàn)6張/s的快速連拍，感光標(biāo)準(zhǔn)為ISO 100-25600。

2.1.2 無人機(jī)航空攝影測量參數(shù)設(shè)置

2.1.2.1 航區(qū)及航線規(guī)劃

該項(xiàng)目航測區(qū)域的高程差較大，據(jù)此將航區(qū)劃分為3部分，分別記為I、II、III區(qū)。I區(qū)的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)高程分別為1900m、905m，基準(zhǔn)面高程為1400m。II區(qū)的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)高程分別為2800m、1200m，基準(zhǔn)面高程為2100m。III區(qū)的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)高程為1560m、890m，基準(zhǔn)面高程為1200m。其中，基準(zhǔn)面高程=（最高點(diǎn)高程+最低點(diǎn)高程）/2。航線規(guī)劃可通過軟件工具輔助完成，航線規(guī)劃軟件可用于DEM航線設(shè)計(jì)，每條航線的長度不得超過無人機(jī)飛行速度的1/3。

2.1.2.2 無人機(jī)航空攝影參數(shù)設(shè)置

2.2 無人機(jī)航空攝影測量數(shù)據(jù)處理

2.2.1 DEM模型構(gòu)建

2.2.1.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在此次航測中，利用無人機(jī)拍攝了97980張照片，包括正攝影照片和4個(gè)方向的傾斜攝影照片，傾斜度均為35°。其中，正攝影照片數(shù)量為27435張，占比為28%。在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，將所有照片導(dǎo)入Context Capture 軟件，生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)。經(jīng)過處理后，共生成了97699896個(gè)點(diǎn)云數(shù)量，點(diǎn)云密度達(dá)到了80pts/m2～120pts/m2，點(diǎn)云的平均距離為0.083m。

2.2.1.2 DEM建模

DEM建模采用Context Capture軟件，完整的建模流程為影像準(zhǔn)備→創(chuàng)建工程→添加影像資料→提交空三運(yùn)算→生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)→生成DEM模型[5]。該軟件的“概要”選項(xiàng)卡下具有“提交空中三角測量運(yùn)算”按鈕，通過該操作對航拍照片的畸變進(jìn)行糾正，從而提高建模精度。圖1為DEM模型的構(gòu)建成果。

2.2.2 無人機(jī)航空攝影測量數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

2.2.2.1 設(shè)置像控點(diǎn)和檢測點(diǎn)

為了評價(jià)無人機(jī)航空測量的精度，技術(shù)人員在航測區(qū)域內(nèi)設(shè)置了5個(gè)像控點(diǎn)和15個(gè)檢測點(diǎn)。像控點(diǎn)編號為X1、X2、X3、X4、X5，檢測點(diǎn)編號為J1、J2、......、J15。分別通過無人機(jī)航測和人工測量獲取像控點(diǎn)、檢測點(diǎn)的平面位置數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)，將人工測量結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)值。在人工測量階段使用Leical201全站儀和DNA03電子水準(zhǔn)儀，確保檢測結(jié)果的精度。

2.2.2.2 平面位置誤差和高程誤差統(tǒng)計(jì)

利用航測數(shù)據(jù)減去人工測量的數(shù)據(jù)，得到5個(gè)像控點(diǎn)和15個(gè)檢測點(diǎn)的平面位置誤差、高程誤差，結(jié)果見表3。

計(jì)算監(jiān)測點(diǎn)的平面位置誤差和高程誤差的中誤差，獲得檢測點(diǎn)的平面位置誤差和高程誤差數(shù)據(jù)后，分別采用公式（4）和公式（5）計(jì)算以上兩項(xiàng)指標(biāo)的中誤差，并且與規(guī)范中的要求進(jìn)行對比，從而判斷無人機(jī)航空攝影測量的質(zhì)量。

《數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范》（GB/T 23236—2024）中規(guī)定，當(dāng)成圖比例尺為1∶2000，并且地形為山地時(shí)，平面位置中誤差不得超過1.0m，高程中誤差不得超過0.8m[6]。由圖2數(shù)據(jù)可知，ms=0.0178m＜1.0m，mb=0.00831m＜0.8m，實(shí)際誤差遠(yuǎn)小于規(guī)定數(shù)值。由此可見，此次無人機(jī)航空測量達(dá)到了較高的精度，滿足規(guī)范要求。

2.2.2.3 DEM模型整體精度分析

建立DEM模型后，可利用Context Capture軟件從模型中讀取檢測點(diǎn)和像控點(diǎn)的坐標(biāo)。以地面控制點(diǎn)坐標(biāo)和照片中的像點(diǎn)坐標(biāo)為基礎(chǔ)，通過空中三角測量解算，求得檢測點(diǎn)和像控點(diǎn)的平面位置坐標(biāo)和高程，與Context Capture軟件提取的結(jié)果進(jìn)行對比，求出偏差[7]。最后計(jì)算20個(gè)點(diǎn)沿著x方向、y方向和z方向的中誤差，結(jié)果如圖3所示。

3 結(jié)論

該項(xiàng)目為長輸管道工程，作業(yè)區(qū)域位于山區(qū)，海拔為800～2800m，地形地貌較為復(fù)雜，需要規(guī)劃合理的施工線路，從而控制工程造價(jià)。研究過程運(yùn)用無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)采集作業(yè)區(qū)域的DEM模型，以便施工單位設(shè)計(jì)合理的施工方案。根據(jù)研究內(nèi)容，得出以下結(jié)論。在無人機(jī)航空測繪前，應(yīng)根據(jù)測量區(qū)域的海拔、面積、地形復(fù)雜度等因素，選取適宜的無人機(jī)設(shè)備和航空攝影設(shè)備，保證無人機(jī)能夠滿足續(xù)航時(shí)間、飛行高度方面的要求，同時(shí)保證航空攝影工具能夠拍攝較高清晰度的照片。

在無人機(jī)航測前，應(yīng)規(guī)劃航線，設(shè)計(jì)旁向重疊度、航向重疊度、航高等飛行參數(shù)。通過無人機(jī)航測采集大量的地形地貌影像資料，將其導(dǎo)入軟件工具，生成DEM模型。建模完成后，應(yīng)該評價(jià)其精度。設(shè)置像控點(diǎn)和檢測點(diǎn)，采集各點(diǎn)的平面位置偏差和高程偏差，計(jì)算各類偏差的中誤差，判斷其是否滿足規(guī)范要求。

參考文獻(xiàn)

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