应用无人机倾斜摄影测量的管道测绘技术研究
作者：赵鹏飞
来源：《科技创新导报》2020年第29期
        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
        中图分类号：P231 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）10（b）-0006-03
        Abstract： The traditional methods of pipeline surveying and mapping mainly use three-dimensional laser scanning on the ground， airborne lidar and other methods for three-dimensional modeling， but the efficiency is often low. But using the incline photogrammetry technology of gyroplane UAV to survey the pipeline can achieve better results. This paper first discusses the principle and method of incline Photogrammetry in pipeline surveying and mapping， and then discusses the specific implementation plan in detail with examples. The results show that the UAV incline photogrammetry technology has the advantages of strong timeliness， high cost performance， small restriction of monitoring area， fast acquisition of ground data and 3D modeling.
        Key Words： UAV; Tilt photogrammetry; Pipeline engineering; 3D modeling
        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，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
数据可视化什么意思
        （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。
        参考文献
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