無(wú)人機(jī)技術(shù)在數(shù)字礦山中的應(yīng)用

王有業(yè)

(山西省地球物理化學(xué)勘查院，山西 運(yùn)城 044004)

隨著無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)的推出，已快速發(fā)展為當(dāng)前大比例尺地形圖測(cè)繪的重要技術(shù)手段之一。而通過(guò)大比例尺地形圖航測(cè)試驗(yàn)分析表明［1，2］，其精度完全滿足要求。同時(shí)，無(wú)人機(jī)在應(yīng)急測(cè)繪［3］、小城鎮(zhèn)、新農(nóng)村建設(shè)測(cè)繪和困難地區(qū)測(cè)繪中都發(fā)揮著重要的作用。這些小區(qū)域無(wú)人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使得采用無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)進(jìn)行礦山地形圖快速更新就成為可能。張?zhí)i等人［4］就無(wú)人機(jī)在礦山測(cè)量中的應(yīng)用做出了探討，但僅僅是從思路和可行性上進(jìn)行了探討，并沒(méi)對(duì)具體的應(yīng)用做分析。山西作為我國(guó)的產(chǎn)煤大省，數(shù)字礦山建設(shè)已經(jīng)取得了階段性成果，探討無(wú)人機(jī)技術(shù)在數(shù)字礦山中的應(yīng)用，提供礦山基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)更新技術(shù)，對(duì)保障山西省煤炭經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)

1.1 技術(shù)特點(diǎn)

1)快速響應(yīng)。無(wú)人機(jī)是低空飛行，可在短時(shí)間內(nèi)完成升空準(zhǔn)備，操作簡(jiǎn)單，空域申請(qǐng)便利，同時(shí)降低了對(duì)天氣條件的要求。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可迅速到達(dá)指定工作區(qū)，完成測(cè)繪任務(wù)。對(duì)時(shí)間要求較高的測(cè)量工作無(wú)人機(jī)體現(xiàn)出無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

2)高分辨率影像數(shù)據(jù)獲取能力。無(wú)人機(jī)可獲取超高分辨率數(shù)字影像數(shù)據(jù)，并可針對(duì)特殊監(jiān)測(cè)目標(biāo)搭載全色波段、單波段、多波段等傳感器，并可進(jìn)行多角度攝影。

3)成本低廉，易于維護(hù)。相對(duì)于載人大飛機(jī)航攝系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)購(gòu)置費(fèi)用較低，且其運(yùn)營(yíng)成本、維護(hù)成本和操作成本都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于載人機(jī)系統(tǒng)。

4)多樣化數(shù)字產(chǎn)品。主要的數(shù)字產(chǎn)品包括全景影像圖(將幾十km2測(cè)區(qū)的影像拼接成一幅全景影像圖，并可以逐級(jí)放大任意漫游)、數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像、數(shù)字線劃圖、影像地形圖 、三維影像地圖、三維景觀圖等。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

1)應(yīng)急測(cè)繪領(lǐng)域。近些年，我國(guó)自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，平均每年因各類(lèi)地質(zhì)災(zāi)害所造成的直接經(jīng)濟(jì)損失近2 000億元。無(wú)人機(jī)的快速響應(yīng)能力使其廣泛應(yīng)用于地震災(zāi)害應(yīng)急測(cè)繪;地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急測(cè)繪;洪水災(zāi)害應(yīng)急測(cè)繪和雪災(zāi)應(yīng)急測(cè)繪等災(zāi)害應(yīng)急工作中。

2)小城鎮(zhèn)、新農(nóng)村建設(shè)測(cè)繪。目前，我國(guó)擁有約3萬(wàn)個(gè)小城鎮(zhèn)、65萬(wàn)個(gè)行政村、257萬(wàn)個(gè)自然村。這些村莊分布廣、面積較小，基本都在幾km2以下。采用傳統(tǒng)的大飛機(jī)航空攝影測(cè)量顯然成本太高，而無(wú)人機(jī)所獲取的高分辨率影像在制作大比例尺地形圖方面優(yōu)勢(shì)明顯。

1.3 無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)

基于小型無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)構(gòu)建的攝影測(cè)量系統(tǒng)主要由以下幾部分組成:1)小型無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái);2)飛行控制系統(tǒng);3)影像獲取設(shè)備;4)通信設(shè)備;5)遙控設(shè)備;6)地面信息接收與處理設(shè)備。國(guó)產(chǎn)Quickeye(快眼)系列無(wú)人機(jī)見(jiàn)圖1，圖2。

2 無(wú)人機(jī)在數(shù)字礦山建設(shè)中的應(yīng)用

數(shù)字礦山建設(shè)中，礦區(qū)大比例尺地形圖、正射影像圖、DEM、三維景觀圖等是數(shù)字礦山的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行這些數(shù)據(jù)獲取效率較低，費(fèi)用高，而大飛機(jī)從成本上考慮不能在礦區(qū)這樣的小范圍內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的航空攝影。隨著固定翼輕型低空無(wú)人飛機(jī)技術(shù)的發(fā)展和GPS自動(dòng)駕駛技術(shù)的運(yùn)用，以及基于無(wú)人機(jī)低空影像生產(chǎn)DEM和DOM的技術(shù)不斷成熟，利用無(wú)人飛機(jī)進(jìn)行大比例尺地形圖測(cè)繪和航空攝影成為現(xiàn)實(shí)。無(wú)人機(jī)所體現(xiàn)的低成本、高效率，且所獲取的數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的現(xiàn)勢(shì)性等特點(diǎn)，對(duì)數(shù)字礦山建設(shè)和礦山災(zāi)害應(yīng)急支持均具有重要的意義。

山西某礦區(qū)地處呂梁山脈南端，山嶺重疊，溝壑縱橫，總體地勢(shì)東北高，西南低，最高點(diǎn)標(biāo)高為1 618.5 m，最低點(diǎn)標(biāo)高為1 083.3 m，最大相對(duì)高差535.2 m。礦界面積為:22.981 4 km2，外擴(kuò) 200 m 面積為:28.668 3 km2，取正后面積為:52.644 6 km2。為實(shí)現(xiàn)礦山數(shù)字化建設(shè)，采用無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)進(jìn)行了礦區(qū)大比例尺地形圖測(cè)繪工作和正射影像圖生產(chǎn)。技術(shù)流程見(jiàn)圖3。

圖3 生產(chǎn)技術(shù)流程圖

2.1 技術(shù)流程

1)像片控制測(cè)量。像片控制點(diǎn)測(cè)量是航測(cè)內(nèi)業(yè)加密和測(cè)圖的依據(jù)，是影響成圖精度的主要因素。野外像片控制點(diǎn)的布設(shè)按照《1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》中區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)要求進(jìn)行布設(shè)。

像片控制點(diǎn)的選刺是航測(cè)外業(yè)工作的重要環(huán)節(jié)，實(shí)地選刺目標(biāo)大都是較小的地物，并在相關(guān)像片上影像清晰，考慮到易于內(nèi)業(yè)轉(zhuǎn)刺，刺點(diǎn)后在現(xiàn)場(chǎng)編繪點(diǎn)位文字說(shuō)明和略圖，準(zhǔn)確表述了點(diǎn)位與周?chē)嚓P(guān)地物的關(guān)系。

2)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集與地形圖編輯。地物、地貌測(cè)繪作業(yè)方法采用以人工作業(yè)為主的三維跟蹤立體測(cè)圖方法，作業(yè)方式為外業(yè)調(diào)繪、采編一體化的測(cè)圖方式。按規(guī)范要求分層進(jìn)行地貌和地物要素的數(shù)據(jù)采集，生成*.DXF標(biāo)準(zhǔn)格式的地形圖數(shù)據(jù)文件。完成后導(dǎo)入南方CASS7.1軟件，加上外業(yè)調(diào)繪內(nèi)容進(jìn)行地形圖編輯，編輯時(shí)均按照?qǐng)D式規(guī)定進(jìn)行。

3)數(shù)字正射影像圖制作。對(duì)每個(gè)像對(duì)按5 m格網(wǎng)間距生成DEM，分別編輯。另根據(jù)航空像片的內(nèi)外方位元素和DEM對(duì)數(shù)字化的航空像片進(jìn)行數(shù)字微分糾正得到正射影像，不同像對(duì)的正射影像經(jīng)鑲嵌、圖廓裁切、色彩平衡處理、圖廓整飾等步驟，完成礦區(qū)數(shù)字正射影像圖DOM制作，見(jiàn)圖4，圖5。

2.2 精度分析

1)數(shù)字化測(cè)圖精度分析。礦區(qū)地形全部為山地地形，所以對(duì)通訊線、低壓電力線、管線的平面位置圖上中誤差放寬到地物點(diǎn)對(duì)附近野外控制點(diǎn)的平面位置中誤差的1.2倍。內(nèi)業(yè)加密點(diǎn)對(duì)最近野外控制點(diǎn)的圖上點(diǎn)位中誤差為0.55 mm，實(shí)地計(jì)1.1 m;地物點(diǎn)對(duì)最近野外控制點(diǎn)的圖上點(diǎn)位中誤差為0.8 mm，實(shí)地計(jì)1.6 m。

內(nèi)業(yè)加密點(diǎn)對(duì)最近野外控制點(diǎn)的高程中誤差為0.8 m;內(nèi)業(yè)高程注記點(diǎn)對(duì)最近野外控制點(diǎn)的高程中誤差為1.2 m;等高線對(duì)最近野外控制點(diǎn)的高程中誤差為1.5 m。

2)數(shù)字正射影像圖質(zhì)量分析。所生成的礦區(qū)正射影像圖數(shù)據(jù)覆蓋范圍符合要求;對(duì)左、右正射影像進(jìn)行零立體觀測(cè)檢查，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的地形起伏;整景正射影像圖色彩均衡、色調(diào)一致，反差適中，完全滿足遙感影像平面圖的質(zhì)量要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，基于無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)的 DEM、DOM、大比例地形圖快速生產(chǎn)技術(shù)不斷成熟，這為小范圍基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)快速獲取及應(yīng)用提供了支持。對(duì)比各種測(cè)圖技術(shù)、數(shù)字化測(cè)圖技術(shù)已完全取代傳統(tǒng)測(cè)圖技術(shù)，而基于無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)的大比例地形圖測(cè)繪技術(shù)是數(shù)字化測(cè)圖的重要組成部分。作為數(shù)字礦山建設(shè)中的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，大比例尺地形圖和正射影像生產(chǎn)需要高效、低成本。而無(wú)人機(jī)技術(shù)完全可以滿足這些要求。因此，本文對(duì)無(wú)人機(jī)技術(shù)在數(shù)字礦山建設(shè)中的應(yīng)用做了探討，以期對(duì)推廣無(wú)人機(jī)技術(shù)在礦山領(lǐng)域的更廣泛應(yīng)用。

［1］何 敬，李永樹(shù)，徐京華，等.無(wú)人機(jī)影像制作大比例尺地形圖試驗(yàn)分析［J］.測(cè)繪通報(bào)，2009(8):24－27.

［2］王志豪，劉 萍.無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)大比例尺測(cè)圖試驗(yàn)分析［J］.測(cè)繪通報(bào)，2011(7):18－20.

［3］楊瑞奇，孫 健，張 勇.基于無(wú)人機(jī)數(shù)字航攝系統(tǒng)的快速測(cè)繪［J］.遙感信息，2010(3):108－111.

［4］張?zhí)i，宋會(huì)傳.無(wú)人機(jī)技術(shù)在現(xiàn)代礦山測(cè)量中的應(yīng)用探討［J］.礦山測(cè)量，2010(3):44－46.