某鋁土礦低空無人機(jī)遙感測繪成果精度分析

劉 聰，賀躍光 ，陳 帥，杜年春

(1.長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410114 ；2.湖南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410151；3.中國有色金屬長沙勘察設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410011)

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某鋁土礦低空無人機(jī)遙感測繪成果精度分析

劉 聰1，賀躍光1，陳 帥2，杜年春3

(1.長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410114 ；2.湖南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410151；3.中國有色金屬長沙勘察設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410011)

對于分布散、范圍大的鋁土礦區(qū)，傳統(tǒng)測量手段及時獲取滿足精度要求的礦區(qū)測繪資料具有一定難度。采用低空無人機(jī)遙感技術(shù)，能夠快速提供礦山建設(shè)所需要的數(shù)字線劃圖、數(shù)字高程模型及數(shù)字正射影像，實(shí)現(xiàn)礦山的數(shù)字化與信息化建設(shè)。結(jié)合某鋁土礦測繪面積大、礦區(qū)地物要素較少的測繪特征，通過無人機(jī)影像快速空三加密以及DLG,DEM,DOM的制作技術(shù)，獲得低空無人機(jī)遙感測繪成果。通過對解析空三加密點(diǎn)精度分析和GPS實(shí)測點(diǎn)檢查，表明測繪成果滿足1∶2 000測圖精度要求。

鋁土礦山；低空無人機(jī)遙感 ；空三加密；精度分析

鋁土礦是用來生產(chǎn)金屬鋁的原料。隨著科技進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人類對于鋁的需求越來越大。2000年以來，全球每年對于鋁的需求量以5%～10%的比例逐步增加。我國雖然擁有豐富的鋁土礦資源，同時也是一個鋁金屬需求量大的國家[1]。根據(jù)我國鋁土礦藏和開采的特點(diǎn)，采取先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行可持續(xù)開發(fā)利用，提高鋁土礦的利用率和采收率具有重要意義。

低空無人機(jī)遙感的應(yīng)用，我國屬于起步較晚的國家，直到20世紀(jì)末，我國的第一部無人機(jī)才由中國測繪科學(xué)院牽頭研制出來，并完成無人機(jī)的關(guān)鍵性試驗(yàn)。從事GPS無人機(jī)遙感研究多年的尹金寬[2]等人通過無人機(jī)采集數(shù)據(jù)來完善地形圖，完成公路選線的工作，證明低空無人機(jī)遙感在大比例成圖上的可行性。王鴻鴿[3]利用無人機(jī)航測在礦山測繪中的實(shí)際應(yīng)用，獲得的數(shù)據(jù)精度完全滿足航測內(nèi)業(yè)相關(guān)的測圖規(guī)范要求，使得低空無人機(jī)遙感測量在大比例尺測圖中的應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)。從事多年礦山測量的張忠[4]，結(jié)合多年的切身經(jīng)驗(yàn)，分析低空無人機(jī)遙感測量的特點(diǎn)和適用范圍，論述在礦山測量方面無人機(jī)測量的方法。李崇偉等對利用非量測型無人機(jī)影像開展大比例尺數(shù)字成圖進(jìn)行探討[5]。

1 某鋁土礦山的特點(diǎn)及測量要求

某鋁土礦是大型巖溶堆積型鋁土礦，在面積為1 750 km2的區(qū)域內(nèi)擁有5個礦區(qū)。鋁土礦的總儲量約為2億t。礦區(qū)內(nèi)的鋁土礦主要有3種不同的礦床類型，分別為殘積型、原生沉積型和巖溶堆積型。其中礦石的主要類型為高鐵—水硬鋁石、中鋁等。堆積型鋁土礦一般產(chǎn)自第四紀(jì)紅土層中，巖層厚度一般為3～24 m左右，表現(xiàn)為明顯的三元結(jié)構(gòu)[6]。

某鋁土礦主要存在于地層表面，露天堆積，礦土共存，具有分布散，分布范圍廣等成礦特征。對于獲取礦區(qū)的地形資料而言，作業(yè)面積廣，礦區(qū)覆蓋面大。礦區(qū)測繪主要是建立礦區(qū)的測量控制網(wǎng)、測繪或補(bǔ)測礦區(qū)的地形圖，進(jìn)行地上地下各種工程的施工監(jiān)測，反映各種生產(chǎn)現(xiàn)狀的采掘工程圖和專用圖，驗(yàn)收采掘(剝)充填工程量和生產(chǎn)量。而作為鋁土礦區(qū)的基礎(chǔ)之一的地形圖，其資料的準(zhǔn)確性和實(shí)時性直接影響到后期的礦山建設(shè)和生產(chǎn)。

使用先進(jìn)的無人機(jī)駕駛技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和通訊技術(shù)等相配合組成的無人機(jī)遙感技術(shù)，能夠方便快捷獲取有關(guān)地理信息、自然資源和空間環(huán)境等信息，完成對遙感數(shù)據(jù)的處理、建模、分析及應(yīng)用。低空無人機(jī)憑借其操作簡便、靈巧、組裝方便、易于攜帶等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于地理國情、地質(zhì)災(zāi)害等監(jiān)測中，取得較好效果，同時低空無人機(jī)遙感在鋁土礦山測繪中具有較強(qiáng)適應(yīng)性。

傳統(tǒng)的鋁土礦山測量采用各種測量技術(shù)，對礦區(qū)進(jìn)行地形數(shù)據(jù)采集。隨著時代進(jìn)步，對礦山測繪的需求也越來越高。有異于傳統(tǒng)測繪，現(xiàn)代礦山測繪不僅包括礦區(qū)地物地貌幾何關(guān)系數(shù)據(jù)采集，還包括各種目標(biāo)地物信息采集，如目標(biāo)區(qū)域影像數(shù)據(jù)采集和處理，目標(biāo)范圍內(nèi)基本現(xiàn)狀、環(huán)境等監(jiān)測工作。所以低空無人機(jī)遙感技術(shù)的發(fā)展，對于現(xiàn)代鋁土礦山測量，具有很好的應(yīng)用前景[7]。

鋁土礦山地形成圖比例尺一般小于1∶2 000，同時礦區(qū)地物要素較少，對地物精度要求不是很高。雖低空無人機(jī)在飛行姿態(tài)和影像質(zhì)量方面存在局限性，使用低空無人機(jī)遙感進(jìn)行數(shù)字礦山的測繪完全能夠滿足鋁土礦山建設(shè)與生產(chǎn)的要求[8]。根據(jù)礦山測量規(guī)范及某鋁土礦山的地形測繪基本要求，采用北京54坐標(biāo)系、黃海高程為基準(zhǔn)，成圖比例尺為1∶2 000[9-11]。具體技術(shù)參數(shù)如表1～表3所示。

表1 DLG平面中誤差 m

表2 DLG高程中誤差 m

表3 DOM平面位置中誤差 m

2 低空無人機(jī)遙感測繪應(yīng)用

2.1 無人機(jī)影像快速空三加密

1)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。根據(jù)航飛示意圖，準(zhǔn)備所有影像及其連接模型，存放在文件夾image。

2)工程自動內(nèi)定向。內(nèi)定向是根據(jù)像片框標(biāo)及相機(jī)參數(shù)，恢復(fù)相機(jī)與影像的相對位置。內(nèi)定向的目的是建立像方坐標(biāo)系。通過空中三角測量軟件DATmatrix，導(dǎo)入相片的框標(biāo)坐標(biāo)和相應(yīng)攝影機(jī)的待定參數(shù)。

3)連接點(diǎn)的自動提取。DATmatrix包含有自動轉(zhuǎn)點(diǎn)功能，根據(jù)要求逐個對相鄰兩張影像進(jìn)行同名點(diǎn)的選取，生成影像連接點(diǎn)。工程的所有影像進(jìn)行內(nèi)定向后，執(zhí)行自動轉(zhuǎn)點(diǎn)操作。

4)交互編輯。自動轉(zhuǎn)點(diǎn)產(chǎn)生大量連接點(diǎn)后，在工程區(qū)域四周的影像上刺入外業(yè)GPS控制點(diǎn)(屬性設(shè)置為控制點(diǎn)，輸入相應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù))，查看在平鋪視圖下影像連接點(diǎn)的分布情況，在影像上缺少連接點(diǎn)的地方人工添加點(diǎn)，編輯、刪除不好的連接點(diǎn)之后，進(jìn)行patb初次平差。了解連接點(diǎn)的精度情況，應(yīng)查看是否有影像局部上沒有連接點(diǎn)，或者航帶間沒連接點(diǎn)等情況，補(bǔ)充連接點(diǎn)，編輯爭議點(diǎn)列表里的點(diǎn)，刪除誤差過大的爭議點(diǎn)，進(jìn)行平差解算。多次平差解算后，在patb界面上重新設(shè)置sigma值，迭代運(yùn)算后sigma的新取值應(yīng)與之前解算設(shè)置sigma值相同，平差解算后編輯爭議點(diǎn)信息，直到?jīng)]有爭議點(diǎn)。

5)空三加密。根據(jù)空三的預(yù)覽功能，將連接點(diǎn)剔除后，接下來進(jìn)行空中三角測量。在數(shù)據(jù)迭代過程中會出現(xiàn)無法完成，或者誤差較大的情況，對此可通過調(diào)節(jié)權(quán)重的大小，反復(fù)試驗(yàn)幾次，剔除誤差較大的點(diǎn)后，設(shè)置權(quán)值與影像分辨率接近的值，然后通過patb完成空三加密。

6)輸出空三成果。在DATmatrix軟件中，將空三加密處理成果(.xml)文件導(dǎo)出，以便后期DLG、DEM、DOM等的制作。

2.2 DLG、DEM、DOM的制作

1)制作DLG。根據(jù)前面的空三成果，在Mapmatrix上建立影像的立體模型，調(diào)用Featureone特征采集工具,進(jìn)行數(shù)字化測圖，輸出DLG成果。

2)制作DEM。在區(qū)域網(wǎng)平差結(jié)果滿足作業(yè)要求的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)定向的結(jié)果進(jìn)行核線重采和樣影像匹配。設(shè)置好格網(wǎng)間距和等高距生成DEM，也可以通過數(shù)字線劃圖生成數(shù)字高程模型。

3)制作DOM。先對影片進(jìn)行勻光、勻色，然后通過數(shù)字高程模型,在易平圖軟件上對正射影像拼接、裁剪，最后對正射影像變形區(qū)域，通過糾正過后的原始影像進(jìn)行修護(hù)，得到DOM。

2.3 精度分析

2.3.1 理論精度

空三加密采用光束法局部平差法，用軟件patb完成。本工程文件夾下會自動生成平差報告文件(.pri)，打開(.pri)文件查看解算精度及是否有警告或錯誤信息[12]。報告包括初始定向參數(shù)、初始地面坐標(biāo)、像點(diǎn)的坐標(biāo)及殘差，控制點(diǎn)的坐標(biāo)及殘差，加密點(diǎn)坐標(biāo)。平差報告如圖1、圖2所示。

圖1 像點(diǎn)坐標(biāo)及殘差

圖1記錄的是像點(diǎn)的坐標(biāo)及殘差，sigma naught 2.02=0.053，表示記錄像點(diǎn)精度為2.02，單位u，0.053單位為m，如果rx，ry或者rz的值大于3倍中誤差時，會出現(xiàn)*當(dāng)成粗差點(diǎn)處理，組號設(shè)置成21。由圖1可知，本次像點(diǎn)中誤差在1/2個像素以內(nèi)，滿足連接點(diǎn)的精度要求。

圖2 控制點(diǎn)的坐標(biāo)及殘差

圖2記錄的是像點(diǎn)的坐標(biāo)及殘差。最后兩列代表殘差與中誤差的比值，如果比值小于1，用“.”標(biāo)記。

2.3.2 實(shí)測精度分析

區(qū)域網(wǎng)平差計算結(jié)束后，對于成果加密的中誤差一般采用檢查點(diǎn)(多余相片控制點(diǎn)，不參與平差)的中誤差進(jìn)行估算，對于某鋁土礦，在進(jìn)行控制點(diǎn)位判刺時，通過刺入檢查點(diǎn)，同時將檢查點(diǎn)的權(quán)值設(shè)為0，用平差軟件進(jìn)行平差。通過分析檢查點(diǎn)的GPS外業(yè)量測坐標(biāo)與對應(yīng)位置加密點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，比較兩者坐標(biāo)數(shù)據(jù)差值，計算平面點(diǎn)位的中誤差。精度分析見表3。

表3 精度分析表 m

由圖3可以看出，檢查點(diǎn)的點(diǎn)位誤差在0.5 m以內(nèi),滿足規(guī)范2倍點(diǎn)位誤差的要求。

根據(jù)中誤差算式

得出X方向的點(diǎn)位中誤差Mx=0.230 498，Y方向的點(diǎn)位中誤差My=0.256 616，平面點(diǎn)位中誤差：Ms=0.344 897。根據(jù)《低空數(shù)字航空攝影測量規(guī)范》與《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》，1∶2 000地形圖單點(diǎn)定位的絕對精度為0.5 m，此次精度完全滿足礦山測量對數(shù)據(jù)的要求。

圖3 點(diǎn)位誤差分布

3 結(jié)束語

分析鋁土礦山的特點(diǎn)及測繪要求，運(yùn)用低空無人機(jī)遙感技術(shù)，生成3D成果產(chǎn)品，分析低空無人機(jī)遙感技術(shù)在鋁土礦山測繪中的應(yīng)用。通過光束法局部平差、GPS外業(yè)坐標(biāo)數(shù)據(jù)與檢查點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)分析，結(jié)合這兩種方法，并對低空無人機(jī)遙感的成果精度進(jìn)行分析，得出完全滿足精度要求的礦山成果數(shù)據(jù)，成功地將低空無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用到鋁土礦山的測繪中。

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[責(zé)任編輯：張德福]

Precision analysis of low-altitude UAV remote sensingmapping results in the bauxite

LIU Cong1，HE Yueguang1，CHEN Shuai2,DU Nianchun3

(1.School of Communication and Transportation Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410114,China； 2.Hunan Engineering Polytechnic,Changsha 410151,China; 3.Changsha Survey and Design Institute of China Nonferrous Metals Co.,Ltd，Changsha 410011,China)

For the distribution of scattered,large-scale bauxite area,it is hard for traditional measurements to have timely access to the mine surveying and mapping data which can meet the accuracy requirements.The low-altitude UAV remote sensing technology is proposed to provide rapid DLG,DEM and DOM for mine construction in order to complete the digital and information construction of the mine.The paper combines the characteristics of a large bauxite area,and less feature elements of mine with the UAV images quickly air triangle encryption and DLG,DEM,DOM production technology,to have access to low-altitude UAV remote sensing and mapping results.Through the theoretical analysis of data precision adjustment and GPS actual accuracy analysis,it shows that mapping results comply with the 1∶2 000 mapping accuracy.

bauxite mountain; low altitude UAV remote sensing; air triangle encryption; accuracy analysis

引用著錄：劉聰，賀躍光，陳帥，等.某鋁土礦低空無人機(jī)遙感測繪成果精度分析[J].測繪工程，2017，26(1)：17-20.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.01.004

2015-10-21

劉 聰(1991-)，男，碩士研究生.

P237

A

1006-7949(2017)01-0017-04