低空輕型無人機(jī)航測技術(shù)在水泥礦山地形測繪中的應(yīng)用

劉萬松，嚴(yán)玉奎，劉沉香，于 暉，張廣利，趙 棟

（1.北京華星勘查新技術(shù)有限公司，北京 100035；2.中材地質(zhì)工程勘查研究院有限公司，北京 100102）

1 引言

隨著無人機(jī)技術(shù)的創(chuàng)新與推廣，該技術(shù)也應(yīng)用于測繪等領(lǐng)域。水泥礦山地形起伏大，通行、通視條件差，如采用傳統(tǒng)測繪方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，利用低空無人機(jī)搭載高分辨率相機(jī)進(jìn)行航空攝影，用航測的方法快速測繪大比例尺數(shù)字地形圖，能極大提高工作效率，降低工作成本。

2 低空輕型無人機(jī)特點(diǎn)

低空輕型無人機(jī)具有體積小、重量輕、低空(一般不超過500m)飛行的特點(diǎn)。其代表如大疆PHANTOM 4 PRO無人機(jī)，采用4旋翼，飛行可靠，主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 PHANTOM 4 PRO主要技術(shù)指標(biāo)

輕型多旋翼無人機(jī)有如下特點(diǎn)：

①價(jià)格低，成本只有其他無人機(jī)幾分之一；②便攜、宜安裝，單人從安裝到起飛只需幾分鐘；③易操作，不需特殊培訓(xùn)，一鍵自動起飛、自動拍攝、自動返航、自動降落，整個(gè)過程由軟件自主控制；④對起降場地要求低，只需幾平米場地即可。

3 低空輕型無人機(jī)航空攝影測量實(shí)施

要實(shí)現(xiàn)大比例尺地形測繪，一般包括航空攝影，基礎(chǔ)控制點(diǎn)與像片控制點(diǎn)測量，空中三角測量，內(nèi)業(yè)測圖與編輯，外業(yè)調(diào)繪與檢查，圖幅整飾與成果整理等過程，下面以具體項(xiàng)目為例進(jìn)行航測技術(shù)的探討。

3.1 任務(wù)概況

北京市房山區(qū)某水泥礦山，測區(qū)長約3km，寬約1km，作業(yè)面積2.6km2，測繪1∶2000比例尺數(shù)字地形圖，工期10天。由于水泥廠的開采，有很多的崩牙、陡坎，山區(qū)灌木、樹叢較多，通視、通行條件差，礦區(qū)入口處緊鄰村莊，有大片房屋，如采用傳統(tǒng)方式，短期完成較困難。根據(jù)本次測繪工作工期緊、測繪條件差的特點(diǎn)，采用輕型無人機(jī)航空攝影測量的方式進(jìn)行地形測繪。

3.2 無人機(jī)數(shù)字航空攝影及像控點(diǎn)測量

要進(jìn)行航測成圖一般分外業(yè)、內(nèi)業(yè)兩部分工作。外業(yè)的航空攝影及像控點(diǎn)測量流程見圖1。

圖1 無人機(jī)航測外業(yè)作業(yè)流程

3.2.1 航空攝影設(shè)計(jì)

根據(jù)測區(qū)情況，結(jié)合無人機(jī)性能，本次航空攝影設(shè)計(jì)如下：根據(jù)場地高程，劃分為2個(gè)攝影分區(qū)；地面分辨率0.11cm，飛行高度400m；航線角度沿測區(qū)中線布置，航線角度160°；像片航向重疊度75%(100m)，旁向重疊度60%(240m)；無人機(jī)飛行速度10m/s，快門速度1/1 000s，航點(diǎn)懸停拍照模式。航線總長度20 529m，6條航帶，預(yù)計(jì)4個(gè)架次，計(jì)劃拍攝198張像片。

3.2.2 航空攝影實(shí)施

為保證飛行質(zhì)量及拍攝影像清晰，航飛選擇天氣晴朗、大氣透明度較好的中午按照設(shè)計(jì)好的飛行計(jì)劃實(shí)施。航空攝影按分區(qū)分別進(jìn)行，飛行完成后，對影像位置、數(shù)量、拍攝質(zhì)量等進(jìn)行檢查，及時(shí)進(jìn)行無人機(jī)補(bǔ)拍，影像快拼與飛行質(zhì)量檢查采用OKMatrix軟件進(jìn)行。

3.2.3 像控點(diǎn)布設(shè)及測量

區(qū)域網(wǎng)四角布設(shè)平高控制點(diǎn)，按航向、旁向重疊以4～5條基線布設(shè)。分區(qū)影像結(jié)合處兩航線重疊范圍內(nèi)也布設(shè)像控點(diǎn)。檢查點(diǎn)均勻分布在測區(qū)范圍內(nèi)。測區(qū)范圍內(nèi)共計(jì)布置平高控制點(diǎn)15個(gè)，檢查點(diǎn)10個(gè)。像片控制點(diǎn)測量采用北京市CORS系統(tǒng)進(jìn)行，像控點(diǎn)精度可靠。

3.3 空中三角測量及地形圖內(nèi)業(yè)采編

完成航空攝影及像控點(diǎn)的測量后，主要工作轉(zhuǎn)移到內(nèi)業(yè)。其作業(yè)流程如圖2所示。3.3.1 空中三角測量

圖2 航測內(nèi)業(yè)作業(yè)流程

空中三角測量采用INPHO7.0軟件的UASMaster及MATCH-AT模塊分步驟進(jìn)行，先計(jì)算影像POS的平面坐標(biāo)，在主模塊下完成航帶建立與拼接，用U A S M a s t e r模塊完成同名像點(diǎn)轉(zhuǎn)點(diǎn)，最后在MATCH-AT模塊完成粗差剔除、像控點(diǎn)聯(lián)測、區(qū)域網(wǎng)約束平差，在平差基礎(chǔ)上進(jìn)行相機(jī)自檢校后，求出相機(jī)像主點(diǎn)坐標(biāo)與相機(jī)畸變參數(shù)。平差后檢查的精度情況如表2所示，其點(diǎn)平面位中誤差優(yōu)于10cm，高程中誤差優(yōu)于15cm，滿足1∶2000地形圖的精度。

表2 空中三角測量精度統(tǒng)計(jì)表(m)

3.3.2 地形數(shù)據(jù)的采編

將空中三角測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入MapMatrix4.2軟件，依次輸入內(nèi)定向、相機(jī)畸變、測區(qū)平均高程、影像分辨率等參數(shù)，編輯外方位元素、立體相對創(chuàng)建、實(shí)時(shí)核線建立后，進(jìn)行內(nèi)業(yè)地形數(shù)據(jù)的采編。數(shù)據(jù)初步采集完成后，根據(jù)內(nèi)業(yè)采編過程中發(fā)現(xiàn)的問題，進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪，調(diào)繪完成后進(jìn)行地形數(shù)據(jù)編輯，完成地形圖成果。

整個(gè)測繪工作由1個(gè)作業(yè)組用時(shí)8天完成。由于小型無人機(jī)飛行姿態(tài)易受影響，相機(jī)存在畸變、分辨率不夠高等因素，在具體作業(yè)過程中應(yīng)選擇天氣較好、風(fēng)力較小時(shí)進(jìn)行；受無人機(jī)飛行高度限制，對于面積廣、起伏大的測區(qū)應(yīng)劃分為多個(gè)測區(qū)分區(qū)進(jìn)行航測。為保證拍攝質(zhì)量，相機(jī)設(shè)置成手動、焦距無限遠(yuǎn)；拍攝航向、旁向重疊率盡量大一些；相機(jī)自檢校求得相機(jī)的畸變參數(shù)非常必要。

4 結(jié)語

采用低空輕型無人機(jī)航測方式進(jìn)行水泥礦山的地形測繪是完全可行的，工作效率遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)作業(yè)方式，其成本低、易操作、成圖快，尤其適用于山區(qū)復(fù)雜地形或居民居住較多的情況，是一種高效便捷的作業(yè)方法。

[1]張祖勛，張劍清.數(shù)字?jǐn)z影測量[M].武漢：武漢測繪科技大學(xué)出版社，1996.

[2]文道平，吳杰.無人機(jī)低空攝影測量在云南高原山區(qū)風(fēng)電場地形測量中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015(4）：32-33.