基于無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)在礦山測(cè)量中的應(yīng)用研究

袁曼飛，謝忠俍

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714099)

0 前 言

隨著無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)的完善和成熟，無(wú)人機(jī)已經(jīng)在民用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展應(yīng)用范圍，同時(shí)無(wú)人機(jī)技術(shù)已經(jīng)逐漸滲透并深入融合到各個(gè)行業(yè)。無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)是遙感的發(fā)展趨勢(shì)之一，具有成本低、數(shù)據(jù)獲取靈活、數(shù)據(jù)采集與處理快速等特點(diǎn)，這已經(jīng)成為遙感數(shù)據(jù)獲取的一種重要方式和手段[1]。在利用衛(wèi)星和大飛機(jī)為遙感平臺(tái)的航空航天測(cè)量時(shí)，雖然能夠獲得符合要求的高分辨率影像，但是在某些地方受天氣影響巨大,如:多云、多霧天氣影響數(shù)據(jù)獲取。運(yùn)用無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)的低空遙感能很好地發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，避免不利因素，同時(shí)無(wú)人機(jī)遙感能夠保持很好的現(xiàn)勢(shì)性[2]。在礦山測(cè)量中也有很高的實(shí)用價(jià)值，具有很廣泛的應(yīng)用。

1 無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪關(guān)鍵技術(shù)

1.1 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)影像獲取特點(diǎn)

1)數(shù)據(jù)獲取周期短，衛(wèi)星和大飛機(jī)航天航空遙感技術(shù)，受雨霧、云層、軍方等客觀環(huán)境因素制約，不易及時(shí)快速獲取測(cè)區(qū)的遙感數(shù)據(jù)[3]。無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)獲取周期短，有利于礦場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)效性和周期監(jiān)測(cè)。

2)數(shù)據(jù)分辨率高，數(shù)據(jù)分辨率通常直接與精度相關(guān)。無(wú)人機(jī)一般在1 000 m以內(nèi)低空飛行, 甚至在距地面100～200 m高度飛行，無(wú)人機(jī)上攜帶的高分辨率數(shù)碼相機(jī)，可以獲取厘米級(jí)的分辨率影像數(shù)據(jù)。能夠滿足多種比例尺的測(cè)圖精度和監(jiān)測(cè)要求。在礦區(qū)建設(shè)、礦體資源監(jiān)測(cè)、礦產(chǎn)資源監(jiān)察中，可以高精度獲取資源相關(guān)數(shù)據(jù)，并可以及時(shí)、準(zhǔn)確獲得資源破壞程度以及數(shù)量。

3)危險(xiǎn)區(qū)獲取數(shù)據(jù)有效途徑，在危險(xiǎn)條件下進(jìn)行無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)獲取，可以有效降低危險(xiǎn)區(qū)域工作人員傷亡，可以降低應(yīng)急工作相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。在礦山災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)調(diào)查、監(jiān)測(cè)、獲取數(shù)據(jù)都具有很好的應(yīng)用效果。

4)機(jī)動(dòng)靈活性，由于無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)體積小、重量輕，具有較高的機(jī)動(dòng)靈活性， 能有效避開(kāi)陰雨天、霧霾等氣象條件的干擾。在礦區(qū)可以很容易快速獲取所需要的數(shù)據(jù)，靈活方便，對(duì)于尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)，地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，具有很重要意義。

5)飛行控制自動(dòng)化，目前無(wú)人機(jī)采用的飛控系統(tǒng)能夠根據(jù)指定點(diǎn)遙感圖像上的點(diǎn)位飛行，自動(dòng)化程度高，電量較低或者根據(jù)用戶設(shè)置電量值自動(dòng)返航?？梢杂行П苊馊藶椴僮鳠o(wú)人機(jī)過(guò)程中的不必要的干擾誤差。礦山范圍內(nèi)，山高林密可以非常方便、安全的使得無(wú)人獲取數(shù)據(jù)以及順利返航。

1.2 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)

1)影像畸變校正

通過(guò)相機(jī)標(biāo)定可以獲得低空無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)搭載的數(shù)碼相機(jī)的主點(diǎn)坐標(biāo)、焦距、光學(xué)畸變參數(shù)等，通過(guò)一定的改正模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)影像的畸變校正。利用數(shù)學(xué)建模對(duì)相機(jī)進(jìn)行改正。影像經(jīng)過(guò)畸變校正后，影像無(wú)畸變同時(shí)主點(diǎn)偏移為零，為進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理做準(zhǔn)備。

2)快速正射糾正

傳統(tǒng)正射影像糾正方法速度較慢，精度不高。利用現(xiàn)代化的硬件處理器驚喜圖形糾正不僅速度快，精度也較高。使用圖形處理器GPU(Graphic Processing Unit )強(qiáng)大的并行處理能力和高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸能力?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行拍攝的大量影像進(jìn)行快速正射糾正。基于GPU的數(shù)字影像正射糾正能夠提高GPU硬件上的快速數(shù)字影像正射糾正速度，能夠比傳統(tǒng)的CPU快近十倍?？梢杂行岣邿o(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理和糾正的速度，以及提高數(shù)據(jù)處理效率，這是無(wú)人機(jī)影像獲取的大量影像數(shù)據(jù)的快速處理的重要和關(guān)鍵之一。

3)大范圍正射影像自動(dòng)拼接

在正射影像糾正完成后，可以進(jìn)行測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的正射影像拼接，對(duì)測(cè)區(qū)的完整性，以及飛行質(zhì)量進(jìn)行檢核，同時(shí)可以確定無(wú)人機(jī)飛行的重疊度等指標(biāo)進(jìn)行檢核。這是資源礦產(chǎn)調(diào)查、全區(qū)域、大范圍礦區(qū)災(zāi)害監(jiān)測(cè)重要正射影像地圖的形成關(guān)鍵所在?？梢垣@得完整的區(qū)域范圍影像數(shù)據(jù)。

4)幾何糾正

為了能達(dá)到相關(guān)礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)要求，在制作完成DOM以后應(yīng)對(duì)其幾何糾正，以滿足控制點(diǎn)擬合精度不大于圖上0.3 mm，地物點(diǎn)誤差不應(yīng)大于圖上0.5 mm的精度要求。需要用控制點(diǎn)對(duì)影像進(jìn)行幾何糾正，使得影像圖精度符合礦產(chǎn)資源相關(guān)規(guī)范要求。幾何糾正質(zhì)量與采用礦區(qū)控制點(diǎn)的精度情況有關(guān)，對(duì)無(wú)人機(jī)遙感影像成圖精度有直接影響。因此，選擇合適的具有高程的平面控制點(diǎn)有利于無(wú)人機(jī)影響幾何糾正后能夠滿足礦區(qū)形成各種比例尺影像圖，以滿足礦產(chǎn)資源不同需求。

2 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在礦山建設(shè)與管理應(yīng)用分析

1)數(shù)字礦山建設(shè)中的應(yīng)用

智慧礦山和數(shù)字礦山是礦山信息化和智能化管理的重要手段[4]。數(shù)字礦山建設(shè)利用計(jì)算機(jī)建立數(shù)字礦山管理軟件系統(tǒng)，對(duì)礦山實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化管理。數(shù)字礦山建設(shè)需要礦山基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)的支持，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括遙感影像、控制點(diǎn)數(shù)據(jù)、各種礦山圖件和數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)等，同時(shí)也要建立相關(guān)數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)，對(duì)礦山實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)資源監(jiān)控、礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)、尾礦庫(kù)安全監(jiān)測(cè)等技術(shù)分析系統(tǒng)。目前，很多礦山都是傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)手段獲取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，坐標(biāo)系統(tǒng)也比較陳舊。這是解決數(shù)字礦山的關(guān)鍵問(wèn)題，也是礦山建設(shè)不斷更新地圖和影像數(shù)據(jù)需要。而傳統(tǒng)測(cè)量手段測(cè)量周期長(zhǎng)，費(fèi)用高，外業(yè)工作量大，同時(shí)不利于現(xiàn)代高科技測(cè)繪技術(shù)的未來(lái)發(fā)展。直接影響數(shù)字礦山的建設(shè)需要,而低空無(wú)人機(jī)的遙感技術(shù)，就可以很容易地、快速的獲取數(shù)字礦山所需要的相關(guān)電子數(shù)據(jù)，可以滿足數(shù)字礦山建設(shè)的多種需要。

2)礦山環(huán)境治理監(jiān)察

老舊礦山的環(huán)境治理與恢復(fù)建設(shè)是礦山管理的主要管理任務(wù)之一。管理難度大，整理效果檢查手段落后不及時(shí)，使得相關(guān)職能部門(mén)很困擾。有了低空無(wú)人機(jī)技術(shù)，可根據(jù)監(jiān)測(cè)和檢測(cè)需要搭載多種傳感器在無(wú)人機(jī)上?？梢愿鶕?jù)礦山檢查需要獲取測(cè)區(qū)雷達(dá)數(shù)據(jù)、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)、真彩色數(shù)據(jù)、多光譜數(shù)據(jù)等多種遙感數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)相應(yīng)軟件處理后可以獲得需要的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)真實(shí)現(xiàn)狀，可以定性或定量分析,為管理者提供決策依據(jù)。

3)礦產(chǎn)資源保護(hù)與監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

隨著礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)和利用，總量在逐漸減少，礦產(chǎn)資源本身具有稀缺性和不可再生性,因而它越來(lái)越珍貴。礦山資源的合理利用管理與開(kāi)發(fā)避免亂采、亂挖礦山的現(xiàn)象是相關(guān)政府部門(mén)義不容辭的責(zé)任。制止無(wú)證開(kāi)采的礦山，需要采用高科技的手段，才能有效管理。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)為資源管理者提供了一種監(jiān)察手段，利用無(wú)人機(jī)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)空中、遠(yuǎn)程和快速監(jiān)視。利用影像以及近距離飛行等取證手段的效果較好。對(duì)非法礦山開(kāi)采進(jìn)行有效地監(jiān)管，打擊違法開(kāi)采資源，破壞礦山生態(tài)環(huán)境人員提供技術(shù)服務(wù)。

3 無(wú)人機(jī)遙感在礦區(qū)的應(yīng)用分析

本工程對(duì)某礦區(qū)進(jìn)行無(wú)人機(jī)遙感影像飛行，獲取影像圖。經(jīng)過(guò)科學(xué)設(shè)計(jì)和合理規(guī)劃，歷時(shí)一個(gè)月時(shí)間，獲取了該礦區(qū)影像，并利用無(wú)人機(jī)影像處理獲得1∶1 000地形圖，為礦區(qū)建設(shè)和資源監(jiān)察提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)地形特點(diǎn)設(shè)計(jì)飛行航線，獲取影像數(shù)據(jù)后快速拼接，利用礦區(qū)控制點(diǎn)(具有平面坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)點(diǎn))進(jìn)行幾何糾正，然后根據(jù)測(cè)繪成圖相關(guān)規(guī)范，將空中三角測(cè)量的成果導(dǎo)入到全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站中，在立體模型中進(jìn)行檢查。重點(diǎn)檢查控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)的切準(zhǔn)精度，檢查空中三角測(cè)量區(qū)域網(wǎng)間的接邊精度。

3.1 無(wú)人機(jī)遙感基本設(shè)計(jì)

本工程使用固定翼“UV-II”無(wú)人機(jī)，機(jī)載賓得645D相機(jī)，焦距35 mm，相幅為4 000萬(wàn)像素(44 mm×33 mm)。

航攝基本技術(shù)參數(shù)：地面分辨率0.08 m；因攝區(qū)地勢(shì)平緩，不作攝區(qū)分區(qū)；根據(jù)地形條件分析按東西方向布設(shè)航線；航向重疊度設(shè)計(jì)為80%，旁向重疊度設(shè)計(jì)為65%。

3.2 飛行質(zhì)量控制與補(bǔ)重?cái)z

飛行質(zhì)量是無(wú)人機(jī)遙感的重要數(shù)據(jù)控制質(zhì)量?jī)?nèi)容：無(wú)人機(jī)上升、下降速率應(yīng)小于10 m/s；為避免衛(wèi)星信號(hào)失鎖，飛行過(guò)程中的轉(zhuǎn)彎坡度控制在20(°)以內(nèi)；設(shè)計(jì)時(shí)確保攝區(qū)邊界覆蓋超過(guò)像幅的20%，同時(shí)還應(yīng)保證航向、旁向重疊度保持正常?？刂茰y(cè)區(qū)內(nèi)出現(xiàn)最大旋偏角的像片數(shù)不超過(guò)總數(shù)的4%。保證同一航線上相鄰像片的航高差不大于30 m；最大航高與最小航高之差不大于50 m。航攝過(guò)程中受氣候(如大風(fēng))、地形等實(shí)際情況對(duì)航飛質(zhì)量造成的影響及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)攝。對(duì)于不影響內(nèi)業(yè)加密選點(diǎn)和模型連接的相對(duì)漏洞及局部缺陷(如云、云影、斑痕等)，補(bǔ)攝航線的長(zhǎng)度應(yīng)超出漏洞外一條基線。

3.3 影像數(shù)據(jù)處理過(guò)程

數(shù)字影像檢查主要包括：數(shù)據(jù)的覆蓋檢查；重疊度檢查；數(shù)據(jù)異常檢查；云、水汽、濃煙的檢查； 影像質(zhì)量的檢查。像控點(diǎn)對(duì)最近基礎(chǔ)控制點(diǎn)的平面位置中誤差不大于0.1 m；高程中誤差不大于 0.1 m。影像畸變糾正時(shí)，利用GPU進(jìn)行快速測(cè)繪影像圖進(jìn)行糾正，主要包括主點(diǎn)偏移糾正，畸變糾正，勻色處理等糾正處理；建立飛行影像的數(shù)字正射影像(DOM)，應(yīng)根據(jù)單張航片的內(nèi)外方位元素和數(shù)字高程模型(DEM)，采用糾正軟件對(duì)數(shù)字像片進(jìn)行影像重采樣，糾正影像失真；利用數(shù)學(xué)模型把中心投影轉(zhuǎn)換為垂直正投影而得到正射影像；然后經(jīng)過(guò)勻光、鑲嵌、裁切、編輯等操作后，可生成標(biāo)準(zhǔn)分幅的正射影像圖。利用軟件自動(dòng)提取地面控制點(diǎn)坐標(biāo)和高程，進(jìn)而可以進(jìn)行幾何糾正，以確保影像圖數(shù)據(jù)精度符合要求。

圖1 無(wú)人機(jī)影像拼接和幾何糾正

圖2 無(wú)人機(jī)影像細(xì)節(jié)和分區(qū)

3.4 無(wú)人機(jī)影像成圖精度分析

1)數(shù)字正射影像圖質(zhì)量分析

礦區(qū)地形全部為山地地形，由于山地地形高低起伏變化較大，無(wú)人機(jī)按照既定設(shè)計(jì)航高飛行，確保飛行質(zhì)量。根據(jù)無(wú)人機(jī)影像所生成的礦區(qū)正射影像圖數(shù)據(jù)來(lái)分析最終成果，飛行覆蓋范圍，重疊度等指標(biāo)符合要求。正射影像處理后質(zhì)量分析：相鄰正射影像零立體觀測(cè)檢查，雖然存在個(gè)別點(diǎn)位有差錯(cuò)，總體地形沒(méi)有明顯的較大起伏；正射影像圖色調(diào)、色彩均衡一致，完全滿足正射影像平面圖的質(zhì)量要求，符合規(guī)范。

2)成圖質(zhì)量分析

本項(xiàng)目完成后，為分析無(wú)人機(jī)成圖質(zhì)量，對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)已有控制點(diǎn)周?chē)M(jìn)行實(shí)地野外測(cè)量，野外采點(diǎn)253點(diǎn)，并計(jì)算野外采點(diǎn)和成圖后的圖上量取數(shù)據(jù)，并計(jì)算中誤差，評(píng)定和衡量成圖質(zhì)量。根據(jù)實(shí)際測(cè)量野外點(diǎn)和成圖后量取的點(diǎn)位進(jìn)行比較分析：內(nèi)業(yè)加密點(diǎn)相對(duì)野外實(shí)測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差為0.89 m；地物點(diǎn)相對(duì)野外實(shí)測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差為1.02 m。內(nèi)業(yè)加密高程點(diǎn)相對(duì)野外實(shí)測(cè)點(diǎn)的中誤差為0.71m；內(nèi)業(yè)高程注記點(diǎn)相對(duì)野外實(shí)測(cè)點(diǎn)的高程中誤差為0.8m。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)的4D產(chǎn)品生產(chǎn)、小范圍基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)快速獲取及應(yīng)用提供了新的技術(shù)方法和手段。然而礦山特殊環(huán)境下利用無(wú)人機(jī)可以對(duì)礦產(chǎn)資源監(jiān)管，對(duì)礦山環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要利用無(wú)人機(jī)遙感獲取數(shù)據(jù)快速、高精度以及可根據(jù)需要搭載多種傳感器。為相關(guān)政府部門(mén)以及決策部門(mén)提供實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)詳實(shí)準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。本文通過(guò)案例分析，在礦上測(cè)量中，使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行比例尺1∶1 000地圖測(cè)繪精度符合要求，而無(wú)人機(jī)在礦上各個(gè)方面都有廣泛應(yīng)用。