低空無(wú)人機(jī)航攝測(cè)量在礦區(qū)變化監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

顧建峰

（江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局，江蘇 南京 210007）

礦區(qū)測(cè)量是獲取礦區(qū)地形數(shù)據(jù)的重要手段，礦區(qū)變化監(jiān)測(cè)產(chǎn)作為安全生產(chǎn)的重要任務(wù)，對(duì)時(shí)效性的要求也隨之提高，無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展為礦區(qū)快速變化監(jiān)測(cè)提供了技術(shù)支持。

1 礦區(qū)變化監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)方案

1.1 礦區(qū)概況

本文礦區(qū)是位于安徽省淮南市的一大型煤礦，礦層平均厚度20m，具有分布集中、可開(kāi)采礦層多的特點(diǎn)。在長(zhǎng)期開(kāi)采后出現(xiàn)了沉陷現(xiàn)象，且范圍廣、深度大，影響到了該地區(qū)居民的居住生活和礦區(qū)的生產(chǎn)安全，因此礦區(qū)變化監(jiān)測(cè)的時(shí)效性顯得尤為重要[1-3]。

1.2 無(wú)人機(jī)平臺(tái)及載荷

本方案選用的是大疆四旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)，最大飛行高度500m，平臺(tái)載荷1.8KG。搭載“Zenmuse X3”的數(shù)碼相機(jī)裝置，有效像素4000X3000，滿足1:500至1:2000比例尺的DOM成像分辨率要求。

1.3 航線設(shè)計(jì)與規(guī)劃

無(wú)人機(jī)設(shè)備航拍的重疊和旁向重疊范圍分別為80%和50%，設(shè)計(jì)50m、75m、100m三個(gè)相對(duì)航高，同時(shí)可以形成正射影像和立體正射影像對(duì)。

影像拍攝設(shè)計(jì)11條航線，傾斜影像設(shè)計(jì)20條航線（見(jiàn)圖1），航線自北向南，航向自西向東。

圖1 無(wú)人機(jī)航線設(shè)計(jì)

圖2 平面坐標(biāo)誤差分布

1.4 對(duì)比輔助數(shù)據(jù)的獲取

在無(wú)人機(jī)航拍之后，需要在重疊區(qū)域內(nèi)有已知控制點(diǎn)來(lái)對(duì)像片進(jìn)行糾偏處理，同時(shí)與地面坐標(biāo)系連接。這部分控制點(diǎn)坐標(biāo)需要通過(guò)野外實(shí)測(cè)獲取，布設(shè)時(shí)要選擇在影像上成像清晰，容易判別的點(diǎn)位。

2 航測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果分析

2.1 影像數(shù)據(jù)預(yù)處理

無(wú)人機(jī)在航拍的過(guò)程中，由于地形起伏、氣溫變化、光照強(qiáng)度不一等因素的影像，獲取的圖像會(huì)有噪聲干擾。同時(shí)鏡頭畸變也會(huì)對(duì)影像質(zhì)量造成影像。為此，我們需要對(duì)影像進(jìn)行圖像校正、圖像增強(qiáng)等預(yù)處理，同時(shí)進(jìn)行輻射校正、幾何校正。

2.2 基于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量網(wǎng)格系統(tǒng)的內(nèi)業(yè)出數(shù)據(jù)處理

完成影像預(yù)處理后，通過(guò)Pix4d mapper軟件，選取像控點(diǎn)11個(gè)，進(jìn)行初始化處理，然后點(diǎn)云和紋理，再進(jìn)行DSM和正射影像，輸入約束條件即可得到符合精度要求的三維重建模型（DSM、DOM），由于軟件處理方法、步驟等前人討論較多，本文不再詳述。

2.3 精度分析

由于我們?cè)谠O(shè)計(jì)方案中加入了控制點(diǎn)，模型精度顯著提高，本文精度分析參照的是《遙感影像平面圖制作規(guī)范》（GB/T 15968-2008）和《1:500 1:1000 1:2000地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》（GB/T 7930-2008）等國(guó)家規(guī)范，且在分析時(shí)結(jié)合礦區(qū)原有同比例尺地圖。

對(duì)于平面精度的評(píng)價(jià)，本文選取11個(gè)像控點(diǎn)為平面位置的真實(shí)值，通過(guò)分析成圖分辨率、均方根誤差及坐標(biāo)誤差值，將平面的點(diǎn)位坐標(biāo)誤差展到對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系中（見(jiàn)圖2），對(duì)應(yīng)相應(yīng)航高，平面點(diǎn)的中誤差最小的是相對(duì)航高50m的0.098m，最高的為相對(duì)航高100m的0.122m，均符合設(shè)計(jì)中的國(guó)家規(guī)范。

對(duì)于高程精度的評(píng)價(jià)，由于礦區(qū)地表植被覆蓋茂密，且處在臨近水域的位置，高程精度誤差相對(duì)較高，但在無(wú)植被覆蓋的地區(qū)，誤差顯著縮小。具體對(duì)比結(jié)果（見(jiàn)表1）。此次的試驗(yàn)結(jié)果符合前人的研究結(jié)論：影像獲取的是地表覆蓋物頂部的高程數(shù)據(jù)，而我們實(shí)際測(cè)量需要獲取的是地表本身的高程數(shù)據(jù)，由此導(dǎo)致此手段在地表覆蓋物較多的區(qū)域測(cè)繪制圖的高程數(shù)據(jù)誤差較大。

表1 高程點(diǎn)誤差最大值/最小值（中誤差）統(tǒng)計(jì)

3 無(wú)人機(jī)遙感在礦區(qū)變化監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

礦區(qū)的變化監(jiān)測(cè)對(duì)安全生產(chǎn)安全，及礦區(qū)居民的居住生活安全至關(guān)重要，通過(guò)對(duì)不同時(shí)間段內(nèi)的同一區(qū)域或物體進(jìn)行觀察來(lái)進(jìn)行變化檢測(cè)，能最大程度的發(fā)現(xiàn)潛在的危險(xiǎn)因素。在礦區(qū)的安全生產(chǎn)管理部門(mén)，只要通過(guò)定期的無(wú)人機(jī)遙感拍攝，就可以獲得最新的礦區(qū)地形圖像，通過(guò)專(zhuān)業(yè)軟件處理后，同前期數(shù)據(jù)對(duì)比，即可以直接檢測(cè)地形的變化，提早發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)，制定應(yīng)急預(yù)案。在遇到突發(fā)事件時(shí)，如地震、洪水等自然災(zāi)害及其帶來(lái)的次生災(zāi)害時(shí)，無(wú)人機(jī)體積小，方便攜帶，且響應(yīng)速度快，能替代人工直接進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，確保第一時(shí)間獲得相應(yīng)地形數(shù)據(jù)，評(píng)估災(zāi)害損失，制定搶救計(jì)劃。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究利用無(wú)人機(jī)獲取礦區(qū)的影像數(shù)據(jù)，通過(guò)專(zhuān)業(yè)軟件處理來(lái)生成三維重建模型，驗(yàn)證了模型結(jié)果的平面和高程精度，得到了以下結(jié)論：①低空無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量在礦區(qū)變化監(jiān)測(cè)方面能提供符合國(guó)家規(guī)范要求的數(shù)據(jù)，可作為今后礦區(qū)日常變化監(jiān)測(cè)的測(cè)量手段。②驗(yàn)證了前人關(guān)于無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量在高程測(cè)量方面精度不夠的論點(diǎn)，進(jìn)一步揭示攝影測(cè)量在高程精度提高方面的難點(diǎn)，為今后的無(wú)人機(jī)遙感在高程測(cè)量方面的改進(jìn)提供借鑒。③無(wú)人機(jī)作業(yè)極大提高了作業(yè)效率，且成本低、響應(yīng)速度快，且在面對(duì)突發(fā)情況時(shí)能避免人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，與傳統(tǒng)作業(yè)方法相比，在對(duì)精度要求不高的地質(zhì)礦產(chǎn)測(cè)量領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)明顯。