礦區(qū)地形測量中無人機(jī)航測技術(shù)的應(yīng)用研究

摘 要：近幾年來，伴隨科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能技術(shù)中的應(yīng)用也得到了蓬勃發(fā)展。無人機(jī)這種智能遙感設(shè)備的問世使人們的生活以及工作發(fā)生了很大改變。在礦區(qū)土地地形測量工作中，使用無人機(jī)的航測技術(shù)能夠降低相關(guān)工作的難度，也能減少工作人員的工作量，而且使地形測量工作更加精準(zhǔn)。本文主要對無人機(jī)航測技術(shù)在礦區(qū)地形測量工作中的有效應(yīng)用進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)航測；礦區(qū)；地形測量；應(yīng)用

中圖分類號：P231 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）26-0224-02

前 言

近幾年來，隨著我國科學(xué)技術(shù)進(jìn)步速度的不斷加快，信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及智能技術(shù)的有效結(jié)合也得到了良好發(fā)展。在信息與數(shù)據(jù)不斷結(jié)合的當(dāng)今時代，人們對工作效率提出了越來越高的要求，尤其是具有工作量大、難度高等特點(diǎn)的工種，更需要使用先進(jìn)的技術(shù)來開展工作。在礦區(qū)生產(chǎn)和建設(shè)過程中，有計(jì)劃的整治挖損、塌陷、壓占等破壞土地的土地，使其恢復(fù)到可利用工作狀態(tài)。農(nóng)民對土地享有經(jīng)營權(quán)、使用權(quán)和收益權(quán)。以往對小范圍和礦區(qū)數(shù)字化地形圖進(jìn)行測繪的過程中經(jīng)常采用全站儀結(jié)合GPS的全野外數(shù)字作業(yè)方式，此種方法不僅外業(yè)工作量較大，而且施工工期也較長，已經(jīng)無法符合測繪工作對效率提出的要求，對于山高林密、庫區(qū)或排土場下游等特殊區(qū)域，則不能滿足需要了，不僅存在外業(yè)工作量大、工期長，而且存在人與儀器的安全隱患等問題，這時，便可以選擇更先進(jìn)的無人機(jī)航攝技術(shù)。本文利用無人機(jī)航測系統(tǒng)，對廣西壯族自治區(qū)某礦區(qū)進(jìn)行航空攝影測量，以期對我國礦區(qū)地形測量提供科學(xué)依據(jù)。

1 無人機(jī)航測技術(shù)簡介

1.1 無人機(jī)航測原理

無人機(jī)航空攝影測量系統(tǒng)以獲取高分辨率空間數(shù)據(jù)為應(yīng)用目標(biāo)，通過3S技術(shù)在系統(tǒng)中的集成應(yīng)用，達(dá)到實(shí)時地觀測能力和空間數(shù)據(jù)快速處理能力。無人機(jī)作為遙感平臺，在進(jìn)行航空立體成像時，飛機(jī)攜帶數(shù)碼相機(jī)沿飛行線（或條帶）獲取垂直航空像片，在相隔一定距離的不同位置拍攝同一目標(biāo)，存在視差可以構(gòu)成立體像對，并可進(jìn)一步獲得立體模型，然后可以通過內(nèi)業(yè)數(shù)字測圖軟件制作高精度的各種地形圖。航拍可以采集0.05，0.1，0.2m等各種分辨率的正射影像圖（DOM），經(jīng)過后期的數(shù)字內(nèi)業(yè)處理及數(shù)字測圖后，制作符合國家標(biāo)準(zhǔn)的1：1000、1：2000、1：5000等各種比例尺的地形圖。

1.2 整體技術(shù)流程

無人機(jī)是為航空攝影而搭建的平臺，主要是為了獲取到分辨率較高的空間數(shù)據(jù)，基于在系統(tǒng)內(nèi)部集成應(yīng)用3S技術(shù)而形成一種隨時觀測以及處理空間數(shù)據(jù)的能力。通過運(yùn)用無人機(jī)可以起飛較快的特征以及其攜帶的定位裝置，獲得清晰度較高、穩(wěn)定性較強(qiáng)的原始數(shù)碼影像、拍攝照片的空間地點(diǎn)和姿態(tài)信息，并且同相機(jī)畸變參數(shù)相結(jié)合，利用特殊的空三軟件及時地落實(shí)好匹配、平差以及拼接等方面的工作，以此來生成清晰礦區(qū)地質(zhì)圖，如果需要使用DLG線來畫圖，應(yīng)該添加立體測圖環(huán)節(jié)，通過立體測圖軟件將帶有符號的DLG直接加工出來，并且能夠直接符合入庫要求。

1.3 礦用無人機(jī)工作流程

飛行計(jì)劃：采用MAVinci Desktop軟件來規(guī)劃飛行，結(jié)束后上傳至無人機(jī)上面就可以正式飛行。①影像的拍攝：在飛行過程中，控制器軟件能夠保證無人機(jī)對飛行前所規(guī)劃的飛行軌跡進(jìn)行自主跟蹤；機(jī)載相機(jī)對影像進(jìn)行自動獲取并且將其存儲在無人機(jī)上。②無需地面控制點(diǎn)的航空測圖：無人機(jī)在飛行期間，邊拍攝照片，邊實(shí)施RTK測量，各張照片的位置信息均具備RTK固定解的精度。基于對精密測量時間與高精度定位技術(shù)的整合，使無人機(jī)在空中就可以實(shí)現(xiàn)對地面的控制。

1.4 無人機(jī)航攝的特點(diǎn)

1.4.1 數(shù)據(jù)處理費(fèi)用較低

無人機(jī)搭載的影像處理設(shè)備不需要太高的硬件配置，成本費(fèi)用非常低。

1.4.2 具有安全性、可靠性

由于部分地區(qū)山形復(fù)雜且過于陡峭，或存在地質(zhì)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等狀況，在這些區(qū)域內(nèi)測量人員存在安全隱患，而如果使用無人機(jī)，人員可通過操控?zé)o人機(jī)對地勢危險的地區(qū)進(jìn)行航空拍攝測量，從而在一定程度上提高了人員安全。

1.4.3 機(jī)動的靈活性

無人機(jī)是按事先預(yù)定好的飛行航線進(jìn)行自動飛行，大大地提高了航線和拍攝控制的精度，并且能夠迅速把新的地面測量的航點(diǎn)上傳到無人機(jī)，這樣有效地降低無人機(jī)降落后再輸入數(shù)據(jù)的情況，使無人機(jī)具備很強(qiáng)的靈活性。

2 無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)機(jī)制

2.1 無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)

無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的組成部分主要包括機(jī)載與地面部分，而且機(jī)載飛行控制系統(tǒng)是由飛控、電臺、RC接收機(jī)、電池組、GPS和通訊天線以及空速管組成的。飛行控制系統(tǒng)能夠同GPS、北斗以及GLONASS等組合在一起進(jìn)行導(dǎo)航，利用事先設(shè)置好的航拍攜帶數(shù)據(jù)，實(shí)施相同距離和定點(diǎn)拍攝。

2.2 地面站控制系統(tǒng)

地面站控制系統(tǒng)的組成部分有數(shù)據(jù)傳輸電臺、軟件以及便攜式計(jì)算機(jī)?？刂葡到y(tǒng)在控制軟件的作用下將飛行器的飛行參數(shù)與定位信息實(shí)時顯示出來，在獲取飛行數(shù)據(jù)與坐標(biāo)的過程中，利用地面站軟件來獲取飛行軌跡與數(shù)據(jù)信息，以此達(dá)到無人機(jī)遙控導(dǎo)航盲飛的目的，無人機(jī)可以完成定高智能駕駛，可以提前將航跡輸入進(jìn)去，完成自動根據(jù)航線執(zhí)飛任務(wù)，另外，也能夠?qū)桔E任務(wù)進(jìn)行隨時變換。

2.3 航線和像控點(diǎn)的設(shè)置

采取區(qū)域網(wǎng)的設(shè)置形式，設(shè)置在地面的首條航線與末條航線的基線數(shù)跨度應(yīng)該小于8、輕微丘陵地帶基線數(shù)小于12、丘陵地帶相對集中的基線數(shù)小于16、航線中心點(diǎn)的基線數(shù)跨度小于15，同時根據(jù)隔航線布點(diǎn)來布設(shè)航線與航線間的點(diǎn)。全網(wǎng)的四角和不標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)端點(diǎn)需要布點(diǎn)，四角偶點(diǎn)為雙點(diǎn)。如果難以選取網(wǎng)內(nèi)像控點(diǎn)的目標(biāo)，就可以將少數(shù)像控點(diǎn)改成高程點(diǎn)。采取GPS水準(zhǔn)測量方式來擬定合成像控點(diǎn)的高程，分段擬合的過程中應(yīng)該實(shí)施全方位檢驗(yàn)。對像控點(diǎn)進(jìn)行選刺時一定要選擇影像明顯的地物，往往選擇交角較好的微小線狀交點(diǎn)、清晰折角的頂點(diǎn)以及影像不大于0.2mm的點(diǎn)狀地物中心。采取九點(diǎn)法來布設(shè)區(qū)域網(wǎng)的點(diǎn)，如果處于不標(biāo)準(zhǔn)的地點(diǎn)或者是緊鄰平高點(diǎn)間隔超過20條基線時，就應(yīng)該將一個平高點(diǎn)布設(shè)在中間位置。

2.4 空中三角測量

采取全數(shù)字加密法來測量空中三角，根據(jù)像片上量測的像點(diǎn)坐標(biāo)，應(yīng)用精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型，基于最小二乘法原理將一少部分地面控制點(diǎn)作為平差條件，采取光束法計(jì)算出測圖的安全定向點(diǎn)，將1：1000地形圖作為測量比例。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程基本概況

2017年6月，筆者所在單位受到他方委托負(fù)責(zé)廣西壯族自治區(qū)某礦區(qū)地形圖測繪工作，此測量區(qū)域處于丘陵地帶，平均海拔高度大約150m，適合進(jìn)行航測。此次測量任務(wù)航空拍攝的地面分辨率為15cm，將航攝、空三加密、DEM、DOM以及DLG的生產(chǎn)作為主要測繪工作。

3.2 重點(diǎn)技術(shù)參數(shù)和航攝參數(shù)的獲取

航空拍攝以1：2000為比例，對應(yīng)的航高不能超過370m，旁向與航向重疊度應(yīng)該分別達(dá)到65%與85%，分辨率是0.1m，航攝面積是4.8km2。該無人機(jī)續(xù)航時間40min，最大速度85km/h，最大載重2.9kg，攜帶的航攝儀是Canon5D Mark I數(shù)碼相機(jī)，無人機(jī)的飛行高度、飛行面積、地面分辨率與成圖比例尺如表1所示。

3.3 數(shù)據(jù)處理

Agisoft Photo Scan是由Agisoft公司開發(fā)的3D掃描軟件，只進(jìn)行導(dǎo)入就能夠使軟件形成較高重疊率的數(shù)碼影像，從而顯示出高清的正射影像。利用Agisoft Photoscan軟件來處理影像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理流程如下：構(gòu)建項(xiàng)目文件、影像文件的添加、影像配準(zhǔn)、點(diǎn)云的形成、三角網(wǎng)的構(gòu)建、分辨率較高的DOM的生成和精準(zhǔn)的DEM，生產(chǎn)過程就是計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動處理。將DOM和DEM等數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶教爝h(yuǎn)景中，實(shí)施矢量化以及生成等高線，對其進(jìn)行編繪生成DLG。應(yīng)用主流配置計(jì)算機(jī)，一共用時10h。

3.4 成果質(zhì)量檢查驗(yàn)收

通過質(zhì)檢人員全面檢查與驗(yàn)收，該測區(qū)所有圖幅產(chǎn)品全部合格，最終評定該無人機(jī)航測項(xiàng)目取得圓滿成功，質(zhì)量達(dá)到優(yōu)良，為礦區(qū)地形測量工作提供了技術(shù)支撐，大大提升礦區(qū)地形測量精度。

4 結(jié) 語

綜上所述，隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國在無人機(jī)研發(fā)領(lǐng)域取得了較為突出的成就。由于無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷成熟，已被廣泛應(yīng)用到生活、娛樂以及軍事等領(lǐng)域，使人們的生活以及工作方式發(fā)生改變，使工作更加簡單、快捷。礦區(qū)地形測量工作具有工作難度高、工作量大的特點(diǎn)，而無人機(jī)的靈活度較高，而且容易操控，測量數(shù)據(jù)也較為準(zhǔn)確，將無人機(jī)航測技術(shù)應(yīng)用到這項(xiàng)工作中能夠使礦區(qū)地形測量工作更加方便、高效。相信隨著無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷成熟，無人機(jī)航測在礦區(qū)地形測量工作中能夠得到更好地應(yīng)用。

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收稿日期：2018-7-10

作者簡介：曾方榮（1971-），男，助理工程師，中專，主要從事工程測量方面工作。