無人機(jī)航測在礦山地形圖測量中的應(yīng)用研究

賀凱盈，李燕敏，袁曼飛

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

由于無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展使得其已經(jīng)滲透到各行各業(yè)中，基于無人機(jī)平臺的航空攝影測量技術(shù)得到了空前的發(fā)展[1]。無人機(jī)航測因?yàn)槌杀镜汀C(jī)動靈活和對礦山地形適應(yīng)度強(qiáng)等特點(diǎn)使得其在大比例尺成圖領(lǐng)域應(yīng)用愈加廣泛。但是在帶狀地形成圖過程中，由于像控點(diǎn)的網(wǎng)形結(jié)構(gòu)較差、數(shù)量少和航拍像片像幅小、重疊度不一、存在投影誤差降低了航攝影像的成圖精度。

本文以礦山周圍1:1000地形圖測量生產(chǎn)任務(wù)為例，通過無人機(jī)外業(yè)數(shù)據(jù)采集、像控點(diǎn)準(zhǔn)確采集和成圖過程進(jìn)行詳細(xì)的闡述，并對比增加了輔助架構(gòu)航線和平高控制點(diǎn)的方法來提高成圖精度，最后將影像成果坐標(biāo)和實(shí)地采集的坐標(biāo)進(jìn)行精度比對，驗(yàn)證基于無人機(jī)攝影測量方法進(jìn)行1:1000比例尺成圖的可行性和實(shí)用性。

1 實(shí)例應(yīng)用

1.1 測區(qū)概況

測區(qū)地處陜、晉兩省交界區(qū)域，位于東經(jīng)110°8′19.74″～110°37′48.69″，北緯35°52′20.80″～34°36′18.74″之間。東接陜西省渭南市，西靠山西省運(yùn)城市，測區(qū)長度約150公里、面積約460平方公里。測區(qū)北段約20公里為晉陜大峽谷末端，地勢起伏較大；地勢中間高，東西低，最高點(diǎn)為并田中部山脊，海拔1185.83m；最低點(diǎn)位于西北部沖溝中，海拔約900m，最大相對高度約為286m，植被覆蓋率較高，有少量礦山地質(zhì)工程建筑物。參照物測區(qū)地形條件、成圖面積、形狀規(guī)劃及成圖比例等要求，此次航飛方向?yàn)槟媳狈较?，共?jì)八條航線。

1.2 航攝方案設(shè)計(jì)

為了對比在添加輔助平高像控點(diǎn)的情況下空三質(zhì)量增益情況，在帶狀區(qū)域四周布點(diǎn)的基礎(chǔ)上在垂直于帶狀區(qū)域的兩端和中間分別布設(shè)三排平高像控點(diǎn)。同時(shí)在中部布設(shè)的平高像控點(diǎn)區(qū)域增加兩條垂直于帶狀區(qū)域的航線，加強(qiáng)帶狀區(qū)域的影像聯(lián)結(jié)程度，提高整個(gè)測區(qū)在帶狀區(qū)域中部的重疊度和像片解譯質(zhì)量。平面坐標(biāo)系：國家2000；投影方式：高斯-克呂格投影，標(biāo)準(zhǔn)3°分帶平面直角坐標(biāo)系統(tǒng)，坐標(biāo)縱軸向西平移500km，橫坐標(biāo)不加帶號；高程基準(zhǔn)：1985國家高程基準(zhǔn)；比例尺：1:1000；中央子午線：111度。

本次航飛外業(yè)采用的是天宇創(chuàng)通TEZpro，其相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 固定翼無人機(jī)詳細(xì)參數(shù)

飛控系統(tǒng)是NP-100，它可以采用程控、半自主或者完全自主飛行模式，在飛行過程中能夠?qū)︼w行姿態(tài)、高度和速度實(shí)行穩(wěn)定實(shí)時(shí)控制，保障無人機(jī)能夠按照預(yù)先規(guī)劃的航線平穩(wěn)飛行。

1.3 航線數(shù)據(jù)獲取

本次航攝質(zhì)量較好，飛行時(shí)間都選在陽光充足、風(fēng)速較小、風(fēng)向穩(wěn)定的時(shí)段。各條航帶的影像數(shù)據(jù)清晰，旋偏角、翻滾角、俯仰角和航帶彎曲度以及航向、重疊度等技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，能辨別出地面上最暗處的影像細(xì)節(jié)。各條航帶間沒有漏洞，像片有效范圍覆蓋了全部攝區(qū)，可進(jìn)行立體模型的建立和連接。

在航向上超出成圖范圍的基線均在一條以上，旁向上超出成圖范圍均為像幅的30%以上，全區(qū)無攝影絕對漏洞。

1.4 像控點(diǎn)測量

像控點(diǎn)測量采用“千尋位置”系統(tǒng)測取像控點(diǎn)，后均勻選取7個(gè)點(diǎn)，解算其1985高程值，再通過高程擬合分區(qū)獲取所有像控點(diǎn)的1985高程值。航測礦區(qū)整體海拔落差小，地勢較為平緩，在區(qū)域網(wǎng)內(nèi)，像控點(diǎn)布設(shè)遵循三角網(wǎng)布設(shè)法，基線距離在500m～800m，均勻分布，保證了較好的三角原則和精度需求。此次采取先布設(shè)后航飛方案，“十字靶標(biāo)”和“特征點(diǎn)”結(jié)合的方案進(jìn)行像控點(diǎn)測量。

1.5 空三加密和精度分析

（1）量測中發(fā)現(xiàn)外控點(diǎn)離各類標(biāo)志太近，加密時(shí)重點(diǎn)處理此類問題。外控點(diǎn)量測時(shí)量測主要的、影象清晰的像對。對外控點(diǎn)處于外插位置、影象不清晰的像對不要量測，保證加密精度。

（2）適當(dāng)?shù)奶岣邿o人機(jī)POS數(shù)據(jù)權(quán)重。加入像控點(diǎn)重新優(yōu)化后對像控點(diǎn)質(zhì)量進(jìn)行評差對于誤差較大的點(diǎn)剔除后重新優(yōu)化評差，直至所有的粗差點(diǎn)被剔除。

（3）精度分析驗(yàn)證過程中，為了對比空三測量在加入3排垂直帶狀區(qū)域像控點(diǎn)前后的精度變化情況，在空三解算過程中分別處理未加入3排像控點(diǎn)和加入3排像控點(diǎn)兩種情況進(jìn)行驗(yàn)證。

在驗(yàn)證增設(shè)3條架構(gòu)航線對影像精度的影響過程，在像片處理過程中分別處理添加3條航帶前后成圖質(zhì)量，最后通過實(shí)測地物點(diǎn)坐標(biāo)和成圖地物點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行對比。對比結(jié)果如表2所示：

表2 加入3排像控點(diǎn)前后控制點(diǎn)殘差對比/m

從表2控制點(diǎn)殘差可以得出：像控點(diǎn)在加入3排平高控制點(diǎn)前后精度整體有了平面提高。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，最大平面誤差：0.117m，最大高程誤差：0.038m，像控點(diǎn)的解算精度滿足航測成圖內(nèi)業(yè)精度規(guī)范要求。

2 結(jié)論

本文以礦山某帶狀地形圖生產(chǎn)項(xiàng)目為載體，從無人機(jī)航攝方案設(shè)計(jì)、影像的獲取、像控點(diǎn)的布設(shè)采集和并對像控點(diǎn)精度在引入3排像控點(diǎn)前后進(jìn)行對比、地物點(diǎn)的成圖坐標(biāo)和實(shí)測坐標(biāo)在添加垂直帶狀區(qū)域架構(gòu)航線前后進(jìn)行對比，整體精度均有了明顯提高，滿足比例尺1:1000的成圖精度。相對于傳統(tǒng)的全野外礦山地質(zhì)測圖相比較，具有高分辨率、高效率、低成本、靈活機(jī)動受環(huán)境影響較小特點(diǎn)。