無人機攝影測量在露天礦地形測繪中的應用研究

白宗杰，王 寧，賈 堯，吳碩先

（水發(fā)規(guī)劃設計有限公司，山東 濟南 250000）

近年來，由于開采技術和開采設備的不斷發(fā)展壯大，露天開采的規(guī)模和范圍也在不斷擴大，與此同時，也帶來了一系列問題，主要包括環(huán)境污染和地質(zhì)災害等方面的問題。針對這一系列問題，必須采取有效手段解決，為了保證露天礦的開采和生產(chǎn)安全，將無人機攝影測量技術應用到露天礦山地形測繪工程中。無人機攝影測量技術能夠在第一時間為施工方提供所需要的露天礦山信息，比起人工實地測繪具有影像清晰、工作效率高且成本較低等優(yōu)勢。傳統(tǒng)的地面測量技術需要長時間的野外作業(yè)，并且面臨著測量精度較低的困境，因此，關于露天礦山的地形測繪工作亟需進一步探討。

1 應用無人機攝影測量技術測繪露天礦地形

1.1 提取露天礦地形特征

露天礦的地形特征通常與礦山的功能區(qū)劃分有關，由于露天礦的開采工藝和開采性質(zhì)不同，功能區(qū)之間在保持整體聯(lián)系的同時又各自相對獨立[1]。根據(jù)露天礦的采礦工藝劃分四個功能區(qū)，第一個是剝離區(qū)，主要作用是將露天礦周圍的巖石打碎；第二個是開采區(qū)，是露天礦生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)；第三個是運輸區(qū)，主要作用是把開采出的礦石或者經(jīng)過剝離后的礦石運輸?shù)街付ㄎ恢茫坏谒膫€是裝卸區(qū)，主要作用是將礦石和廢棄碎石進行裝卸并處理。這四個功能區(qū)劃分如下圖所示。

圖1 露天礦功能區(qū)劃分

露天礦會在外力作用下發(fā)生不同程度的形變，在不同的功能區(qū)中，形變產(chǎn)生的影響也不同。露天礦的地表形變在積累到一定程度后會帶來一系列地質(zhì)災害，包括滑坡、傾倒和崩塌等。

因此，要采取先進的科學技術手段對露天礦區(qū)的地形進行測繪和監(jiān)測工作。由于露天開采主要依靠采掘設備在開放空間內(nèi)進行煤炭開采工作，導致在經(jīng)過長時間開采后，形成了具有一定地形特征的礦坑，露天礦的海拔高程成為地形測繪工作中的重要影響因素，露天礦的海拔高程如下表所示。

根據(jù)表1 可知，隨著海拔高度的增加，露天礦的海拔高度占地面積比例也在不斷變大，海拔高度在1397m～1435m范圍的占地面積最大，占礦區(qū)總面積的19.33%；海拔高度在1126m～1193m 范圍的占地面積最小，占礦區(qū)總面積的8.92%。

表1 露天礦海拔高程數(shù)據(jù)表

1.2 搭建無人機攝影測量平臺

確定要作業(yè)的露天礦之后，根據(jù)露天礦的地形特征，搭建無人機攝影測量平臺。根據(jù)礦區(qū)的歷史資料分析測繪目標，選擇需要的無人機飛行平臺和攝影測量設備，并提前調(diào)查露天礦區(qū)的氣象條件，選定作業(yè)日期。對作業(yè)礦區(qū)進行實地考察，根據(jù)飛行平臺性質(zhì)選擇視野開闊且地形平坦的區(qū)域，作為無人機起飛和降落的場地，以便保證工作人員的安全和無人機機載設備不受損壞[2]。為了避免飛行過程中的意外情況，要全面排查安全隱患，在正式開展作業(yè)前要進行試飛，將作業(yè)情況進行實地演習。鑒于無人機作業(yè)存在著不可控風險，搭建一個完善的攝影測量平臺能夠為無人機方案設計做鋪墊。為了減少無效飛行架次和避免造成時間浪費，在充分考察目標礦區(qū)的地理位置和地形條件之后，將提高測繪精度作為首要目標，對無人機的飛行效率進行有效控制，在露天礦區(qū)面積全覆蓋的基礎上，力爭以最少的耗時發(fā)揮最大的作用。

1.3 設計測繪露天礦地形方案

完善的航飛方案有助于提高地形測繪結果的精度，保證測繪作業(yè)的順利進行。相機是無人機攝影測量在露天礦地形測繪工作中的重要設備，由于高空氣流并不是十分穩(wěn)定，并且無人機包括攝影測量設備都自重都比較輕，在無人機的飛行過程中，有可能出現(xiàn)無人機航線偏離和機身傾斜的情況出現(xiàn)，需要對無人機的相機進行畸變校驗。校驗結果如下表所示：

表2 相機畸變校驗結果

對無人機相機進行校驗是為了將攝影測量得來的圖像信息從二維空間轉(zhuǎn)化成三維立體圖像，通過對無人機相機的主點位置、焦距等畸變數(shù)值進行校驗，設計無人機航飛方案。無人機攝影測量的航線并沒有硬性的標準和要求，無特殊情況下航飛方向是自西向東，根據(jù)露天礦的地形和地勢可進行適當調(diào)整為南北方向，無人機的航線通常是以圖幅中心線為基準[3]。無人機攝影測量的正向方向重疊率要保證達到65%～85%之間，最小重疊率不得低于55%。側(cè)向重疊率要達到23%～58%，最小重疊率不得低于10%。無人機攝影傾斜方向重疊率要達到78%以上，側(cè)向重疊率在62%以上。無人機航向重疊度要以露天礦的實際情況為主，根據(jù)地形特征進行適當調(diào)整。應用無人機攝影測量技術獲取的圖像傾斜角度不能大于5°，圖像的旋偏角度要控制在10°～15°之間，在測繪區(qū)域內(nèi)，接近最大傾斜角和旋偏角度的圖像要控制在三張以內(nèi)，以保證露天礦地形測繪的精確度。根據(jù)上述要求設定的無人機飛行參數(shù)如下表所示：

表3 無人機飛行參數(shù)設計

對無人機攝影測量獲取到的露天礦地形測繪數(shù)據(jù)成果進行精確度檢驗：

表4 無人機攝影測量精確度檢驗結果

檢驗結果表明，無人機攝影測量結果的平面誤差為2.25cm、高程誤差為9.36cm，證明無人機攝影測量技術更加高效。

2 結語

本文通過研究無人機攝影測量在露天礦地形測繪中的應用，提出具體可行的辦法，為后續(xù)開展露天礦地形測繪工作奠定了理論基礎和實踐基礎。在一定程度上擴大了無人機攝影測量技術的應用范圍，將露天礦地形研究上升到新的高度。由于研究條件有限，文章在一些細節(jié)之處還有待提高。