淺談無人機(jī)在礦山測繪中的應(yīng)用

殷行YIN Hang

（華北地質(zhì)勘查局五一九大隊，保定071050）

0 引言

露天礦山的地形復(fù)雜，地表采掘，不易行走，測量難度大，礦區(qū)有的地方人無法到達(dá)。無人機(jī)攝影測量飛行高度低，成像分辨率高，起降方便，機(jī)動靈活，根據(jù)測量任務(wù)可搭載不同設(shè)備，可一次性完成對露天礦山的地形、采掘區(qū)、礦區(qū)建筑物、構(gòu)筑物等測量，不僅提高了工作效率，同時也避免了安全隱患。

1 無人機(jī)測繪技術(shù)的優(yōu)點

1.1 數(shù)據(jù)獲取周期短

采用無人機(jī)測繪技術(shù)，多是低空飛行獲取影像數(shù)據(jù)，避免了衛(wèi)星航空技術(shù)受天氣條件的限制，以及常規(guī)航空技術(shù)需要辦理空域飛行申請的客觀條件限制，能夠有效保證數(shù)據(jù)采集的時效性，極大縮短數(shù)據(jù)獲取周期。

1.2 操作靈活

無人機(jī)技術(shù)在多年發(fā)展中已經(jīng)朝多功能化、集成化法向發(fā)展，無論是從技術(shù)層面還是使用便捷層面，無人機(jī)航測相比人工測繪均有很大的優(yōu)勢。如今無人機(jī)設(shè)備體積更小，攜帶和操作更加方便，可以根據(jù)露天礦山測繪要求更換功能模塊，從而更好的滿足測繪要求。

1.3 數(shù)據(jù)分辨率高

無人機(jī)低空飛行一般不高于地面1000m，甚至還可以在距離地面200m 左右飛行，通過機(jī)身攜帶的高分辨率數(shù)碼相機(jī)，可以獲取較高分辨率的影像數(shù)據(jù)，并且提高數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性和及時性，滿足比例尺測圖精度及監(jiān)測要求。

1.4 應(yīng)急性強(qiáng)

露天礦山測繪工作中存在很多的繁瑣環(huán)節(jié)，難免遇到測繪中的不確定因素，此時就要做好應(yīng)急工作。常規(guī)的人機(jī)航測中，受到露天礦山的多方因素影響，一旦發(fā)生了應(yīng)急情況，往往無法第一時間采取應(yīng)對措施，造成人員、資金等損失問題。而應(yīng)用無人機(jī)航測技術(shù)，在面對應(yīng)急情況處理有著更加優(yōu)異的表現(xiàn)，優(yōu)于無人機(jī)是遠(yuǎn)程操控、隱蔽性強(qiáng)，遇到緊急情況可以快速撤離，大大降低了人、財、物的損失，還可以節(jié)省空間成本。

1.5 飛行控制自動化

現(xiàn)階段，無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)已經(jīng)可以做到根據(jù)圖像上指定點位飛行，并且在電量低于預(yù)設(shè)值或達(dá)到用戶自行設(shè)置的電量值時自動返航，實現(xiàn)全程飛行自動化。

2 無人機(jī)航測系統(tǒng)構(gòu)成

無人機(jī)航測系統(tǒng)主要包含：無人機(jī)起飛平臺、飛行控制系統(tǒng)、數(shù)碼相機(jī)、地面站、無線通信、地面數(shù)據(jù)處理系等。飛行平臺采用了無人機(jī)設(shè)備，控制系統(tǒng)采用專業(yè)的微型無人機(jī)控制系統(tǒng)，攝像系統(tǒng)搭載高像素、高分辨率數(shù)碼單反相機(jī)，在無人機(jī)飛行過程中，飛行控制系統(tǒng)控制相機(jī)快門實現(xiàn)定點曝光，采用固定光圈確保物鏡畸變參數(shù)更加統(tǒng)一。為了提升露天礦山測繪效率、實現(xiàn)安裝生產(chǎn)目標(biāo)，要做好無人機(jī)航測設(shè)計工作，采集1:2000 數(shù)字線劃圖，對無人機(jī)航測系統(tǒng)進(jìn)行試飛驗證礦山數(shù)據(jù)采集精度。除了要做好無人機(jī)航線設(shè)計和數(shù)碼相機(jī)調(diào)整，還要在地面上指定位置設(shè)置控制點，通過區(qū)域網(wǎng)空中三角測量自檢方法，計算出系統(tǒng)誤差根源，對像點位置坐標(biāo)值進(jìn)行修正，確定內(nèi)方位元素、物鏡光學(xué)畸變數(shù)值，保證相機(jī)標(biāo)定精度，將標(biāo)定結(jié)果應(yīng)用到無人機(jī)航測系統(tǒng)中，這樣即可借助無人機(jī)航測系統(tǒng)在區(qū)域大比例尺地形圖中采集高精度數(shù)據(jù)信息。

3 無人機(jī)在礦山測繪中的實際運用

3.1 技術(shù)設(shè)計

技術(shù)設(shè)計階段需要了解測區(qū)的地理位置情況，收集礦區(qū)基礎(chǔ)資料，如基礎(chǔ)地形圖、衛(wèi)星影像資料、控制成果等。對無人機(jī)相機(jī)設(shè)備進(jìn)行檢校，確保設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)符合規(guī)范規(guī)定的要求，擬定飛行航線，設(shè)計航向重疊度，設(shè)計旁向重疊度，設(shè)計地面分辨率，滿足測圖精度，提高飛行效率；進(jìn)行現(xiàn)場踏勘選擇合適的起飛和降落的場地。

3.2 像控點布設(shè)

為了滿足無人機(jī)航測精度，要嚴(yán)格控制像控點，可以采用直徑為60cm 的圓形像控點，并用白石灰粉標(biāo)記像控點。航線間隔控制在1km 以內(nèi)，每隔一個航線布置平高點。如果無特殊情況下，要在航向、旁向6 片重疊范圍設(shè)置像控點，保證像控點共用性。分區(qū)重疊部位也要布設(shè)像控點，提升像控點利用率。借助RTK 設(shè)備對每個像控點布置精度進(jìn)行檢測，通過2 次測量取均值后作為標(biāo)準(zhǔn)點，確保整體精度。

3.3 飛行作業(yè)

到達(dá)礦山起飛地點后，無人機(jī)起飛前檢查GPS 信號情況，指南針是否已經(jīng)校準(zhǔn)，確認(rèn)螺旋槳是否旋緊，電池、遙控器電量是否充足；機(jī)身電機(jī)座和起落架有無開裂跡象，電機(jī)內(nèi)部有無明顯雜物，螺旋槳表面有無明顯損壞，云臺是否居中，云臺系統(tǒng)是否正常工作。無人機(jī)起飛后讓無人機(jī)在半空中懸停一會，再進(jìn)行上升、下降、前后左右平移、左右自轉(zhuǎn)等動作，觀察無人機(jī)的飛行姿態(tài)是否穩(wěn)定；確保遙控天線的切面與無人機(jī)保持平行，且天線和無人機(jī)之間沒有任何遮擋。航線飛行完成后，現(xiàn)場對照片數(shù)據(jù)進(jìn)行全面檢查，檢查完成后如存在漏拍則需重新補(bǔ)拍飛行，若無問題，則此次航拍完成。

3.4 空中三角剖分加密技術(shù)

在畫圖的過程中，測繪工作很容易受到外界因素的干擾，比如環(huán)境或者是植被方面等等。因為這些外界原因會造成無人機(jī)在使用技術(shù)的過程中，沒有辦法符合地面控制點在測量方面的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。與此同時，三角加密處理具有很明顯的特點，能夠彌補(bǔ)不符合映射精度標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象。三角加密是通過使用某種軟件來準(zhǔn)確的評估圖像外部的方向元素，并且除去具有影響的方面，這樣不僅可以提高測量的精確度和可靠性，同時還能夠改進(jìn)地形的測繪條件，使得測繪結(jié)果更加穩(wěn)定精確。在三角加密處理完成的基礎(chǔ)上，按照礦圖中輸出的有關(guān)數(shù)據(jù)創(chuàng)建DOM，DEM，DSM 等模型。

3.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括以下步驟：①打開ContextCapture 新建工程，設(shè)置工程路徑。②導(dǎo)入照片，導(dǎo)入本機(jī)照片，設(shè)置采樣率，檢查航片完整性，每個照片組都會有一個相機(jī)的參數(shù)，可以在右鍵菜單中導(dǎo)入或?qū)С鱿鄼C(jī)的檢校參數(shù)。③空中三角測量：1）設(shè)置名稱，最好根據(jù)飛行架次或項目時間信息進(jìn)行設(shè)置；2）參與空中三角解算的照片，默認(rèn)使用全部的照片；3）照片的定位信息或地理參考信息的設(shè)置；4）空中三角參數(shù)的設(shè)置；5）空三等信息的檢查；6）空三刺點（在航片上刺地面像控點）。④模型重建，在空三結(jié)果中開啟一個重建，建模開始之前，必須進(jìn)行建模參數(shù)設(shè)置，設(shè)置坐標(biāo)系確定生成的產(chǎn)品類型，確定生成的產(chǎn)品格式，選擇產(chǎn)品格式，確定產(chǎn)品的坐標(biāo)系及平移量，提交產(chǎn)品。⑤開啟引擎，檢查工程中配置的發(fā)布任務(wù)路徑，需要和工程中發(fā)布的任務(wù)路徑一樣。打開引擎，最后獲得OSGB 數(shù)據(jù)和正射影像圖，導(dǎo)入《EPS 三維測圖系統(tǒng)》成圖。

3.6 測繪精度分析

可以借助INPHO 全數(shù)字?jǐn)z影系統(tǒng)實現(xiàn)空三加密，根據(jù)無人機(jī)實際飛行狀況、像控點布設(shè)情況，設(shè)置相應(yīng)的區(qū)域網(wǎng)加密，將航測數(shù)據(jù)整理之后，借助INPHO 軟件中Match-AT 模塊，導(dǎo)入航測數(shù)據(jù)參數(shù)，系統(tǒng)會自動生成圖形，匹配相應(yīng)的連接點，計算出航測區(qū)域的網(wǎng)平差，最后再導(dǎo)入加密成果、mapmatrix 文件，即可形成露天礦山立體數(shù)據(jù)模型。在高程差精度檢測中，將無人機(jī)航測數(shù)據(jù)導(dǎo)入到軟件中生成DTM，在中樁中摻入高程值，和RTK 檢測高程值對比，這樣即可得出高程差，并在坐標(biāo)系中呈現(xiàn)，x 坐標(biāo)為高程差區(qū)間、y 坐標(biāo)為中樁點數(shù)與差區(qū)間對比。比較差數(shù)值與航測精度直接掛鉤，通常比較差比重控制在5%即為航測合格。誤差檢測可參照《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》進(jìn)行，通過分析定向點、連接點誤差，計算平差結(jié)果計算測繪區(qū)域飛機(jī)航高，即可對影像結(jié)構(gòu)精度進(jìn)行校驗，分析檢測結(jié)果是否可以滿足1∶2000 地形圖測圖標(biāo)準(zhǔn)。通過以上操作流程，即可提升無人機(jī)航測在露天礦山的應(yīng)用精度，得到十分清晰的影像數(shù)據(jù)，在小區(qū)域大比例尺地形測繪中有著很大優(yōu)勢。

3.7 外業(yè)調(diào)繪及補(bǔ)測技術(shù)

如果生成的地形圖存在錯誤，就需要及時的實施外業(yè)調(diào)繪及補(bǔ)測技術(shù)。因為盡管無人機(jī)測量的運用大大減小了攝影存在的盲區(qū)現(xiàn)象，然而依然沒有辦法防止受到地形地貌以及建筑物分布等方面干擾而導(dǎo)致攝影出現(xiàn)盲區(qū)，這樣的話，就沒有辦法利用攝影測量得到相應(yīng)區(qū)域的地形信息，這個時候需要使用其他測量技術(shù)方法來實施外業(yè)補(bǔ)測等。所以，在進(jìn)行影像數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理期間，對攝影存在的盲區(qū)進(jìn)行標(biāo)注，及時的實施外業(yè)實地調(diào)繪和補(bǔ)測工作。不僅如此，在內(nèi)業(yè)處理過期間存在爭議的地形地物也需要標(biāo)注出來，從而利用外業(yè)調(diào)繪或者補(bǔ)測技術(shù)進(jìn)行處理和解決，這樣可以在根本上強(qiáng)化無人機(jī)測量精確程度。

4 結(jié)語

無人機(jī)攝影測量是地理信息數(shù)據(jù)采集的一種飛躍，是提升測繪地理信息服務(wù)保障能力，是促進(jìn)測繪地理信息升級的需要，是推進(jìn)智慧城市建設(shè)和應(yīng)急保障能力建設(shè)的重要保障。無人機(jī)航拍測繪地形圖的生產(chǎn)應(yīng)用，作業(yè)效率比傳統(tǒng)測量模式有大幅度提高，加快了測繪產(chǎn)品內(nèi)、外業(yè)數(shù)據(jù)生產(chǎn)的一體化流程，滿足礦山開采測繪任務(wù)的需求，為露天礦山地形圖測繪提供了新的技術(shù)手段和方向。