輕小型無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在礦山地質(zhì)工程測(cè)量中應(yīng)用研究

周 茜

（河南省信陽(yáng)市土地規(guī)劃勘測(cè)隊(duì)，河南 信陽(yáng) 464000）

礦山地質(zhì)工程測(cè)量是資源勘查的基礎(chǔ)，也是礦山資源開(kāi)發(fā)與利用的前提，對(duì)礦山建設(shè)意義重大。礦山地質(zhì)工程測(cè)量的用途主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是通過(guò)地形圖測(cè)繪等，獲得礦山高精度地形圖，為探礦工程布設(shè)提供依據(jù)；二是根據(jù)地形變化等，為資源儲(chǔ)量估算提供基礎(chǔ)；三是為采礦工程設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1]。因此，如何快速、高精度的獲取礦山地形數(shù)據(jù)等是礦山地質(zhì)工程測(cè)量的主要目的。隨著現(xiàn)代化無(wú)人機(jī)技術(shù)、動(dòng)態(tài)定位技術(shù)以及圖像融合處理技術(shù)的快速發(fā)展，推動(dòng)了無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在礦山地質(zhì)工程測(cè)量中的應(yīng)用，因其成本低、效率高和精度高逐漸被廣泛的應(yīng)用礦山測(cè)繪中，并取得了顯著的應(yīng)用成效。

1 輕小型無(wú)人機(jī)概況

輕小型無(wú)人機(jī)也稱(chēng)為低空輕型無(wú)人機(jī)，指的是飛行高度一般小于500m 的無(wú)人機(jī)，具有低空飛行、體積小和重量小的特征，多采用4 旋翼組成。輕小型無(wú)人機(jī)一般由兩部分組成：①飛行器，主要涉及無(wú)人機(jī)的大小、重量、最大水平飛行速度、飛行環(huán)境溫度、最大飛行時(shí)間以及能夠承受的最大風(fēng)速等；②鏡頭和傳感器，是無(wú)人機(jī)航測(cè)的主要組成部分，其中鏡頭是獲取測(cè)繪區(qū)域航拍影像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，一般采用多角度、多方位的五棱鏡，采用2000 萬(wàn)像素的影像傳感器和8.8mm 的焦距。輕小型無(wú)人機(jī)具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，主要包括：①更低的成本，由于輕小型無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)飛行高度為500m，其造價(jià)成本低于其他無(wú)人機(jī)；②具更小的重量，輕小型無(wú)人機(jī)的體積較小，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)的重量輕，故輕小型無(wú)人機(jī)具有攜帶方便和安裝簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)[2]；③具操作簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)，輕小型無(wú)人機(jī)的操作步驟簡(jiǎn)單，具有較高的自動(dòng)化，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)起飛、拍攝、返航和降落的功能；④對(duì)降落場(chǎng)所要求低，輕小型無(wú)人機(jī)對(duì)降落場(chǎng)所的要求較低，僅需要幾個(gè)平方米的區(qū)域即可滿(mǎn)足降落要求。

2 輕小型無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在礦山地質(zhì)工程測(cè)量中應(yīng)用

2.1 輕小型無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)流程

輕小型無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在礦山工程測(cè)量中的應(yīng)用主要分為兩大部分，一是外業(yè)數(shù)據(jù)采集，二是內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。外業(yè)數(shù)據(jù)采集對(duì)礦山地形測(cè)量精度影響較大，即對(duì)室內(nèi)數(shù)據(jù)處理質(zhì)量影響較大，主要包括測(cè)繪區(qū)域規(guī)劃、航拍設(shè)計(jì)、像控點(diǎn)布設(shè)及測(cè)量、外業(yè)數(shù)據(jù)采集等內(nèi)容；內(nèi)業(yè)處理主要包括航拍影像預(yù)處理、校正融合、空三加密處理、地形圖處理等內(nèi)容。輕小型無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在礦山地質(zhì)工程測(cè)量中的應(yīng)用流程見(jiàn)圖1。

圖1 輕小型無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)應(yīng)用流程示意圖

2.2 航測(cè)攝影設(shè)計(jì)

航測(cè)攝影設(shè)計(jì)是開(kāi)展礦山地質(zhì)工程測(cè)量的基礎(chǔ)，主要根據(jù)輕小型無(wú)人機(jī)參數(shù)以及測(cè)繪區(qū)域的地形地貌特征等進(jìn)行，主要包括以下幾個(gè)方面：①飛行區(qū)塊的劃分，根據(jù)測(cè)繪區(qū)域的地形地貌特征劃分飛行區(qū)塊，將地形變化大的區(qū)域劃分成不同的飛行子區(qū)塊，能夠有效的提高航測(cè)精度；②飛行高度設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)測(cè)繪區(qū)域地形地貌、測(cè)繪目標(biāo)以及無(wú)人機(jī)型號(hào)、參數(shù)等確定，如本次確定飛行高度為350m；③無(wú)人機(jī)飛行速度設(shè)定，應(yīng)根據(jù)天氣狀況以及拍攝質(zhì)量要求等確定，本次選擇無(wú)人機(jī)飛行速度為10m/s，采用航點(diǎn)懸停拍照模式。

表1 部分特征點(diǎn)三維坐標(biāo)與全站儀實(shí)測(cè)坐標(biāo)誤差對(duì)比表 單位/m

2.3 像控點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量

像控點(diǎn)布設(shè)是為提高輕小型無(wú)人機(jī)航測(cè)質(zhì)量以及精度的基礎(chǔ)，一般按照測(cè)繪區(qū)域的四角網(wǎng)進(jìn)行鋪設(shè)，并按照無(wú)人機(jī)的航向重疊度和旁向重疊度等綜合確定。一般來(lái)說(shuō)，像控點(diǎn)的布設(shè)在地形變化較小的范圍內(nèi)可適當(dāng)放稀處理，對(duì)測(cè)繪精度無(wú)明顯影響；在地形變化較大的區(qū)域內(nèi)適當(dāng)加密布設(shè)，能夠有效的提升航拍影像的質(zhì)量。此外，對(duì)于劃分飛行子區(qū)塊的測(cè)繪區(qū)域而言，在不同子區(qū)塊的結(jié)合部位應(yīng)布設(shè)像控點(diǎn)，能夠有效地提升不同子區(qū)塊的影響數(shù)據(jù)拼接質(zhì)量。

2.4 航空影像數(shù)據(jù)采集

航空影像數(shù)據(jù)的采集是影響礦山地質(zhì)工程測(cè)量精度的主要制約因素之一，因此，為了提升航測(cè)影像數(shù)據(jù)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)內(nèi)容[3]：①確保無(wú)人機(jī)的飛行質(zhì)量，輕小型無(wú)人機(jī)具有體積小、重量輕的特征，導(dǎo)致在飛行過(guò)程中受飛行環(huán)境影響較大，尤其是風(fēng)速影響，因此，一般選擇在天清氣朗和風(fēng)速緩慢的天氣進(jìn)行，盡可能的降低無(wú)人機(jī)的顛簸問(wèn)題；②及時(shí)檢查航片質(zhì)量，對(duì)每天獲取的航拍影像數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保像片位置、數(shù)量以及拍攝質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)，若不滿(mǎn)足精度和質(zhì)量要求，則應(yīng)重新拍攝，直至所獲影像數(shù)據(jù)滿(mǎn)足質(zhì)量要求為止。

2.5 空三加密處理

空三加密處理是航拍影像預(yù)處理完成后的重要步驟，主要目的在于消除測(cè)繪“空白”區(qū)域?qū)φw測(cè)量精度的影響。在無(wú)人機(jī)航拍過(guò)程中勢(shì)必因?yàn)轱w行角度、高大樹(shù)木、建筑物遮擋等造成影像數(shù)據(jù)中存在一定數(shù)量的“空白”區(qū)域，該部分的精度是無(wú)法滿(mǎn)足航拍影像數(shù)據(jù)質(zhì)量要求，此時(shí)需根據(jù)拍攝過(guò)程中自動(dòng)存儲(chǔ)的POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行空三加密處理，即通過(guò)平差計(jì)算的方式將“空白”區(qū)域處理掉，進(jìn)而使得航拍數(shù)據(jù)的整體數(shù)據(jù)質(zhì)量得以提升。

2.6 數(shù)據(jù)編輯及地形圖繪制

在完成航拍數(shù)據(jù)預(yù)處理后，經(jīng)過(guò)平差、校正處理后即可進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)編輯，如地形圖繪制等。在數(shù)據(jù)編輯之前，需要計(jì)算外業(yè)拍攝影像的平面坐標(biāo)等參數(shù)，并在相應(yīng)的軟件中將不同的像片拼接在一起，完成同名像點(diǎn)的轉(zhuǎn)點(diǎn)、粗差剔除、像控點(diǎn)聯(lián)測(cè)、區(qū)域網(wǎng)約束平差、校正等工作，盡可能的消除相機(jī)畸變參數(shù)，使其滿(mǎn)足礦山地形圖比例尺的基本精度要求。將空三加密處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入至MapMatrix4.2 軟件中，進(jìn)行內(nèi)定向、相機(jī)畸變、去測(cè)平均高程等參數(shù)的建立工作，完成后可進(jìn)行地形數(shù)據(jù)信息的采集工作，可通過(guò)手工編輯和自動(dòng)編輯兩種方法實(shí)現(xiàn)。完成后需要對(duì)地形圖質(zhì)量檢核，對(duì)于有錯(cuò)誤的位置應(yīng)進(jìn)行核實(shí)處理，必要的情況下還需進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪。

3 精度分析

為了對(duì)比分析輕小型無(wú)人機(jī)航測(cè)質(zhì)量，本文選擇了12 個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)量精度對(duì)比。通過(guò)全站儀的方法獲得了12 個(gè)特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，與航測(cè)所獲的三維坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，其統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。計(jì)算結(jié)果顯示，平面位置中誤差為±0.22m，中誤差最大值為0.28m，高程位置中誤差平均值為±0.093m，中誤差最大值為±0.158m，誤差符合1：2000 航空攝影測(cè)量相關(guān)規(guī)范及礦山地形測(cè)繪的精度需求。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文主要講述了輕小型無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在礦山地質(zhì)工程測(cè)量中的應(yīng)用，通過(guò)全站儀測(cè)量相比，平面位置中誤差為±0.22m，中誤差最大值為0.28m，高程位置中誤差平均值為±0.093m，中誤差最大值為±0.158m，誤差符合1：2000 航空攝影測(cè)量相關(guān)規(guī)范及礦山地形測(cè)繪的精度需求，說(shuō)明輕小型無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的測(cè)量精度可靠，能夠大規(guī)模的推廣使用。