無人機(jī)在露天采場大比例尺地形測繪中的應(yīng)用分析

張楨哲

（寶雞西北有色七一七總隊(duì)有限公司，陜西 寶雞 721012）

無人機(jī)攝影測量技術(shù)是一種比較熱門的測量技術(shù)，目前應(yīng)用比較廣泛。它改變了人們以往常規(guī)測量的工作模式，能更為快速便捷地對作業(yè)區(qū)實(shí)施測繪工作，其應(yīng)用范圍非常廣泛，尤其在礦山露天采場的治理、土地復(fù)墾、泥石流滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的前期勘察工作中使用得越來越頻繁。通過無人機(jī)進(jìn)行前期的地形測繪，可以節(jié)省大量野外作業(yè)的時(shí)間。

在近幾年的發(fā)展過程中，無人機(jī)的類型和技術(shù)發(fā)展比較迅速，通過在無人機(jī)攝影平臺上安裝較高分辨率的相機(jī)，可以應(yīng)用在測圖精度1∶1000和1∶2000等大比例尺的地形圖測繪中。和常規(guī)測量相比，無人機(jī)測量有著時(shí)間短、操作方便、效率高、成本低等一系列特點(diǎn)，尤其是在地形陡峭復(fù)雜等地區(qū)具有明顯的優(yōu)勢。無人機(jī)分多旋翼和固定翼兩種，多旋翼機(jī)對起飛場地的起飛要求不高但是飛行時(shí)間短，固定翼的機(jī)型對起飛場地起飛要求相對較高但是飛行時(shí)間長。不管是哪種機(jī)型都能獲取高分辨率的影像，而且可以實(shí)時(shí)分析作業(yè)區(qū)的地形狀況、排查地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)并進(jìn)行調(diào)查。

1 無人機(jī)攝影測量工作原理

無人機(jī)測量的原理是在飛行過程中通過底部安裝的多鏡頭相機(jī)，從各個(gè)角度實(shí)時(shí)、快速地采集地面影像，然后通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成各種測量成果并應(yīng)用于生產(chǎn)。

2 無人機(jī)攝影測量的特點(diǎn)

無人機(jī)航空攝影測量除了可以制作數(shù)字線化圖、數(shù)字高程模型，還可以通過一些三維建模軟件快速可靠地生產(chǎn)三維模型，主要是采集框架數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，然后通過影像定向、校正和平差等集合運(yùn)算進(jìn)行處理，生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立TIN模型，再將紋理貼合在建好的模型上，并對模型進(jìn)行編輯建立立體真實(shí)的三維模型，具有高效、高精度、真實(shí)感等特點(diǎn)。文章主要以某座礦山的露天采場的土地恢復(fù)治理工程作業(yè)前期勘察為例，介紹了無人機(jī)在1∶2000地形圖測繪方面的應(yīng)用分析。

3 項(xiàng)目介紹

陜西省鳳縣地區(qū)某個(gè)礦山露天采場關(guān)閉后需要進(jìn)行礦山恢復(fù)治理工作，在前期的地形和地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的勘察中，如果采用常規(guī)測量方法，由于采場陡峭，地形復(fù)雜，難以及時(shí)完成測繪任務(wù)，無法給后期的勘察工作節(jié)省時(shí)間；再加上測區(qū)存在崩塌、滑坡隱患，給野外測量工作帶來極大的不安全性。針對以上問題，作業(yè)組通過比較分析決定采用無人機(jī)測量方法采集數(shù)據(jù)并繪制作業(yè)區(qū)的地形圖。

3.1 無人機(jī)參數(shù)介紹

該項(xiàng)目主要采用的是賽爾M600電動六軸無人機(jī)，具有高可靠性、飛行性能好、使用便捷等特點(diǎn)。整機(jī)重量9.1kg，工作飛行重量15.1kg，可工作時(shí)間35min，可以承受風(fēng)速8m/s的影響，在無風(fēng)環(huán)境中速度可以達(dá)到18m/s，巡航時(shí)間30min。無人機(jī)選擇搭載SHARE-100 五鏡頭相機(jī)，焦距為35min。

3.2 作業(yè)前準(zhǔn)備

作業(yè)前收集測區(qū)附近的高等級控制點(diǎn)、地形地質(zhì)圖、氣候條件以及飛行區(qū)域的空域條件，對無人機(jī)的各項(xiàng)工作指標(biāo)和性能進(jìn)行詳細(xì)檢查，并且進(jìn)行了作業(yè)場地的試飛。攝影測量工作根據(jù)天氣情況選擇在攝區(qū)晴天、大氣透明度較好的這幾天，因?yàn)檫@樣可以使得光照充足而且避免了過大的陰影，將來也便于影像的判讀和刺點(diǎn)。

航攝作業(yè)前還應(yīng)確定工作區(qū)是否要進(jìn)行分區(qū)，一般根據(jù)測區(qū)面積的大小、比例尺和最小跨度等確定。如果要進(jìn)行分區(qū)的話，還應(yīng)在滿足各項(xiàng)參數(shù)的情況下盡量少分區(qū)，同時(shí)各分區(qū)在進(jìn)行影像連接時(shí)重疊度也應(yīng)滿足規(guī)范要求。

3.3 無人機(jī)飛行要求

無人機(jī)在具體的操作過程中，可以直接通過相應(yīng)的軟件來對飛行航線進(jìn)行設(shè)計(jì)。在具體的作業(yè)過程中對于作業(yè)飛行路線設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)參照規(guī)范《1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》的飛行要求盡量東西飛行，特別注意在工作區(qū)的最高點(diǎn)處要保證和圖廓吻合。為了滿足數(shù)據(jù)處理的要求，在重疊度的設(shè)置上，航向不低于80%，旁向不低于60%。首末航線應(yīng)該位于作業(yè)區(qū)的界線上或之外，旁向覆蓋超越界線應(yīng)該不少于相幅的50%，最少不少于30%，按圖幅中心線或相鄰公共圖廓敷設(shè)航線或者分區(qū)時(shí)，超出的航線界線或分區(qū)界線不少于相幅的12%；航向兩頭要超出工作區(qū)各不少于一條基線；航線上相鄰兩張像片高差不大于30m，同航線最大最小航高差不大于50m。

3.4 相控點(diǎn)測量

相控點(diǎn)的布設(shè)是在實(shí)地釘木樁，然后在周圍灑上白石灰，做成十字形狀，這樣做的好處是便于將來影像的判讀和觀測。像控點(diǎn)按規(guī)范要求應(yīng)該選在旁向重合的中線附近，離開方位線的距離應(yīng)大于像幅寬的20%，距影像邊緣不應(yīng)小于0.1cm或50個(gè)像素。像控點(diǎn)的目標(biāo)信息應(yīng)清晰，易于判讀、刺點(diǎn)，可以選在線狀地物交點(diǎn)、明顯地物拐角點(diǎn)以及高程起伏較小或者一直相對固定且易于準(zhǔn)確定位和量測的地方，但是弧線地物及暗影處不能作為點(diǎn)位目標(biāo)。因?yàn)楣ぷ鲄^(qū)面積小，所以相控點(diǎn)的量測采用GPS-RTK作業(yè)的方法按照精度要求測量平面坐標(biāo)和高程，平面采用四參數(shù)，高程采用擬合高程。

3.5 航攝內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)無人機(jī)采集的照片數(shù)據(jù)、地面相控點(diǎn)和POS數(shù)據(jù)來進(jìn)行定向、空三加密、平差、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，構(gòu)建TIN紋理貼圖、創(chuàng)建三維模型然后輸出建模成果。建立的三維模型要能夠準(zhǔn)確、精細(xì)地表達(dá)出建模主體的真實(shí)情況和具體細(xì)節(jié)的表現(xiàn)。裸眼旋轉(zhuǎn)三維模型確認(rèn)地物類型和位置，勾繪地物，再進(jìn)行少量外業(yè)調(diào)繪，最終繪制1∶2000地形圖。

3.6 三維模型制作

制作三維模型采用ContextCapture Master軟件。ContextCapture Master是市場上較為成熟的無人機(jī)數(shù)據(jù)影像處理軟件，可以自動配準(zhǔn)影像、畸變改正，自動生成抽稀的三維點(diǎn)云，自動生成三維模型并進(jìn)行紋理貼合。在軟件實(shí)際操作中，可以將攝區(qū)分割成多個(gè)模型單元進(jìn)行處理，處理完后可以使用相關(guān)的軟件進(jìn)行拼接，提高工作效率。

3.7 地形數(shù)據(jù)采集

基于清華山維EPS平臺三維測圖模塊，加載實(shí)景三維模型，采用一體化測圖模式進(jìn)行高程點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集，然后基于南方CASS平臺，加載正射影像圖，完成地物屬性信息采集，利用高程數(shù)據(jù)生成等高線、編繪地形圖。另外，對于樹葉遮擋大、影像陰影區(qū)域及影像模糊地區(qū)等要在野外配合常規(guī)測量方法進(jìn)行補(bǔ)償，屬性信息難以判讀的要在野外進(jìn)行調(diào)繪。最后，對制作好的地形圖進(jìn)行檢查，無誤后提交成果。

4 精度分析

為了檢驗(yàn)地形圖的精度和三維模型的精度是否符合規(guī)范和項(xiàng)目的要求，在工作區(qū)均勻的采集點(diǎn)位進(jìn)行檢測，一共選取了14個(gè)檢測點(diǎn)，且位置明顯，利用全站儀配合RTK進(jìn)行了實(shí)地測量并且對點(diǎn)位進(jìn)行了檢查，計(jì)算了平面位置中誤差和高程中誤差。各檢查點(diǎn)精度如表1所示。

表1 檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)表

規(guī)范要求城鎮(zhèn)建筑區(qū)、工礦區(qū)圖上地物點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差小于圖上0.6m，高程中誤差應(yīng)小于2/3基本等高距。通過上表中數(shù)據(jù)可以根據(jù)中誤差計(jì)算公式計(jì)算得到平面點(diǎn)位中誤差為0.46m（實(shí)地為1.2m的要求）；抽查的高程中誤差為0.47m，小于2/3基本等高距（實(shí)地1.3m），說明成果精度均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)束語

通過分析可以知道，無人機(jī)應(yīng)用于大比例尺的地形圖測繪完全可以滿足工程建設(shè)的需要。由于野外地形陡峭復(fù)雜，采用無人機(jī)可以快速提高數(shù)據(jù)采集獲取的速度，大大節(jié)省項(xiàng)目人員在野外測量作業(yè)的時(shí)間，還可以節(jié)約野外成本。無人機(jī)的三維建?？梢院苤庇^地在電腦上發(fā)現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場的不利因素和地質(zhì)災(zāi)害，方便了地質(zhì)人員對這些問題進(jìn)行分析處理，然后根據(jù)這些問題提出更好的設(shè)計(jì)方案，從而及時(shí)地處理各種礦山地質(zhì)環(huán)境問題。但是不足之處仍然比較多，如：（1）無人機(jī)在進(jìn)行作業(yè)時(shí)由于電池容量小，運(yùn)行時(shí)間比較短，而且受天氣溫度變化影響大，如氣溫低會降低飛行時(shí)間；（2）山區(qū)地形復(fù)雜高差大而且植被覆蓋密集地區(qū)無人機(jī)攝影一般難以達(dá)到預(yù)期的精度；（3）受到地形、建筑布局等因素的影響會存在一些盲區(qū)，這部分盲區(qū)需要在野外利用儀器實(shí)地測量和調(diào)匯。隨著無人機(jī)航攝系統(tǒng)的軟硬件不斷改善，其測量的精度也會越來越高，應(yīng)用的范圍也會越來越廣，也能更好地服務(wù)于各個(gè)工程建設(shè)項(xiàng)目。