基于復(fù)合翼無人機航空攝影測量技術(shù)在礦山測繪中的應(yīng)用

張斗龍 張海軍

（浙江東震土地規(guī)劃設(shè)計有限公司 浙江德清 313200）

1 引言

基于復(fù)合翼無人機航空攝影測量技術(shù)的應(yīng)用相比于傳統(tǒng)測繪技術(shù)手段具其獨特的優(yōu)勢，操作簡單、應(yīng)用范圍廣泛、效率高、成本低。目前已經(jīng)越來越多的單位采用該種方式進行生產(chǎn)作業(yè)[1-3]。本文以河北省太行山某復(fù)雜地形區(qū)域的一處礦山進行無人機航空攝影測量研究。而在本次研究過程中，基于當(dāng)下最新的復(fù)合翼無人機航空攝影測量技術(shù)，對于該地區(qū)進行測繪，作業(yè)效率大大提高，并且作業(yè)的安全系數(shù)也得到極大提高。

2 地形圖航測方案

2.1 復(fù)合翼無人機

在以往無人機測繪行業(yè)中，固定翼和多旋翼無人機為無人機航空攝影測量的兩大主流機型。其中，固定翼無人機的主要原理是依靠螺旋槳或者渦輪發(fā)動機產(chǎn)生的推力作為飛機向前飛行的動力，主要的升力來自機翼與空氣的相對運動。而多旋翼無人機是依靠多個旋翼產(chǎn)生的升力來平衡飛行器的重力，讓飛行器可以飛起來，通過改變每個旋翼的轉(zhuǎn)速來控制飛行器的平穩(wěn)和姿態(tài)。但是這兩種飛行方式均有自己的優(yōu)缺點，具體如表1 所示：

表1 固定翼和多旋翼無人機主要優(yōu)缺點

研究項目采用多旋翼和固定翼相結(jié)合的總體設(shè)計方案，即：復(fù)合翼無人機，該類型無人機在無需加裝復(fù)雜轉(zhuǎn)換裝置的情況下，使飛行器同時具備了垂直起降和高速巡航的能力，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高；具備了多旋翼飛行器優(yōu)勢的不需要跑道和起降空域，這種優(yōu)勢保證它能在山區(qū)、丘陵、叢林等復(fù)雜地形和建筑物密集的區(qū)域順利作業(yè)，極大擴展了無人機應(yīng)用范圍；綜合多旋翼和固定翼的力學(xué)特性，對機體結(jié)構(gòu)進行了一體化設(shè)計，并充分利用了復(fù)合材料優(yōu)異的力學(xué)性能，在保證結(jié)構(gòu)強度的情況下有效降低了飛行器的結(jié)構(gòu)重量。因此復(fù)合翼無人機是航空攝影測量領(lǐng)域無人機的理想選擇，其主要結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。本次研究區(qū)域地處礦區(qū)，周圍地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，因此綜合考慮，本次研究選取CW-20 大鵬無人機進行飛行，其主要參數(shù)如表2 所示。本次航空攝影航空攝影，掛載尼康D810 相機全畫幅高分辨率數(shù)字攝影相機。

圖1 復(fù)合翼無人機的主要結(jié)構(gòu)

表2 無人機主要參數(shù)

2.2 航測流程

項目實施中，首先根據(jù)測量學(xué)原理將拍攝的相片整合成立體模型，再采用標(biāo)識的方式在模型上進行地物判讀和相應(yīng)的測繪，最后制作成滿足生產(chǎn)要求的地理信息數(shù)據(jù)成果，主要包括：數(shù)字正射影像（DOM）、數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字線劃圖（DLG）、三維模型。作業(yè)流程如圖2 所示。

圖2 無人機航空攝影作業(yè)流程

3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

3.1 控制點布測

在成圖過程中，根據(jù)研究區(qū)內(nèi)地形特點以及最終成圖精度，總共均勻布設(shè)九像控點個。采用RTK差分定位的方式，定位精度保持在厘米級別，在平面和高程的精度確定上，不能超過±2 厘米的范圍。這樣才能夠在保持測量精度的條件下有效提高野外作業(yè)的效率。除此之外，為了使得像控點在測量后期便于識別，需要對控制點進行標(biāo)記，可以在控制點位置噴涂“L”字樣，用于后期識別。

航空攝影坐標(biāo)系統(tǒng)采用CGCS2000 國家大地坐標(biāo)系，中央子午線115 度30 分，投影面為參考橢球面，高程系統(tǒng)為1985 國家高程基準(zhǔn)。

3.2 影像數(shù)據(jù)采集

對于礦區(qū)的影像數(shù)據(jù)采集需要通過測區(qū)踏勘、航線設(shè)計、航測實施等。步驟如下：

（1）在影像數(shù)據(jù)采集前，對測量區(qū)域進行踏勘，在此過程中要對飛行區(qū)域、航攝高度、起降點以及航向重疊度、旁向重疊度進行選擇和確定，將確定好的參數(shù)輸入到智能航測系統(tǒng)中，利用"無人機管家"的軟件進行航線的智能規(guī)劃；

（2）根據(jù)確定好的無人機航線，通過無人機智能航測飛行管理軟件進行智能定點，控制無人機的降落、飛行實時監(jiān)測以及數(shù)據(jù)監(jiān)測。無人機的航測狀況通過地面計算機進行實時監(jiān)測，按照傳感器的曝光速率對搭載相機曝光時刻的相關(guān)GPS 數(shù)據(jù)和飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)進行詳細記錄；

（3）對采集到的航測影像進行導(dǎo)出，從無人機機載相機的儲存卡導(dǎo)出到所用的檢測計算機中，從而完成礦區(qū)的航測外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作[4]。

4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

利用無人機與相匹配的航空攝影數(shù)據(jù)處理軟件“無人機管家”進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作，并且完成數(shù)據(jù)的生產(chǎn)。后續(xù)內(nèi)業(yè)的主要工作內(nèi)容有：航測影像的空三加密、DEM、DOM、DLG 以及三維模型的制作等。

4.1 空三加密

航測影像的空三加密主要是利用在野外采集的平面控制點和高程控制點，在內(nèi)業(yè)進行控制點的加密，從而獲得加密點的平面控制點和高程控制點。

在數(shù)據(jù)的解析計算過程中，首先需要通過計算機對于加密點的地面坐標(biāo)和航測影像外方位元素進行解算，并將其作為POS 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)用于空三加密過程[5]。然后將此次礦山測繪的航測影像中的外業(yè)控制點的相關(guān)數(shù)據(jù)、以及POS 數(shù)據(jù)進行導(dǎo)入，利用后處理軟件進行空三加密的自動計算。

4.2 DEM 與DOM 制作

根據(jù)空三加密計算所得的結(jié)果，對航測影像中的原始影像進行重新采樣，從而生成影像，計算機系統(tǒng)能夠根據(jù)自動匹配三維離散點，從而得到礦山航測區(qū)域的數(shù)字地表模型（Digital Surface Model,簡稱DSM），然后對DSM 進行濾波從而得到DEM。

得到DEM 數(shù)據(jù)后，需要利用數(shù)據(jù)對航測影像進行數(shù)字微分糾正，并且進行影像重新采樣，最后對數(shù)據(jù)進行融合、色彩增強、鑲嵌，從而得生成信息豐富而又直觀數(shù)字正射影像圖，即DOM。該成果可以作為地圖分析的背景以及評價數(shù)據(jù)精度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時也可以利用該數(shù)據(jù)提取新的數(shù)據(jù)信息，從而實現(xiàn)礦區(qū)測繪地形圖的修測和更新。

4.3 圖形輸出與項目成果

DOM 得到后需要利用DEM 對其進行適當(dāng)?shù)男Ｕ?，通過拼接生成礦區(qū)測量區(qū)域的完整底圖。將區(qū)域底圖的整體導(dǎo)入VirtuoZoNT 軟件中，根據(jù)軟件操作的規(guī)范化要求進行內(nèi)業(yè)處理，從而生成數(shù)字線畫圖[6]。以下為本項目所輸出的成果數(shù)據(jù)，如圖3、圖4、圖5 所示。

圖3 測區(qū)數(shù)字正射影像圖

圖4 測區(qū)數(shù)字高程模型圖

圖5 測區(qū)三維模型

圖6 測區(qū)平面地形圖

5 精度檢測

項目成果主要通過計算外業(yè)校核點和加密結(jié)算點的平面中誤差以及高程中誤差來評定成圖精度。在研究區(qū)中均勻選擇20 個校核點，并利用GPSRTK 流動施測其三維坐標(biāo)（X,Y,H）；再將校核點的三維坐標(biāo)與對應(yīng)的加密解算點坐標(biāo)進行對比，計算三維坐標(biāo)的絕對誤差ΔX、ΔY、ΔH 和ΔS；最后采用式（1）、式（2）計算得到Ms 和Mh。精度檢測結(jié)果見表2。

表2 精度檢測統(tǒng)計表

計算結(jié)果：Ms=0.498 和Mh=0.307，符合國家測量規(guī)范要求。

6 結(jié)束語

本地區(qū)的地形測繪如果采用以往傳統(tǒng)的全野外人工測量，效率低，成本高，并且由于礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，存在極大的安全隱患。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展使得無人機航空攝影測量技術(shù)在礦山測繪工程中的應(yīng)用需求不斷上升。無人機航空攝影測量技術(shù)一方面能夠協(xié)助工作人員便捷、快速地獲取信息和技術(shù)，另一方面通過無人機航空攝影測量技術(shù)的應(yīng)用能夠大大提高礦山測繪工作的效率。

項目實施中采用最新的復(fù)合翼無人機來進行航空攝影，該無人機平臺能同時解決多旋翼的續(xù)航問題和固定翼的場地要求高、無法懸停問題，能適應(yīng)不同復(fù)雜地形，并且它擁有更強的機動性，目前以及成為無人機航空攝影行業(yè)新的發(fā)展趨勢。

采用無人機航空攝影測量技術(shù)獲取了基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，研究成果對于其他類似礦區(qū)的治理和修復(fù)工作提供了參考依據(jù)，并拓展了復(fù)合翼無人機的作業(yè)范圍，具有實踐意義。