基于無人機航空攝影測量技術的礦山測量研究

張 寧

（華北地質勘查局第四地質大隊，河北 秦皇島 066000）

近年來，隨著我國經(jīng)濟體制改革的不斷深入，城市化建設進程明顯加快，建筑工程也在逐漸增加，各級部門對于大比例地形圖的需求不斷擴大，并且對于地形圖的精度也有著更高的要求[1]。過去傳統(tǒng)的測量方式主要依靠人工，這種方式不大怒耗費大量的人力物力，具有較大的工作強度，而且其外業(yè)工作效率很低，所繪制的大比例地形圖精度也不夠準確，根本難以滿足日新月異的測量需求。隨著地理信息技術的革新發(fā)展，無人機航空攝影技術順勢而生，這種小規(guī)模測量方式，相比大傳統(tǒng)的大飛機航測，便利性更高、受到氣候環(huán)境因素影響較小，而且可以進行低空飛行。通過專業(yè)性的攝影測量系統(tǒng)，能給大大提高測量精度，航拍影像分辨率能給達到0.05m，當經(jīng)過后續(xù)的加工處理，可以將其制作為多種滿足國家使用需求的數(shù)字產(chǎn)品。無人機航空攝影技術在工程測量領域的廣泛應用，為該領域的健康發(fā)展做出巨大貢獻。但是在實際測量過程中，需要注意幾點問題，要對無人機航空攝影技術的使用規(guī)范性和方式方法進行合理把控，確保測量技術得以有效發(fā)揮。

1 無人機航空攝影技術概述

無人機航攝系統(tǒng)具體組成包括數(shù)碼相機系統(tǒng)、無人機飛行平臺、地面保障系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)等。其工作原理就是通過先進的無人駕駛飛行器技術、通訊技術、遙感技術以及定位技術等來完成遙感數(shù)據(jù)的傳輸、處理和分析。將無人機作為飛行平臺，搭載專業(yè)數(shù)字航測設備來進行拍攝和記錄，目的是獲取到超高精度和分辨率的航空影像，之后將影像信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理系統(tǒng)，對其進行后續(xù)處理加工，從而繪制成工程測量領域各類比例尺的地形圖[2]。隨著社會的發(fā)展，信息化技術不斷完善升級，無人機航空攝影技術也有著巨大的突破。其精度和效率都有著不小的提升，已經(jīng)成為行業(yè)各界所熱議的焦點話題，也是航空遙感技術未來的發(fā)展方向。無人機航空攝影技術的應用優(yōu)勢可以分幾個方面：第一，運輸組裝便捷。對比以往的航空攝影模式，無人機航測根本不需要專門機場調運、調配，而且可以利用小型汽車裝載運輸，隨時隨地安裝使用。第二，受到環(huán)境氣候因素影響較小。結合多年來的使用經(jīng)驗，只需要確?？睖y區(qū)域沒有降雨情況，并且風力小于4級就可以開展測量工作。另外，無人機航空攝影技術還具有云下攝影的功能。第三，起飛方式多樣化。無人機不需要設定專門的機場和跑道，在普通公路上即可完成起飛操作。第四，避免空域管制。傳統(tǒng)航空測量方式較為繁瑣，在手續(xù)階段花費大量時間，采用無人機航空攝影技術，節(jié)約時間節(jié)省精力，基本上可以實現(xiàn)隨時起飛。第五，作業(yè)成本低。傳統(tǒng)航測方式需要駕駛員駕駛，每一個飛行員的聘用成本都比較高昂，在采取無人機航空攝影技術，只需要人們在地面操作即可，不僅僅購買和作業(yè)成本較低，其后續(xù)的維護管理成本也很低。另外，無人機航測不需要使用專業(yè)航拍設備，人們利用普通的單反便可以當做影響獲取的傳感器，也可以降低一部分的資金成本。

2 無人機航空攝影測量技術發(fā)展現(xiàn)狀

隨著我國經(jīng)濟建設水平不斷提高，使得無人機航空攝影測量技術也得到進一步革新和突破，憑借其優(yōu)良的性能得到各個行業(yè)的認可，應用范圍逐漸擴大。在美國航空航天局也會在農(nóng)業(yè)測定、森林火災監(jiān)測以及海洋上遙感定位等均會應用到無人機，其作用不言而喻[3]。在我國，許多單位在無人機航空攝影方面有著許多技術層面的探索研究工作，為后續(xù)的工作人員積累了豐富的研究經(jīng)驗。西安大地測繪責任公司研發(fā)出多種無人機遙感系統(tǒng)，主要是由無人機攝影硬件系統(tǒng)和其他軟件系統(tǒng)構成，在該技術的應用下，讓我國一部分地區(qū)在獲取高分辨率的彩色影像的構想成為現(xiàn)實。青島某無人機遙感技術企業(yè)，經(jīng)過多年的探索研究，終于研發(fā)出國內首個50kg級“TJ型無人遙感快速監(jiān)測系統(tǒng)”，是一套專業(yè)性非常高的民用遙感監(jiān)測系統(tǒng)，能夠提供海洋遙感服務。在2003年，國內研究院設計出 UAV RS-II型低空無人機遙感監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了無人機的半自主和全自動。發(fā)展至今，國內無人機發(fā)展以及較為成熟，在各個領域都有著廣泛的應用。自2009年開始，國家向各個省份地區(qū)發(fā)放UAVRS-10B類型的無人機， 該無人機荷載只有5kg，續(xù)航時間為1.5小時，基本上可以實現(xiàn)所有的測繪工作和保障工作。近年來，隨著我國現(xiàn)代化城市建設進度的加快，應用無人機航空攝影技術一定會對城市的發(fā)展建設提高強而有力的測繪保障。

3 無人機航空攝影測量技術應用的技術要點

3.1 在數(shù)據(jù)采集與處理環(huán)節(jié)要確保精準性

無人機航空攝影技術在使用過程中，對于數(shù)據(jù)采集和處理環(huán)節(jié)一定要謹慎對待。首先，在利用無人機對測繪區(qū)域進行拍攝時，地面的操控人員一定要對航拍影像實時監(jiān)控，如果畫面出現(xiàn)模糊失真，及時進行調整，確保航拍影像的清晰度和分辨率。操作人員對無人機的飛行狀態(tài)進行調整或者對系統(tǒng)進行調節(jié)都可以達到調整畫面的要求，這種操作對于無人機操作人員的專業(yè)技術水平有著較高的要求。其次，將所拍攝的影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰浖到y(tǒng)中，進行圖像的分析處理工作，這時需要對處理技術嚴格把控，選擇正確有效的處理方式。另外，對于測量數(shù)據(jù)影響處理的技術要求比較高，所以這項工作也要安排專業(yè)性較強的人員操作，進而確保測量數(shù)據(jù)分析結果的價值性和準確性。

3.2 強化質量控制，并對拍攝結果嚴格檢查

需要注意的時，在使用無人機進行航拍測量時，應該對拍攝質量嚴格控制。首先，在開展無人機航空攝影測量工作之前，制定出一套系統(tǒng)、完善、科學的航拍方案。可以先進行拍攝模擬操作，對拍攝過程中所存在的問題進行分析，及時改正，這樣可以保證方案在正式應用后整體拍攝過程的精確度和穩(wěn)定性。另外，在無人機航拍過程中要嚴格主要每個階段的銜接，確保工作的連續(xù)性，從而提高拍攝質量。其次，完成無人機拍攝工作后，要對航拍影像進行檢查，查看畫面是否準確、清晰度是否滿足要求，如果存在畫面不清晰或者拍攝不準確的情況，應該立即重新拍攝，并且在拍攝全過程中嚴格監(jiān)管，必須要確保航拍影像的質量，這樣對于后續(xù)的影像處理也有著一定的便利性。

4 無人機航空攝影測量技術在礦山測量中的實際應用

4.1 工程概況

本次工程位于蕪湖市某礦區(qū)，在西南方位，平均海拔高度為800m，適合應用無人機航空攝影測量技術，本次任務測量面積為25km，航拍影像分辨率為10cm。通過現(xiàn)代化無人機航空攝影測量技術來對礦區(qū)進行測量，并將所收集的數(shù)據(jù)信息根據(jù)1:2000的比例尺繪制地形圖[4]。礦山工程地勢平坦，周邊沒有大型障礙物，應用該測量方式能夠得到較高的精度。

4.2 基本流程

第一，利用無人機對該地區(qū)進行航空拍攝。在拍攝之前，要對礦區(qū)的地質條件、環(huán)境氣候以及測量面積等因素進行綜合考慮，確保此次拍攝工作得以正常進行。本次工程選用華測P700E型無人機，具有較高的精度，而且無人機續(xù)航時間可以達到2.5小時，航行速度最高都達到90km/小時，最大荷載量為5kg，無人機身上裝載像素為3500萬的數(shù)碼相機，設定相機焦距為35mm，根據(jù)事先規(guī)劃好的航行路線進行拍攝。需要注意的是，在航拍過程中，需要將控制地面分辨率為5cm，航片傾角小于5%，而且偏角不得高于15%，這也是應用無人機航空攝影測量技術的基本要求。當完成航拍工作后，能夠獲取到清晰、飽滿的影像，為后續(xù)的地形圖制定提供數(shù)據(jù)參考。

第二，像片控制測量。由于本次測量區(qū)域地形較為特殊，所以設計人員制定出區(qū)域網(wǎng)布設方案，經(jīng)過模擬試驗，確定該方案切實可行。其中，根據(jù)兩條或者兩條以上的平行線作為本次航拍的主要航線，之后依次布設平高控制點，并在每一對像控點位置處設立標準點位設計，需要注意的是，每個標準點之間距離不得超過4條平行線。除此之外，為提高加密像控點的精確度，應該在不規(guī)則區(qū)域網(wǎng)中的凸角處添加平高點，在凹處位置設定高程點。同時，為確保加密控制點的質量符合設計標準，并對礦山工程的實際開采情況進行綜合分析，可以采取控制高程點的方式實現(xiàn)精準測量。

第三，全數(shù)字空中三角測量。在礦區(qū)工程航拍過程中，三角測量是應用非常頻繁的測量方式。在實際工作中，為了提高無人機航空攝影測量的精確度和有效性，必須要對測量區(qū)域和環(huán)境氣候、地形條件等全面分析，選擇最為合適的測量方式。引入先進技術，所應用的拍攝器材都是當前社會最為前衛(wèi)的高精密影像拍攝和處理系統(tǒng)，有著非常強大的數(shù)據(jù)處理分析功能。在這些精密設備基礎下，能夠在沒有人為因素影響的情況下實現(xiàn)對成千上萬張影像的高效處理，從而繪制為二維地圖和三維模型。另外，還能夠自動化完成初始影像的校準工作，使得航拍影像的精度得到提高。

第四，數(shù)據(jù)采集，利用MapMatrix全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)完成本次的數(shù)據(jù)采集工作，不需要額外的人工資源，系統(tǒng)可以自動化處理，在數(shù)據(jù)采集后直接對其進行收編入庫并對所需的數(shù)據(jù)信息進行處理。其中，數(shù)字線劃圖和數(shù)字正射影像制作以及立體模型建立是本次工作的重點內容。

第五，精度檢測。根據(jù)《基礎地理信息數(shù)字成果1:500、1:1000/1:2000數(shù)字線劃圖》的具體要求，與本次測量結果相對比，得知實地測量數(shù)據(jù)結果符合設計標準。如下表1所示，為數(shù)字線劃圖精度檢測結果。如下表1所示。

表1 數(shù)字線劃圖精度檢測結果

5 結論

總而言之，本將無人機航空攝影測量技術應用到礦區(qū)測量中，通過實際案例，能夠證實該技術對于工程測量精確度、安全性以及便捷性等都有著非常顯著的作用。在航拍過程中，要做好準備工作，特別是在設計階段，要對測量區(qū)域的地勢條件、環(huán)境因素等特點進行全面分析，從而規(guī)劃合理的航行路線，保障航拍影像的清晰度和準確度。