無人機攝影測量技術(shù)在礦山大比例尺地形圖快速更新中的應(yīng)用

郝蘭朋

（甘肅煤田地質(zhì)局一四六隊，甘肅 平?jīng)?744000）

無人機攝影測量技術(shù)是航空攝影測量領(lǐng)域最近幾年新興的一種高科技測量技術(shù)。此技術(shù)利用無人飛行器上搭載的一個或多個影像傳感器的作業(yè)，從空中不同角度對地面的地物地貌信息進行多角度拍攝，從而獲取到地物地貌的高精度紋理數(shù)據(jù)，同時還能夠通過GPS定位技術(shù)、影像融合技術(shù)、三維建模技術(shù)等，通過影像處理生成實景3D模型，可以真實如一的反映出地面的實際狀況[1]。此技術(shù)在世界范圍內(nèi)不同國家的諸多社會領(lǐng)域都已獲得廣泛應(yīng)用，最近幾年在國內(nèi)城市基建、考古研究、礦山勘察、城市三維模型等領(lǐng)域也得到快速發(fā)展應(yīng)用。

無人機攝影測量利用無人機飛行平臺搭載影像傳感器，因而其具備一定的便攜性和靈活性，可以在短時間內(nèi)實現(xiàn)航拍，因此無人機能夠作為較好的飛行攝影平臺[2]。同時無人機飛行控制系統(tǒng)還能夠詳細記錄下飛行攝影時的高度、方向、重疊度、具體坐標等數(shù)據(jù)，有利于構(gòu)建自動化無人機攝影的三維模型，借助對地表影像的拍攝信息恢復(fù)各式景觀，這種手段可以最大限度地降低用于三維建模的經(jīng)濟成本，同時還具有高精度、精細化和實景虛擬等一系列數(shù)據(jù)優(yōu)勢。無人機攝影測量獲得的相關(guān)影像數(shù)據(jù)，利用空中三角測量等操作，能夠自動生成與實地地形狀況高度一致的的立體化的三維模型，數(shù)字攝影測量工作站可對其進行柵格數(shù)據(jù)的矢量化采集和編輯，從而提高了工作效率、擴大了應(yīng)用范圍，進而滿足不同專業(yè)層面對不同地類數(shù)據(jù)的不同需求。通過使用無人機攝影測量新技術(shù)對礦山大比例尺地形圖進行快速更新，即擴大了無人機攝影測量技術(shù)的推廣應(yīng)用范圍，又滿足了礦山開發(fā)建設(shè)中對大比例尺地形圖快速獲取的需求。

1 工作流程

1.1 像控點布設(shè)及測量

無人機拍攝得到的影像因為航向和旁向重疊度較大（通常會大于80%）[3]，像控點在布設(shè)上一般不會考慮成像要求。為了確保地表物體在平面位置與高程位置上滿足各種規(guī)范要求的精度，像控點在布設(shè)上必須排布緊密，具體遵循以下幾點：首先，對于規(guī)則且面積不大的區(qū)域，可在測區(qū)的四個角點和中心處各布設(shè)一個像控點；其次，對于面積較大或不規(guī)則的區(qū)域，除了需要在區(qū)域各個邊角設(shè)置像控點外，其他地方每隔120m~200m就需要布設(shè)一個像控點；最后，區(qū)域內(nèi)若出現(xiàn)比較突出的高層建筑或地形變化劇烈的位置，必須在地形變化的最高點和最低點分別布設(shè)相應(yīng)數(shù)量的像控點。像控點的選擇需要將地標物和明顯地標物相結(jié)合，平面控制點與高程控制點可選在同一點位，也可分別選擇點位，平面控制點應(yīng)選在影像清晰的明顯地物點、拐角點、線狀地物的交點上，高程控制點應(yīng)選在局部高程變化小且點位周圍相對比較平坦地區(qū)，像控點在相鄰像片上均要清晰可見。像控點布設(shè)完成后可使用GPS-RTK技術(shù)進行坐標測量，獲取平面坐標和高程坐標，若平面控制點和高程控制點為不同點位，需分別標注清楚。相控點布設(shè)時若測區(qū)范圍內(nèi)地物特征點較多，可選用后布設(shè)的方法，即先航飛獲取航片，后選取特征明顯的地物作為像控點，并測量坐標；若明顯地物較少，可選用提前布設(shè)像控點的方法，提前布設(shè)時像控點樣式可采用“L”型，如圖1所示。

圖1 “L”型像控點樣式

1.2 外業(yè)航空攝影

無人機野外航拍時需盡可能選用飛行穩(wěn)定、續(xù)航時間長的飛行平臺，影像傳感器需進行檢校，空間分辨率滿足規(guī)范要求前提下越高越好。航攝時間選擇時盡量選擇在地表植被或覆蓋物遮擋影響小，天氣晴朗無云微風(fēng)時間，每天最佳航攝時間段為9：00~15：00，此時間段內(nèi)太陽高度角大，地物陰影小，可較好的減小陰影對后期內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的影響[4]。

1.3 空中三角測量

空中三角測量主要是通過地面上設(shè)置的少數(shù)控制點，利用共線共線方程對影像內(nèi)外方位元素進行求解，用于檢驗構(gòu)建模型在空間方位上誤差。為了將校正后的影像恢復(fù)到標準空間下，就必須在空中三角測量結(jié)果的基礎(chǔ)上，對影像模型的坐標點進行一系列的解算處理?，F(xiàn)今無人機攝影測量得到的數(shù)據(jù)操作通常是以光束法在區(qū)域內(nèi)的聯(lián)合平差為主，以共線方程為模型，以臨近影像同坐標相交且目標相同、外部控制點和影像控制點相對應(yīng)為平差條件，得到每一幅拍攝影像的外部構(gòu)成元素。

1.4 內(nèi)業(yè)地形圖采集

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)判繪采集系統(tǒng)多采用數(shù)字攝影測量工作站進行該類工作站多為全軟件化設(shè)計、功能齊全，智能化程度高，通過調(diào)用空三加密成果和野外像控點聯(lián)測等數(shù)據(jù)文件，進行全要素數(shù)據(jù)采集，生產(chǎn)DLG數(shù)字線畫圖。內(nèi)業(yè)判繪時要對所有能判繪清楚的地物信息按照相應(yīng)的規(guī)范要求進行繪制，要求完整、準確；對于不能夠通過內(nèi)業(yè)判繪完成的地物信息要進行標注，通過后期野外調(diào)繪對該類地物信息進行實地測量、調(diào)查，從而方便最后的編輯成圖工作。

1.5 野外調(diào)繪

使用無人機進行空中航攝，不可避免的存在樹木、門廊等的遮擋問題，不能全方位獲取地物所以信息，導(dǎo)致部分地物模型變形或模糊不清的情況，所以在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集不能夠獲取到足夠信息時，就需要到野外實地對相應(yīng)地物進行補測、補調(diào)，具體工作就是對被遮擋或內(nèi)業(yè)采集不全的物體和地貌進行實地補測。該項工作要求將內(nèi)業(yè)采集成果疊加快拼DOM影像上，外業(yè)現(xiàn)場進行 調(diào)繪和補測，工作人員必須認真負責(zé)，除需進行必要的補測外，還要對地物屬性信息進行調(diào)查記錄，具體工作量主要包括：其一，對門廳、柱房、樓層、建筑物結(jié)構(gòu)、廊房下的支柱等進行補測；其二，植被比較茂盛的區(qū)域內(nèi)的路面、墻柵等線狀物體進行補調(diào)；其三，對被遮擋物體如路燈、井蓋、風(fēng)箱等地面獨立設(shè)備進行補測；其四，路面兩邊過于茂盛的樹林會導(dǎo)致飛行拍攝時路面發(fā)生變形，造成高程點無法滿足測繪成圖的要求，所以外業(yè)就需要對其高程點進行補測；其五，內(nèi)業(yè)采集時無法準確判別的地類地物屬性信息等也需要現(xiàn)場調(diào)查記錄。

1.6 地形圖編繪成圖

礦山大比例尺地形圖編繪成圖主要采用RCGIS、CASS等專業(yè)測繪編輯軟件對地形圖進行編輯，根據(jù)野外調(diào)繪情況，將地物補測調(diào)查的空間信息、屬性信息按照不同圖層要求進行成圖入庫，并對圖上的各類要素進行綜合取舍，制作出清晰易讀、符合規(guī)范與工程要求的圖件。

2 案例與分析

為了更加清楚、具體的看出無人機攝影測量技術(shù)在礦山大比例尺地形圖快速更新中的應(yīng)用效果，特與傳統(tǒng)技術(shù)進行對比，對其地形圖測繪精確度與成圖效率進行比較分析。

2.1 項目概況

本項目區(qū)為西北地區(qū)某縣某礦區(qū)，面積大概在2.5平方千米左右，為提高該縣人居環(huán)境，當(dāng)?shù)卣笤诙虝r間內(nèi)對該縣東北方某礦區(qū)測繪1∶1000地形圖。測區(qū)范圍內(nèi)主要包括礦山設(shè)施、辦公生活區(qū)、礦坑、荒山溝壑等。通過現(xiàn)場踏勘，分析認為如果采取傳統(tǒng)GPS搭配全站儀測繪的全野外數(shù)字測量方法，因為測區(qū)地形復(fù)雜、天氣因素影響等，預(yù)計需安排測量人員15名，工作周期約45天，此方法對測量人員技術(shù)要求高、工期緊、工作強度大，無法滿足對快速測繪的要求。故最終決定采用無人機攝影測量的方法對該礦區(qū)進行地形圖測繪，根據(jù)航飛設(shè)計飛行高度控制在120m，航向重疊度控制在85%，側(cè)向重疊度在80%，測區(qū)最高點分辨率設(shè)為3.2cm/像素，最低點分辨率設(shè)為5.2cm/像素，使用CORS系統(tǒng)在全礦區(qū)共布設(shè)平高像控點85個。本項目內(nèi)業(yè)空三加密軟件選用了inpho軟件，數(shù)據(jù)采集選用了航天遠景全數(shù)字攝影測量工作站，地形圖編繪選用了ARCGIS與CASS軟件，野外調(diào)繪安排人員共6人，外業(yè)無人機航攝用時3天，內(nèi)業(yè)影像數(shù)據(jù)處理與地形圖采集5天，野外調(diào)繪與地形圖編繪修改用時7天。

2.2 分析

項目選用的無人機攝影測量工作方法全部工期共計16天，滿足了快速成圖的要求；同時，為進一步檢驗測區(qū)地形圖是否可以滿足對1：1000地形圖測繪精度的要求，與傳統(tǒng)測量方法的測繪數(shù)據(jù)精確度進行對比如圖2所示。

圖2 實驗效果對比圖

實驗結(jié)果表明，本文提出的基于無人機攝影測量技術(shù)的礦山大比例尺地形圖快速更新相比于傳統(tǒng)測量方法而言，能夠在滿足測圖精度的前提下最大程度上提高成圖效率，極大的降低了野外工作強度，提高了成圖效率，能夠為礦山開發(fā)與建設(shè)提供及時準確的基礎(chǔ)工作底圖。

3 結(jié)束語

礦山開發(fā)建設(shè)中對基礎(chǔ)工作底圖要求的不斷提高促進并拓展了無人機攝影測量技術(shù)的應(yīng)用和范圍，同時無人機測繪新技術(shù)的不斷發(fā)展也進一步促進礦山建設(shè)開發(fā)與管理上的智能化進程。本文對礦山大比例尺地形圖快速更新方法進行了分析，依托無人機攝影測量新技術(shù)，根據(jù)礦山大比例尺地形圖的測繪要求，結(jié)合相關(guān)行業(yè)規(guī)范，對該方法進行了分析與驗證。實踐表明，該方法具備較高的時效性和準確性，能夠滿足礦山大比例尺地形圖快速更新的要求。