礦山地質(zhì)測繪中利用無人機(jī)高清攝影測量的精度研究

劉德亮

（吉林省煤田地質(zhì)局物測隊(duì)，吉林 長春 130033）

礦山資源的開采為我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)，與此同時(shí)，礦山資源枯竭、礦山周邊環(huán)境惡化、礦山地質(zhì)災(zāi)害等環(huán)境和資源問題也接踵而來。在傳統(tǒng)的礦山地質(zhì)測繪中，通常需要測繪人員進(jìn)入礦山實(shí)地勘察，然后使用大比例尺繪圖的方式對整個(gè)礦山內(nèi)的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行測量。這種作業(yè)方式往往具備很長的周期，效率極低，且誤差率極大，以肉眼或小范圍的測量工具測量那些礦山地質(zhì)，其測繪精度很難保證。但是在科技的不斷發(fā)展下，無人機(jī)高清攝影測量技術(shù)被發(fā)現(xiàn)，以往的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)也表明，無人機(jī)高清攝影測量技術(shù)在對平原、丘陵、湖泊等自然地區(qū)進(jìn)行測繪都擁有精度較高的成果。因此本文嘗試將無人機(jī)高清攝影測量引入礦山地質(zhì)測繪工作，并對其精度進(jìn)行分析研究。

1 利用無人機(jī)攝影測量進(jìn)行礦山地質(zhì)測繪的可行性分析

無人機(jī)高清攝影測量技術(shù)主要由具備高分辨率的數(shù)碼攝像傳感器、無人機(jī)發(fā)射平臺、無人機(jī)機(jī)身、導(dǎo)航定位裝置、計(jì)算機(jī)計(jì)算系統(tǒng)等相關(guān)部分組成。其在礦山地質(zhì)測繪方面具備的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，無人機(jī)高清攝影測量能夠拍攝出分辨率極高的影像。無人機(jī)在礦山中進(jìn)行地質(zhì)測繪時(shí)可以在機(jī)身上攜帶高分辨率的攝影傳感器，這些傳感器能夠在低空攝影中拍攝出厘米單位的地面影像[1]。這樣程度的分辨率能夠使大多數(shù)的測繪工程得到滿足，基本上所有的比例都能通過無人機(jī)高清攝影測量的傳感器所拍攝，并按要求進(jìn)行縮放，這樣能夠自動(dòng)縮放拉伸且分辨率極高的攝影設(shè)備是人工探測所難以匹敵的。第二，無人機(jī)高清攝影測量不僅能夠得到高清圖像，其對于圖像數(shù)據(jù)的處理和傳輸速度也很快。無人機(jī)在無人駕駛模式下能夠自動(dòng)低空飛行并收集影像數(shù)據(jù)，這些影像數(shù)據(jù)通過整理能夠變?yōu)闇y繪數(shù)據(jù)，這樣的空中攝影相對于地面人工測量最主要的優(yōu)勢就是其對于空間領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，在無人機(jī)能夠應(yīng)用之后，只要天氣允許，就能夠隨時(shí)開始進(jìn)行礦山地質(zhì)測繪，以確保數(shù)據(jù)資料更新的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。第三，無人機(jī)高清攝影測量技術(shù)的成本相對于地面人工測量低廉許多。由于無人機(jī)的全自動(dòng)性，在進(jìn)行礦山地質(zhì)測繪的過程中不需要工作人員的參與，無人機(jī)自身就能夠及時(shí)傳輸回全面的影像數(shù)據(jù)。只有在無人機(jī)傳輸回高清影像之后，才需要后期影像制作人員進(jìn)行影像數(shù)據(jù)的處理和解譯。這樣的無人機(jī)高清攝影測量操作簡單，節(jié)約了大量的人工成本，性價(jià)比極高，利用最小的經(jīng)濟(jì)和時(shí)間成本解決了問題。因此，在礦山地質(zhì)測繪中使用無人機(jī)高清攝影測量技術(shù)具備極大的可行性。

2 無人機(jī)在礦山地質(zhì)測繪中的作業(yè)流程研究

圖1 無人機(jī)高清攝影測繪流程

使用無人機(jī)進(jìn)行礦山地質(zhì)測繪需要首先由工作人員進(jìn)行實(shí)地勘探，然后才能放出無人機(jī)航空攝影，最后在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行影像數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)處理。具體的測繪流程如圖1所示。

如上圖所示，在使用無人機(jī)之前需要首先有工作人員去礦山進(jìn)行野外地形勘探，并選擇像控點(diǎn)的地址。然后在選定的像控點(diǎn)實(shí)地布設(shè)并進(jìn)行像控點(diǎn)的坐標(biāo)測定。此時(shí)應(yīng)同步計(jì)算像控點(diǎn)的攝影區(qū)間，判斷無人機(jī)的航測范圍是否大于攝影區(qū)間，若航測范圍確實(shí)大于攝影區(qū)間則可以進(jìn)行下一步，若航測范圍小于攝影區(qū)間，則需要重新布設(shè)像控點(diǎn)[2]。接著開始特征點(diǎn)和地物信息的補(bǔ)測，標(biāo)定地物特征點(diǎn)，將電線桿、水井等不易判讀的影像人工拍攝下來并做好標(biāo)記。此時(shí)就可以放出無人機(jī)進(jìn)行礦山地質(zhì)測繪，需要依據(jù)航測范圍的具體地形設(shè)定各項(xiàng)無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)，調(diào)校相機(jī)參數(shù)，無人機(jī)在飛行過程中會(huì)自動(dòng)開始攝影。無人機(jī)的飛行參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 無人機(jī)飛行參數(shù)

無人機(jī)數(shù)據(jù)收集完畢之后，就可以開始內(nèi)業(yè)工作。需要測繪內(nèi)業(yè)工作人員利用ArcGis或者南方CASS等專業(yè)的繪圖軟件將無人機(jī)拍攝的影像資料拼接起來，生成一個(gè)完整的云數(shù)據(jù)正射影像圖。然后經(jīng)過數(shù)字成圖處理，提取云數(shù)據(jù)并獲取布設(shè)點(diǎn)坐標(biāo)，最后得到礦山地質(zhì)測繪的地形圖。

3 無人機(jī)攝影測繪精度分析

在整個(gè)使用無人機(jī)高清攝影測量技術(shù)進(jìn)行礦山地質(zhì)測繪的過程中，由于該過程中使用的是鏡頭拼接的測繪方式，不可避免地會(huì)產(chǎn)生誤差，這些誤差主要來自于鏡頭畸變、影像質(zhì)量、像控布設(shè)方案誤差、像片重疊等四個(gè)部分。其中不會(huì)有誤差的量測相機(jī)造價(jià)過于昂貴，因此大多數(shù)的無人機(jī)都是使用非量測誤差，如此就會(huì)產(chǎn)生鏡頭畸變問題。因此，為減小礦山地質(zhì)測繪的誤差，就需要對其進(jìn)行修正。攝像機(jī)的鏡頭畸變主要分為徑向畸變和切向畸變。在徑向畸變中，因?yàn)橄鄼C(jī)中的透鏡組不完善，修正公式如下所示：

式中，Δxd、Δyd為攝像頭切向畸變的坐標(biāo)點(diǎn)；p1、p2為無人機(jī)高清攝像頭的切向畸變參數(shù)。

由影像質(zhì)量產(chǎn)生的誤差主要是由于無人機(jī)在空中飛行，由于發(fā)動(dòng)機(jī)震蕩、擺動(dòng)等因素，使得高清攝像頭在曝光時(shí)成像模糊，產(chǎn)生了拖尾現(xiàn)象，這樣的影像質(zhì)量問題又被稱為影像位移[3]。影像位移能夠影響到無人機(jī)所拍攝的影像最終的成圖效果，使分辨率降低，加大后期內(nèi)業(yè)圖像拼接的難度。若影像質(zhì)量過低，不僅浪費(fèi)時(shí)間，還會(huì)難以控制最終成型的精度。因此，最好的控制無人機(jī)高清攝影測量過程中影像精度的方法，就是減少曝光時(shí)間，曝光時(shí)間縮短，相對位移的移動(dòng)距離自然就會(huì)減小，其圖像的清晰度就會(huì)增加，所得到的影像數(shù)據(jù)精度就能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

由像控布設(shè)方案產(chǎn)生的精度誤差，通常都是在最開始的像控布設(shè)階段計(jì)算錯(cuò)誤，導(dǎo)致控制點(diǎn)或平面高程出現(xiàn)錯(cuò)誤，從而產(chǎn)生精度誤差。目前為止，還沒有能夠完美計(jì)算像控布設(shè)點(diǎn)的公式，因此現(xiàn)如今的像控布設(shè)點(diǎn)基本都是由經(jīng)驗(yàn)作為依據(jù)。因此，為了保證最終無人機(jī)攝影的精度，需要盡量減少工作人員的人工工作項(xiàng)目，增大無人機(jī)的自動(dòng)運(yùn)行機(jī)制，這樣既可以增大工作效率，也能夠減少無人機(jī)攝影測量的精度誤差。

由影像重疊度導(dǎo)致的精度誤差，一般是由相鄰的兩幅影像資料所重疊的地物景觀引起的。為了不漏算礦山地質(zhì)信息，在無人機(jī)進(jìn)行攝影測量之前，需要設(shè)置好參數(shù)信息中的飛行速度和攝影間距，防止信息錯(cuò)漏，但是這樣一來又會(huì)導(dǎo)致信息重疊過大，從而產(chǎn)生精度誤差。因此，需要嚴(yán)格把控兩者之間的平衡。

無人機(jī)攝影測繪的精度可以由檢查點(diǎn)、定向點(diǎn)、公共點(diǎn)的最大限差來計(jì)算得到，其具體數(shù)值如表2所示。

表2 定向點(diǎn)、檢查點(diǎn)、公共點(diǎn)的最大限差

上表中的數(shù)據(jù)均是通過空中無人機(jī)坐標(biāo)點(diǎn)加密與礦山地形分析時(shí)所測得的檢查點(diǎn)、定向點(diǎn)、公共點(diǎn)的誤差所計(jì)算得到?；径ㄏ螯c(diǎn)的限值通常為連接點(diǎn)誤差的0.85倍，檢查點(diǎn)限值通常為連接點(diǎn)誤差的1.3倍。表中各點(diǎn)的限差均為定向點(diǎn)的限差，公共點(diǎn)不參與計(jì)算，而是存在于多區(qū)域的控制點(diǎn)中。

4 結(jié)束語

綜上所述，利用無人機(jī)高清攝影測量技術(shù)能夠在礦山地質(zhì)測繪方面擁有更好的效果。本文對無人機(jī)高清攝影測量技術(shù)在礦山地質(zhì)測繪的作業(yè)流程進(jìn)行了研究，并且分析了無人機(jī)數(shù)據(jù)設(shè)備制圖過程中的精度問題，為更加精確的礦山地質(zhì)測繪工程提供了理論參考。