低空無人機航空攝影技術(shù)在礦山地形圖測繪中的應用分析

鄒 江

（貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局五總隊，貴州 安順 561000）

1 無人機攝影測量技術(shù)概述

無人機攝影測量系統(tǒng)一般由飛行平臺、任務裝置、地面控制站等部分組成。其中飛行平臺常用的有固定翼平臺和多旋翼平臺兩種，以飛馬D200為例，其飛行平臺主要包括機身、動力裝置、飛行控系統(tǒng)；任務裝置主要有高分辨率光學相機、激光雷達等；地面控制系統(tǒng)主要包括顯示系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[1]。

2 無人機攝影測量技術(shù)流程

2.1 技術(shù)準備

航攝任務下達后，根據(jù)航攝任務情況收集并分析測區(qū)資料數(shù)據(jù)，開展實地踏勘工作，選定無人機的起降位置。

2.2 航線設計

根據(jù)測圖方法、儀器設備、成圖比例尺和成圖精度等設計航線，航線設計時主要考慮以下幾個方面：①重疊度：地形起伏、飛機飛行狀態(tài)及航高等對重疊度均有影響，規(guī)范規(guī)定無人機航向重疊度60%～80%，旁向重疊度15%～70%。②航攝高度：根據(jù)成圖比例尺與航攝比例尺的關系，設計合適的行高。③航攝基準面：航攝區(qū)內(nèi)的地形高低起伏，無人機的航攝面應根據(jù)測區(qū)內(nèi)最高點和最低點的平均高程確定航攝基準面高度。④除以上設計參數(shù)之外，還應進行像移量和曝光時間設定。

2.3 測區(qū)劃分及航線敷設

航攝區(qū)面積大、地形條件復雜時，應對航攝區(qū)域進行分區(qū)，航攝分區(qū)應遵循以下原則：①分區(qū)界線與圖廓線盡量一致；分區(qū)內(nèi)地物景物反差、地貌類型盡量一致。②分區(qū)內(nèi)地形高差一般小于1/4H相，當航攝比例尺大于1/7000時，應小于1/6H相。③應考慮飛機的側(cè)方和前方的安全距離及安全高度。④航線敷設時盡量保證東西方直飛；首末航線應布設于測區(qū)邊界上或邊界外旁向覆蓋超出界線一般不少于像幅的50%；航向兩端應超出測區(qū)各不少于一條基線。

2.4 像控點布設及相控點測量

低空無人機航空攝影與傳統(tǒng)航空攝影相比，無人機航攝有IMU、DGPS的輔助，能夠提供高精度的差分POS數(shù)據(jù)，精確曝光時的坐標位置。像控點布設可適當放寬，但應避免像主點落水，在遇到航攝區(qū)域凹凸拐點時應根據(jù)地形條件布設平高點，當有構(gòu)架航線時應適當減少相控點數(shù)量。

像控點的施測包括平面控制測量和高程控制測量，控制測量數(shù)據(jù)應在等級控制網(wǎng)基礎上分級布設，平面控制網(wǎng)可采用GNSS靜態(tài)相對定位法、GPS-RTK法。高程控制點測量可采用GPS水準高程擬合法和水準測量法。

2.5 航攝實施與數(shù)據(jù)預處理

航攝實施前，應進行設備的安裝調(diào)試，主要包括飛行平臺的組裝、任務荷載設備、動力系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)的檢查調(diào)試。檢查調(diào)試完成，導入設計好的航線數(shù)據(jù)后進行航攝作業(yè)。作業(yè)期間，作業(yè)人員應實時監(jiān)控航攝系統(tǒng)。

航攝作業(yè)完成，傳輸存儲航攝數(shù)據(jù)，并對航攝數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查處理。航空攝影質(zhì)量檢查包括航攝過程質(zhì)量和航攝成果質(zhì)量控制檢查。飛行質(zhì)量檢查主要內(nèi)容包括傾斜角、旋偏角、航線彎曲度、重疊度等。影像質(zhì)量檢查主要包括影像色調(diào)是否均勻、反差是否適中、色彩飽和度及清晰度能否滿足要求。數(shù)據(jù)處理前應對影像進行輻射糾正和畸變糾正，對影像進行勻光調(diào)色處理。

2.6 航帶處理與空三加密

航空攝影飛控系統(tǒng)記錄的是每張航攝照片的空間大地坐標數(shù)據(jù)（B，L，H）和姿態(tài)數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為航攝影像的物方坐標，通過影像中心偏轉(zhuǎn)角β將航攝照片按航帶分帶計算完成后，利用共線方程計算相應的地面坐標，得到每張影像視場范圍FOV，根據(jù)FOV計算像對重疊度，根據(jù)重疊度確定像對對應關系構(gòu)建航測區(qū)域網(wǎng)。

現(xiàn)階段無人機航攝主要采用的是GNSS/POS輔助空中三角測量解算，該方法的優(yōu)點在于機載POS系統(tǒng)能直接獲取每張航攝相片的外方位元素，能大幅度減少地面控制點誤差造成區(qū)域網(wǎng)平差的影響。但無人機容易受到氣流的影響，POS數(shù)據(jù)的誤差會影響網(wǎng)平差的精度，所以適當增加重疊度可提高同名像點的匹配數(shù)量從而提高解算精度[2]。

根據(jù)無人機航空攝影的討論，影響空中三角測量精度的主要因素包括控制點精度、航攝像片分辨率、平差解算精度以及測量精度等四個方面，因此應保證像控點的高精度和可靠性，選擇合適的平差方法可避免像控點的測量粗差傳遞到空三解算中。另外，影像分辨率與像元大小、航攝高度相關，降低航攝高度有利于空三精度的提高。

3 航空攝影測繪產(chǎn)品的生產(chǎn)

在礦山修復治理方面，線劃圖尤為重要，傳統(tǒng)的測量手段生產(chǎn)效率低、作業(yè)難度大、生產(chǎn)成本高、測繪產(chǎn)品精度低等因素制約礦山地形圖的生產(chǎn)，低空無人機攝影測量和EPS三維測圖以快速靈活、高效高質(zhì)量的優(yōu)點提高礦山地形圖的生產(chǎn)。其主要技術(shù)流程包括數(shù)字高程模型和數(shù)字正射影像圖的生成、內(nèi)業(yè)采編、外業(yè)調(diào)繪和修補測、成果輸出和精度評定等四個過程。

4 工程案例分析

4.1 航攝區(qū)域概況

項目位于貴州省安順市某礦區(qū)，航攝面積約1KM2，地勢由西北向東南傾斜，南北長約1KM，東西寬約0.9KM。測區(qū)內(nèi)最高海拔1509米，最低海拔1409米，高差約100米，適合采用無人機航攝作業(yè)。飛馬D200無人機航攝系統(tǒng)主要參數(shù)見表1、表2。

表1 飛馬D200無人機主要參數(shù)表

表2 飛馬D200無人機荷載模塊參數(shù)表

4.2 航攝參數(shù)設計和航攝實施

根據(jù)航攝區(qū)域數(shù)據(jù)和航攝設備設計航攝參數(shù)。測區(qū)面積小，地形情況良好，飛馬D200無人機航攝系統(tǒng)具有高精度IMU慣導系統(tǒng)，可獲取高精度POS數(shù)據(jù)，測區(qū)布設10個像控點，2個檢查點。航攝基準面1459m，飛行高度340m，航向重疊80%，旁向重疊70%，預計地面平均分辨率為6.5cm。

測區(qū)內(nèi)有城市E級控制點，采用網(wǎng)絡RTK采集相控點坐標數(shù)據(jù)，保證測回間平面坐標分量較差不超過2cm,垂直坐標分量較差不超3cm，取10測回結(jié)果平均值作最終觀測成果。

4.3 數(shù)據(jù)處理

空三加密解算結(jié)果顯示基本定向點平面殘差1.03cm，高程殘差0.8cm；檢查點平面殘差4.25cm，高程殘差2.1cm，滿足《低空數(shù)字攝影測量規(guī)范CH/Z 3003-2010》規(guī)范要求?？罩腥菧y量質(zhì)量報告見圖1。

圖1 相控點空中三角測量解算精度表

將解算完成的傾斜三維模型導入北京清華三維EPS成圖軟件，按照國家1:1000地形圖成圖要求完成線劃圖的矢量化工作。矢量化數(shù)據(jù)成果見圖2。

圖2 矢量化地形圖數(shù)據(jù)采集圖

按規(guī)范要求完成全測區(qū)地形圖矢量化工作，對內(nèi)業(yè)無法判讀的區(qū)域進行外業(yè)調(diào)繪補判。最后進行修改整飾、檢查完成測區(qū)1:1000數(shù)字正射影像圖的成圖工作。

經(jīng)野外采集特征點與模型特征點坐標對比，平面點點位中誤差為0.107m，高程中誤差為0.09m，滿足《基礎地理信息數(shù)字成果CH/T 9008.1-2010》1:1000地形圖平面點位中誤差0.6m；高程中誤差0.5m的規(guī)范要求。

5 結(jié)論

文章對無人機航空攝影測量技術(shù)的闡述，采用飛馬D200無人機在礦山地形圖中測量中的運用可以得出低空無人機航空攝影測量配合三維測圖軟件能高效高質(zhì)量的完成礦山大比例數(shù)字線劃圖的生產(chǎn)。在實際的航空攝影生產(chǎn)作業(yè)中應充考慮測區(qū)地形、地貌情況選擇合適的無人機航攝系統(tǒng)，相控點均勻布設，增加航攝重疊度等措施有利于提高空三加密精度。