低空無人機航測在大比例尺地形測繪中的應用研究

＊郭 龍

（晉城澤祥勘探測繪有限公司 山西 048006）

在進行礦山開采或者礦山地質(zhì)環(huán)境恢復治理時，必須要以精準的現(xiàn)場大比例尺地形測繪圖為基礎，但是在傳統(tǒng)的測繪工作開展過程中，測繪人員通常采用單機站或者網(wǎng)絡PTK的方式進行實測，這種測繪方式不僅效率低、作業(yè)周期長，而且難以保證測量精度。現(xiàn)如今隨著科學技術(shù)的突飛猛進，低空無人機航測技術(shù)應用在礦山大比例尺地形測繪中取得了顯著效果，可以妥善應對復雜的礦山地形。

1.低空無人機航測系統(tǒng)的應用優(yōu)勢和不足分析

（1）應用優(yōu)勢。應用低空無人機航測技術(shù)測繪礦山大比例尺地形圖時，有以下幾點顯著的應用優(yōu)勢：首先，具有更強的便利性。因為低空無人機航測系統(tǒng)具有較小的單位體積并且集成度更高，可以用普通車輛進行運輸，并且對起飛和降落的場地沒有過高要求，作業(yè)環(huán)境友好，不會對周邊環(huán)境帶來不利影響；其次，具有更低的成本。在使用傳統(tǒng)測繪技術(shù)測量復雜的礦山地形時，需要花費大量的人力和物力成本，而且測量周期長、測量精度難以保證，低空無人機航測技術(shù)可有效解決這一弊端，極大程度的降低測繪成本、提高測繪精度；再次，具有更加完善的功能。低空無人機航測系統(tǒng)可以同時兼容氣象傳感器與熱成像儀，因此不僅能夠測量地形地貌等地質(zhì)特征，還能夠?qū)ν恋氐睦们闆r進行動態(tài)監(jiān)測，功能更加完善和突出；最后，具有更高的靈活性。低空無人機體積小巧、易于攜帶，并且在測繪過程中能夠靈活調(diào)節(jié)飛行速度，而且操作流程簡單，工作人員可獨立完成測繪任務。

（2）應用不足。雖然低空無人機具有突出的航測優(yōu)點，但是畢竟是一種新興技術(shù)，在應用過程中存在著一些不足之處。例如，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，工作人員尚無法克服外界因素影響保證無人機的穩(wěn)定性，所以拍攝的圖片會存在著重疊度過大、重疊度不規(guī)則、特征匹配難度大等問題。

2.低空無人機航測的數(shù)據(jù)采集和處理

（1）現(xiàn)有地形圖數(shù)據(jù)采集方式。圖1是低空無人機的攝影測量數(shù)據(jù)處理流程。在低空無人機航測中最常用的數(shù)據(jù)采集方式為攝影測量工作站立體觀測，通俗的說就是在空中三角測量工作完成以后，工作人員需要以測量數(shù)據(jù)為基礎對模型進行仿真處理，然后結(jié)合地形地貌等要素進行數(shù)據(jù)采集，必要時需要進行補測和調(diào)繪等工作。但是此種數(shù)據(jù)采集方式效率低、工作量大。

圖1 無人機攝影測量數(shù)據(jù)處理流程

（2）影像點云地形圖數(shù)據(jù)采集方式。隨著影像匹配算法的日漸成熟，影像點云地形圖的數(shù)據(jù)日漸精準且數(shù)量龐大，所以影像點云數(shù)據(jù)為地形數(shù)據(jù)采集提供了便利條件。影像點云地形圖數(shù)據(jù)采集主要是利用點云處理軟件，其中激光點云數(shù)據(jù)軟件應用相對廣泛。處理流程如圖2所示。

圖2 影像點云地形數(shù)據(jù)采集流程

因為影像匹配的點云數(shù)據(jù)是離散分布的三維數(shù)據(jù)，并且通過影像匹配獲取同名點，因為匹配點具有唯一性，所以在同一個坐標系中同名點唯一存在。影像匹配點云數(shù)據(jù)包含著大量的語義信息和文理信息，并且此種匹配方法基于特征進行匹配，具體包括道路、建筑邊緣、斷裂線等邊緣信息，其他技術(shù)很難實現(xiàn)。除此之外，此種數(shù)據(jù)采集方式在匹配影像時，可以充分利用自身擁有的目標光譜信息RGB值，方便后續(xù)的點云數(shù)據(jù)處理。

（3）調(diào)繪補測與數(shù)字化成圖。南方CASS9.1是業(yè)內(nèi)最常用的數(shù)字化成圖編輯軟件，主要依靠三維點云數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)采集。如果一些影像無法精準判斷地物特征，則需要在現(xiàn)場進行補測，在QT Modeler軟件打開點云數(shù)據(jù)后可完成地形圖的高程點提取，如果發(fā)現(xiàn)地形出現(xiàn)較大變化，存在陡崖或者懸坡時，工作人員就可以適當增加高程點密度用來保證測量的精準度。如果被測區(qū)域被森林覆蓋，那么高程點在經(jīng)過現(xiàn)場測量后還需要進行內(nèi)業(yè)補充，最大程度的保證測量準確，然后即可將提取到的高程點輸入到南方CASS9.1編輯軟件中生成等高線，經(jīng)過后續(xù)內(nèi)業(yè)數(shù)字化成圖即可。

（4）外業(yè)檢查點精度分析。為評價低空無人機攝影測量精度，工作人員需要對成果質(zhì)量進行補測抽查。假設利用PTK測量的坐標值為真實值，所以可以用相對均方根誤差RMSE和平均誤差Mmean兩個指標來驗證無人機航測值的離散程度和精度，公式如下：

其中，n代表像控點數(shù)量，Xi代表無人機航測值，Yi代表地面實測值。

3.低空無人機在礦山大比例尺地形測繪中的實際應用

(1)工程概況

山西沁東能源有限公司東大礦井位于晉東煤炭基地晉城礦區(qū)沁水縣鄭莊鎮(zhèn)境內(nèi)；井田范圍117.2441km2，設計生產(chǎn)能力500萬噸/年，隸屬沁水縣鄭莊鎮(zhèn)、端氏鎮(zhèn)管轄。其地理位置為東經(jīng)112°21′34″-112°31′04″，北緯35°40′32″-35°49′49″。根據(jù)中華人民共和國國土資源部2018年2月12日頒發(fā)的采礦許可證，礦區(qū)范圍由6個坐標點的連線圈定，井田呈不規(guī)則六方形，長約13km，寬約9km，面積117.2441km2；開采深度140m至-280m標高。本井田位于太行山脈南端，山西省南部。地表總的趨勢為北高南底，最高點位于井田北端的閻家掌附近，高程+1081m，最低點位于井田南端沁河河床上槐莊附近，高程+566.2m，相對高差514.80m，屬剝蝕強烈的中低山-低中山區(qū)，區(qū)內(nèi)溝谷縱橫，多呈“V”字型、樹枝狀溝谷。本測區(qū)地物地貌較復雜，多山地，樹林覆蓋率達30%以上，地面起伏較大，最高處高程為950m，最低處高程為630m，最大高差超過300m，通行通視較困難。

(2)測區(qū)像控點和檢查點的布置及測量

①像控點和檢查點的選取及布置。像控點采用區(qū)域網(wǎng)布點方案，依據(jù)《低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》（CH/Z 3004-2010）規(guī)定：區(qū)域網(wǎng)的圖形宜呈矩形或方形；區(qū)域網(wǎng)的大小和像控點之間的跨度以能夠滿足空中三角測量精度要求為原則，主要依據(jù)成圖精度、航攝資料的有關參數(shù)及對系統(tǒng)誤差的處理等多因素確定。像控點和檢查點應均勻分布和覆蓋成圖區(qū)域，在飛行前，根據(jù)成圖范圍和空三加密需要，選擇像控點和檢查點的位置、確定像控點和檢查點的數(shù)量，本次共布設像控點和檢查點共34個。

②像控點和檢查點的施測。像控點和檢查點坐標測量利用山西省連續(xù)運行基準網(wǎng)及綜合服務系統(tǒng)（SXCORS），采用網(wǎng)絡RTK控制點測量方法，觀測時采用對中桿進行對中、整平，使用中海達iRTK5儀器采集像控點和檢查點的平面和高程（WGS84坐標），像控點和檢查點的外業(yè)采集精度誤差控制在0.01m以內(nèi)，滿足精度要求。

(3)1:2000地形圖編輯

本項目1:2000DLG數(shù)據(jù)采集采用MapMatrix 4.1航天遠景攝影測量工作站進行數(shù)據(jù)采集。將空三加密成果導出為MapMatrix格式，啟動MapMatrix導入加密成果，并自動建立立體像對。編輯軟件使用南方CASS9.1進行地形圖編輯，對原始采樣數(shù)據(jù)進行粗差檢查，以全數(shù)字測圖系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)為依據(jù)，依照調(diào)繪成果，各作業(yè)員按圖式和本設計書要求對數(shù)據(jù)進行整理及編輯。調(diào)繪資料采用的簡化符號，成圖改用正規(guī)符號。在本次航測中得到成圖點位誤差為0.7686m，高程誤差為0.647m，滿足1:2000地形圖的精度要求。

(4)空中三角測量

①作業(yè)流程。首先，資料整理。根據(jù)航線接圖表整理航攝影像，根據(jù)相片控制成果整理控制點成果，同時檢查相機檢校文件的完整性和一致性；其次，內(nèi)定向。對數(shù)碼像片，根據(jù)相機檢校文件自動進行內(nèi)定向，精度滿足《規(guī)范》要求；再次，相對定向。數(shù)學精度指標：連接點上下視差中誤差為2/3個像數(shù)，連接點上下視差最大殘差為4/3個像數(shù)，能夠滿足1:2000地形圖成圖要求；最后，絕對定向。進行像控點刺點，刺點片數(shù)大于6張，所刺點位均勻分布于測區(qū)的中心和四周，并完整覆蓋整個測區(qū)。

②空中三角測量檢查。檢查參數(shù)設定正確，點位選刺符合要求，相對定向結(jié)果滿足精度要求，絕對定向后，檢查基本定向點殘差、檢查點誤差、公共點較差在精度范圍內(nèi)，空三測量成果符合《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》（CH/Z 3003-2010）要求。

4.結(jié)論

綜上所述，將低空無人機航測技術(shù)應用在礦山大比例尺地形測繪中，可以極大程度的提高測繪精度并且降低測繪成本，因此我國相關部門也投入大量精力對無人機航測技術(shù)進行深入研究，希望可以進一步提高無人機航測的穩(wěn)定性，進一步擴展無人機的測繪領域，以此來推動我國測繪事業(yè)的長遠發(fā)展。