無人機航測在礦山測繪中的運用分析

孫貞芳

（安徽省地質(zhì)測繪技術院，安徽 合肥 230022）

近幾年，科學技術的完善與應用為各行業(yè)智慧化發(fā)展提供了基礎保障，如何建立起科學技術與各行業(yè)之間的有效聯(lián)系，使多元化技術得到針對性、合理性的運用，便成為行業(yè)轉型階段重點考慮的內(nèi)容。礦山開采行業(yè)是國民經(jīng)濟的重要支柱，隨著時間的推移，開采難度逐漸加大，以往所使用開采方法已難以發(fā)揮出應有的作用，要想在保證開采安全的前提下，對礦山開采速度進行提升，關鍵是要有精準的測繪數(shù)據(jù)提供支持。將融合了無人機技術、GPS技術、圖像處理技術的無人機航測技術用于礦山測繪，可以最大程度保證測繪結果的準確性，其現(xiàn)實意義有目共睹。

1 礦山測繪中無人機航測技術應用流程與要點

1.1 礦山內(nèi)業(yè)測繪

要想對礦山內(nèi)部資源分布實際情況具有全面了解，關鍵是要對內(nèi)業(yè)測繪方案設計工作引起重視，先采集真實的地面?zhèn)让婕y理，再依托于先進技術統(tǒng)籌各類數(shù)據(jù)并搭建三維立體模型[1]。對傾斜攝影信息加以運用，可以將地物位置、外觀、高程等屬性真實地反映出來，使礦山測繪數(shù)值參數(shù)精確度得到大幅提升。

1.1.1 模型精度控制

為將真實的礦山面貌呈現(xiàn)于測繪人員眼前，需要先在內(nèi)頁處理系統(tǒng)創(chuàng)建一個空的區(qū)塊，再將相應的影像信息導入?yún)^(qū)塊中，結合事先探測得到的礦山地形條件信息、同機采集到的有關參數(shù)，對模型進行調(diào)整，從而獲得與礦山情況相符的仿真模型。另外，執(zhí)行空三加密前，盡可能建立起影像信息與控制點之間的聯(lián)系，為參考模型的搭建提供便利[2]。

1.1.2 搭建三維模型

為保證所搭建的三維模型能夠切實反映礦山的整體情況，應當對運行穩(wěn)定且功能齊全的網(wǎng)絡軟件加以使用。現(xiàn)階段，常用的建模軟件均強調(diào)先借助空三加密點對不規(guī)則的三角網(wǎng)TIN進行準確計算，整合計算結果，制作出白模的三維模型，確保測繪人員可以通過分析、觀察三維模型，找出航測影像中最合適的紋理，再執(zhí)行紋理的輸出工作，最后對實景模擬傾斜三維模型進行建立。測繪人員可以在該模型的幫助下，從不同維度觀察礦山整體地形地貌與內(nèi)部資源具體分布情況，這對后續(xù)工作的開展具有重大意義。

1.1.3 正射影像

待準備工作告一段落，應盡快提交空三任務，保證無人機航測技術的作用得到充分發(fā)揮?？杖用苡嬎憬Y束后，技術人員需要根據(jù)計算結果調(diào)整模型，確保模型精度能夠達到礦山測繪要求。隨后，再根據(jù)礦山測繪實際需要轉換數(shù)據(jù)格式，為后期模型搭建提供便利。

1.1.4 矢量化處理

矢量化處理能夠幫助測繪人員更加細致、全面地了解礦山整體風貌。為保證矢量化處理工作成效，需要將前期模型制作軟件所生成DOM和三維模型作為載體，將繪制的導圖上傳至EPS軟件中，再對導圖進行矢量化處理。在此基礎上，匯總所掌握數(shù)據(jù)，包括但不限于管線、水系、道路交通參數(shù)，劃分礦山內(nèi)部植被范圍，避免礦山開采作業(yè)破壞區(qū)域內(nèi)生物多樣性。此外，測繪人員還需要細致分析外業(yè)草圖并做好標記，在此基礎上，繪制準確的全要素地形圖，這對日后各項工作的開展同樣具有積極作用。

1.2 礦山外業(yè)測繪

1.2.1 航線規(guī)劃

礦山多位于偏遠山區(qū)，地形復雜，不利于傳統(tǒng)測繪工作的開展，即使測繪人員使用了無人機航測技術，仍然會受地勢條件的影響，導致地圖更新速度無法達到預期。為彰顯無人機航測技術的應用價值，需在測繪前科學規(guī)劃無人機飛行航線，采取飛行器定點的方式確定飛行范圍，針對不同位置設計相應的參數(shù)，以保證測繪效率。比如，結合現(xiàn)場實際情況，確定飛行高度、飛行時間、航線總長度等參數(shù)（如圖1所示）。

圖1 無人機飛行航線規(guī)劃

1.2.2 像控點布設

全方位測量圖像控制點，能夠大幅提高成圖精度。通常來說，在沒有特殊要求的情況下，只需按照統(tǒng)一的要求布設野外像片控制點即可，若待測繪礦區(qū)較小，則可酌情增加布控密度，保證測繪數(shù)值完整。在布設像控點時，還應做到以下幾點：一是盡量將像控點排放成三角形；二是使用油漆做好點位的標記工作，為無人機航測工作的執(zhí)行創(chuàng)設有利條件；三是為保證所采集數(shù)據(jù)具有良好的準確性、即時性，應將在較空曠或平坦的區(qū)域設立PPK基站，并科學設置文件名與采樣率，以此提高測繪數(shù)據(jù)精確程度。

1.2.3 執(zhí)行飛行計劃

待設計無人機飛行路線的工作告一段落，需在第一時間對無人機自動系統(tǒng)下達飛行指令，確保無人機能夠嚴格按照事先規(guī)劃的線路飛行。與此同時，憑借無人機航測技術自帶的精準校驗功能，動態(tài)化糾正采集到的數(shù)據(jù)信息，若發(fā)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)存在偏差，無人機將及時發(fā)布預警，由工作人員判斷數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差的原因并對該問題加以解決。無人機飛行過程中，操控人員可利用后臺控制系統(tǒng)跟蹤監(jiān)視無人機飛行情況，實時了解地面站有關信息，防范無人機發(fā)生故障，導致其作用無法得到充分發(fā)揮[3]。

1.2.4 外業(yè)草圖繪制

要想快速且準確地標注出與地形圖相關的各類要素，測繪人員應依據(jù)所掌握的信息繪制外業(yè)草圖，為精準測繪圖的設計提供參考。實踐經(jīng)驗表明，要想使草圖所具有參考、分析價值得到充分發(fā)揮，關鍵要保證圖紙涵蓋道路名稱、礦業(yè)企業(yè)名稱、村莊名、山名等信息，只有這樣才能使礦山位置以及待測區(qū)域的位置得到直觀展示。

2 礦山測繪中無人機航測技術實際運用

2.1 工程概況

礦區(qū)位于山體北段山間盆地，整體為中山山地地形，交通條件較差，測區(qū)內(nèi)種植有大量植被，無法利用傳統(tǒng)方法進行測繪。在對多方面因素加以考慮后，最終決定使用無人機航測技術對礦山西北方向的實際情況進行全方位勘測。測繪面積約15.56km2，測區(qū)整體呈長方形，寬為3677m、長為4225m，礦區(qū)走勢為中間高、南北低，最高、低海拔分別為1233m、913m。

2.2 測繪內(nèi)容

為達到航空數(shù)碼測繪礦山的目的，開展測繪工作前，先組織全體工作人員細致、全面分析測繪內(nèi)容，明確項目任務，并優(yōu)化設計礦山測繪方案。該階段需要完成以下工作：首先是按照1∶2000和1∶5000的比例尺制定數(shù)字線劃地圖，繪制礦區(qū)地形地質(zhì)圖與數(shù)字正射影像圖；其次是依托測繪作業(yè)對無人機航測所采集數(shù)據(jù)的時效性與精準性進行驗證；最后是使用的無人機型號為快眼Ⅱ型無人機，結合礦區(qū)現(xiàn)場情況科學布設測繪點，確保數(shù)據(jù)可靠、完整。完成測繪內(nèi)容規(guī)劃后，先借助三角測量自檢法對不同測繪點位置坐標綜合改正值進行準確計算，提高標定結果精確度，再將該數(shù)值用于測繪產(chǎn)品生產(chǎn)中，以此驗證并評估無人機攝影測量系統(tǒng)綜合測繪水平[4]。

2.3 航線設計

開展航測作業(yè)前，需先安排專業(yè)人員深入現(xiàn)場或使用先進測繪技術了解測區(qū)自然環(huán)境，包括測繪面積、不同區(qū)域海拔、地形地勢等，以所掌握信息為基礎，設計出科學的航線圖。圖紙中應包含航線分辨率、航高、方向與數(shù)量等信息，科學規(guī)劃航線，確保測繪期間無人機所采集參數(shù)精準且具有實際意義。本項目中，有關人員以現(xiàn)場情況為依據(jù)，提出打造9條航線的建議，將東西方向作為無人機行進方向，分辨率設置成18cm，航高為1068m。

無人機航測過程中主要采用自動航攝模式獲取航測區(qū)域影像信息，實踐經(jīng)驗表明，要想在保證影像質(zhì)量合格的基礎上，提高無人機航測效率，關鍵是要保證無人機與無人機操作人員之間不存在植物、山丘等外界干擾因素。如果現(xiàn)場環(huán)境較為復雜，無法杜絕外界因素對信號的干擾，則需要做好補測準備，以保證航測全面、準確，最大程度滿足數(shù)字高程模型構建需求。另外，影像攝取過程中，無人機攝像頭最佳位置為航測區(qū)域中心地帶，拍攝頻次維持在2min～3min一次。圖2為某區(qū)域數(shù)字正射影像圖，圖3為該區(qū)域的三維模型：

圖2 礦區(qū)數(shù)字正射影像圖

圖3 礦區(qū)三維模型

獲得正射影像圖和三維模型后，便可以利用軟件處理正射影像圖，生成相應的圖像文件及矢量文件，隨后，將TIF格式、DXF格式文件導入CASS進行處理，進而生成該區(qū)域的地形圖，如圖4所示：

圖4 礦區(qū)地形圖

2.4 地面控制

現(xiàn)行規(guī)定明確指出，地面控制不僅是內(nèi)業(yè)布點工作的一部分，更是礦山測繪的重要內(nèi)容，無論是以傳統(tǒng)技術手段為支撐的人工測繪方法，還是依托于先進技術的數(shù)據(jù)航測，均需依據(jù)礦區(qū)地形特點以及實際情況開展測繪點的科學布設工作。所有點位的設置均要將無測繪死角作為根本目標，保證航測覆蓋率達到100%。實際工作中，有關人員需要以測繪要求為依據(jù)，嚴格按照《1∶2000、1∶5000地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》所規(guī)定測繪標準，對地面控制進行布設。本工程共設置39個平高點，以現(xiàn)有無線數(shù)據(jù)播發(fā)網(wǎng)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡為載體，實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的實時傳遞與修正，由此保證點位布設的精確程度。此外，由于項目方未提出特殊要求，因此，本工程的高程基準與平面坐標系統(tǒng)分別采用1985國家高程基準和國家CGCS2000大地坐標系。

2.5 模型建立

礦山測繪中可利用Pix4Dmapper軟件構建三維模型，保證所構建模型可以滿足測繪分析需求。在構建模型之前，需要對無人機航測數(shù)據(jù)進行預處理，以提高無人機航測影像質(zhì)量。預處理流程如下：①篩選高精度影像②檢驗影像質(zhì)量是否符合相關規(guī)定③適當調(diào)整影響亮度。隨后，將經(jīng)過預處理的數(shù)據(jù)錄入Pix4Dmapper軟件中，按照“三維模型構建項目新建→像控點坐標添加→初始化處理→三維模型生成→文件處理”步驟操作，獲得最終結果。

2.6 空三加密

完成上述工作后，需要對成果精確度進行分析，對使用無人機航測技術的項目而言，精度分析的側重點有兩個，分別是采集精度評定分析、加密結果精度分析?，F(xiàn)階段，最常用的精度評定分析方法為空中三角測量法技術，使用的測量設備為數(shù)碼相機，本工程借助Inpho軟件進行空三加密，依托于軟件自身極強的粗差檢測能力以及平差計算功能，以待測礦山涵蓋的所有加密點地面坐標為基準，對影像的外方元素加以綜合考量，從而實現(xiàn)動態(tài)化、精確化分析結果精度的目的。另外，這一分析方法還具有以下優(yōu)點：只需要利用少量的控制點，便可保證分析結果準確[5]。

2.7 精度分析

成果精度分析強調(diào)將測量結果和通過計算確定的相應誤差、平差結果作為依據(jù)，對礦山測繪區(qū)域無人機飛行高度進行綜合分析，通過系統(tǒng)地檢測影像結果的方式，保證測繪數(shù)據(jù)準確。本次無人機航測過程中，工作人員計劃在航高200m、600m、1000m的條件下拍攝礦上A測區(qū)影像，測區(qū)面積約為1.2km2，現(xiàn)場共布置7個像控點，要求航向與旁向重疊度分別達到85%以上、75%以上。與此同時，利用全球定位系統(tǒng)定位測定105個A測區(qū)內(nèi)高差各異的地物點，根據(jù)全球定位系統(tǒng)測量結果、無人機航測數(shù)據(jù)處理結果，評價無人機航測成圖質(zhì)量。本次檢驗結果見表1：

表1 航高不同下地物點測量誤差分析

分析表1數(shù)據(jù)能夠發(fā)現(xiàn)，平面誤差會隨著航測高度的不斷增加而增大，高程誤差則隨著航測高度的增加而不斷減小，在200m～1000m的范圍內(nèi)，無人機航測對地物點測量的精度能夠滿足相關規(guī)定與需求。在對本次航測成果進行系統(tǒng)分析和檢校加密糾正后能夠發(fā)現(xiàn)，航測所獲得立體影像的繪制精度能夠滿足DLG1∶2000、DLG1∶5000的要求。除此之外，結合對比分析結果還能夠看出，無人機航測技術的精確程度遠高于衛(wèi)星系統(tǒng)，利用該技術測量1∶1000、1∶500的DLG，可進一步提高地面分辨率，使地面分辨率達到7.5cm、10cm。本項目中，工作人員選擇將該技術與全野外布點、區(qū)域網(wǎng)空三加密相結合，事實證明，這樣做能夠使測繪所得數(shù)值的精確性最大程度接近預期。但在實際應用的過程中，無人機航測技術的不足也逐漸顯露了出來，即無法保證高程測繪精度。未來，有關人員應對其功能進行深層次開發(fā)與完善，結合礦山不同測繪區(qū)域具體情況和地形地標，設計出多元化的航測方案，比如，適當擴大待測繪礦區(qū)立體影像的覆蓋區(qū)域，增加無人機飛行模式，實現(xiàn)對礦山整體情況的全方位測繪。綜上，與普通航測形式相比，無人機航測技術在礦山測繪中的應用優(yōu)勢更為突出。

3 結語

總而言之，新時期，將無人航測技術用于礦山測繪已經(jīng)成為大勢所趨。事實證明，在礦山測繪作業(yè)過程中合理運用無人機航測技術，充分發(fā)揮技術操作便捷、可視化程度高、成本低廉、測繪結果準確等優(yōu)勢，可以使礦山測繪效率與質(zhì)量得到大幅提高。要想凸顯該技術的應用價值，需要測繪人員做到以下幾點：首先是優(yōu)化無人機航測結構設計，明確技術操作流程與要點；其次是依托于測繪作業(yè)實際需要以及整體地形地貌，科學規(guī)劃無人機航線，確保設備穩(wěn)定運行；最后是設計切實可行的測繪方案，提高測繪作業(yè)的全面性及有效性，為后期礦山安全、高效開采提供可靠參考。