無人機(jī)技術(shù)在礦山測繪中的應(yīng)用研究

李琦

（華北地質(zhì)勘查局綜合普查大隊(duì)，河北三河 065201）

1 引言

礦產(chǎn)資源開發(fā)中無人機(jī)技術(shù)得到廣泛運(yùn)用，并發(fā)揮著不可替代的作用，能有效提升礦山測繪的精準(zhǔn)性，為礦山開采、治理等工作提供可靠支持。新時期在礦山開采中要科學(xué)運(yùn)用無人機(jī)技術(shù)，為礦山測繪工作的有效開展提供支持。本文結(jié)合工程案例，對無人機(jī)技術(shù)在礦山測繪中的應(yīng)用流程進(jìn)行深入探究。

2 無人機(jī)技術(shù)

無人機(jī)技術(shù)主要是在任務(wù)機(jī)中搭載高分辨率的遙感影像攝影系統(tǒng)，對空中及地面進(jìn)行精準(zhǔn)、高效率的拍攝與訪問，同時還具備監(jiān)控、自動壓縮、圖像智能化處理等各項(xiàng)能力。無人機(jī)主要是由以下幾個部分組成：（1）無人駕駛飛行器。該部分是由飛行平臺、空中系統(tǒng)等組成[1]。（2）傳感器。所使用的相機(jī)為5D Mark Ⅱ定焦數(shù)碼相機(jī)，像素達(dá)到2100 萬。（3）飛行空中系統(tǒng)。自動駕駛儀UP30 為飛行空中系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由飛行員的集成GPS 接收機(jī)、壓力與速度傳感器等組成。（4）地面監(jiān)控系統(tǒng)與遠(yuǎn)程控制。主要是由便攜式工作站、飛行器控制軟件等組成。無人機(jī)技術(shù)在礦山測繪中的應(yīng)用優(yōu)勢顯著，主要表現(xiàn)為：操作周期短、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度高；操作簡單方便，節(jié)省成本。無人機(jī)技術(shù)作為新型技術(shù)，在礦山測繪中發(fā)揮著重要作用，在了解礦山地形地貌等實(shí)際信息方面發(fā)揮重大作用。

3 案例概況

某礦山位于我國西北部，屬于露天礦，礦產(chǎn)公司為對工作量進(jìn)行核算，需對排土場進(jìn)行土方測量。但是傳統(tǒng)的GNSS RTK 測量方式，不僅效率低下，危險(xiǎn)性較高，而且一般需要組建3 人小組連續(xù)工作1 周完成測量任務(wù)。所以礦山公司最終決定使用無人機(jī)測量，將礦山測繪周期縮短為1 d，且能對測量數(shù)據(jù)誤差進(jìn)行有效控制。本文對該項(xiàng)目案例中無人機(jī)技術(shù)的有效應(yīng)用進(jìn)行介紹。

4 無人機(jī)技術(shù)在礦山測繪中的應(yīng)用流程

測量前礦產(chǎn)公司對測量項(xiàng)目的難點(diǎn)進(jìn)行明確，由于測量時期為初春，項(xiàng)目所在區(qū)域風(fēng)力較大，測量區(qū)域高低起伏較大，且由于春季風(fēng)沙大，在風(fēng)沙影響下對無人機(jī)防護(hù)要求較高。所以在了解測量難點(diǎn)后，結(jié)合實(shí)際情況制定下面的應(yīng)用流程[2]。

4.1 選擇無人機(jī)系統(tǒng)

在礦山測繪中選擇的無人機(jī)系統(tǒng)為mdLiDAR1000 無人機(jī)掛載激光雷達(dá)套裝，具有較高的集成性，以md4-1000 為飛行平臺，在無人機(jī)上搭載激光雷達(dá)傳感器與相機(jī)，型號分別為SICK LD-MRS4 與FLIR 5MP Global Shutter， 而且還配有APX-15 UAV 慣導(dǎo)單元。LiDAR1000 無人機(jī)的測量工作流程比較簡單，具體見圖1。無人機(jī)系統(tǒng)所使用的技術(shù)為LiDAR；可交付成果為點(diǎn)云與DSM；精度為10 cm；DSM 網(wǎng)絡(luò)中觀測點(diǎn)布置間隔為10 cm；數(shù)據(jù)在1 d 內(nèi)完成收集；坐標(biāo)參照系為CTRF2000；投影為CGCS2000CM111E；垂直參考基準(zhǔn)為橢球高/ 大地高。

圖1 Li DAR1000 無人機(jī)的測量工作流程

4.2 明確無人機(jī)遙感操作流程

1）收集整理資料。接到任務(wù)后工作人員需對調(diào)查的任務(wù)與目標(biāo)進(jìn)行全面細(xì)致分析，最終確定飛行平臺與遙感設(shè)備，結(jié)合當(dāng)?shù)靥鞖鉅顩r選擇最佳時間開展測繪工作。

2）選擇起飛場地。在礦區(qū)周圍選擇最佳無人機(jī)起落場地，場地要保證無人與開闊，能為無人機(jī)的安全起飛與落地提供支持，且能為飛機(jī)機(jī)載設(shè)備的安全性提供保障[3]。

3）設(shè)計(jì)飛行方案。通過飛行方案的科學(xué)設(shè)計(jì)，能縮短飛行時間，提升測繪效率。要求工作人員能對目標(biāo)區(qū)域位置、面積等基礎(chǔ)信息進(jìn)行了解，對飛行效率予以考慮，保障無人機(jī)能全部覆蓋目標(biāo)區(qū)域。

4）機(jī)載飛行控制系統(tǒng)檢查。優(yōu)良的機(jī)載裝備是確保遙感飛行質(zhì)量的關(guān)鍵所在，要求在無人機(jī)起飛前與落地后，要對飛機(jī)的各個零部件、設(shè)備及系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)致檢查，確保無人機(jī)的安全性與可靠性。

5）飛行質(zhì)量和影像質(zhì)量檢查。無人機(jī)在飛行結(jié)束之后，需對飛行質(zhì)量及獲得的遙感影像質(zhì)量進(jìn)行細(xì)致檢查，確保原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量，為后期數(shù)據(jù)處理提供保障。無人機(jī)在航攝期間，會受到高空氣流、飛機(jī)重量的影響，導(dǎo)致飛行會偏離航線，所以需要在檢查期間，確定檢查重點(diǎn)為相片重疊度、傾角等[4]。

4.3 航線和控制點(diǎn)設(shè)計(jì)

無人機(jī)礦山測繪中航線設(shè)計(jì)屬于基礎(chǔ)性工作，會對測量質(zhì)量產(chǎn)生極大影響。在測繪期間測繪人員需了解礦山的面積、地貌等不同內(nèi)容，由于礦山面積較大，需將礦山劃分為小區(qū)域，然后分區(qū)域進(jìn)行測繪[5]。為確保測繪質(zhì)量，需結(jié)合礦山實(shí)際情況，對空中航線進(jìn)行合理規(guī)劃，為避免無人機(jī)測繪留白，需設(shè)計(jì)旁向重疊度與航向重疊度，將無人機(jī)航線標(biāo)明。無人機(jī)的精準(zhǔn)飛行會受到地面像控點(diǎn)的影響，所以像控點(diǎn)布置需均勻合理。測繪人員需嚴(yán)格遵循1∶1 000 地形圖航空攝影測量領(lǐng)域的代碼要求，在礦區(qū)測繪領(lǐng)域開展網(wǎng)絡(luò)布局，為避免在地面區(qū)域留有死角，要求按照礦山地形野生刺外觀進(jìn)行操作。根據(jù)露天礦山的地形等各項(xiàng)情況，生態(tài)修復(fù)范圍能有效獲取，并能將其生成飛行航線。在飛行高度設(shè)計(jì)時要對飛行面積、時間等進(jìn)行綜合考慮，確保具有較高對地面分辨率，要求飛行高度、航向重疊率、旁向重疊率、平均地面分辨率分別為200 m、80%、60%、10 cm。

4.4 像控點(diǎn)測量要求

在礦山礦區(qū)內(nèi)設(shè)置的有效E 級控制點(diǎn)為6 個，以這6 個點(diǎn)作為控制測量的起算數(shù)據(jù)。但是控制點(diǎn)布設(shè)不均勻，需對控制點(diǎn)進(jìn)行加密處理，使用GPS 靜態(tài)觀測的方式，并對網(wǎng)平差有具體要求。要求衛(wèi)星高度角≥15°，有效觀測衛(wèi)星數(shù)≥4；平均重復(fù)設(shè)站數(shù)≥2，采用時長為45 min、數(shù)據(jù)采樣間隔為15 s；要求點(diǎn)為結(jié)合圖形強(qiáng)度因子＜6。完成控制點(diǎn)加密工作后，使用GPS-RTK 在測區(qū)內(nèi)測量像控點(diǎn)坐標(biāo)，為確保GPS-RTK 動態(tài)觀測的可靠性與精準(zhǔn)性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溄樱跍y區(qū)高程較大的地區(qū)架設(shè)基準(zhǔn)站。測量期間，為保證數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度，需將平面點(diǎn)位誤差、高程點(diǎn)位誤差分別控制在5 cm、10 cm 以內(nèi)。

4.5 空中三角加密處理

無人機(jī)技術(shù)在礦山測繪中的應(yīng)用，能有效縮短數(shù)據(jù)測量時間，提升測繪效率。但是由于礦山地形地貌相對比較復(fù)雜，且在礦山上長有植被，會影響測繪質(zhì)，當(dāng)留白比較嚴(yán)重時測量精準(zhǔn)度就會下降。所以為提升測量精準(zhǔn)度，在這種區(qū)域進(jìn)行測量時可以通過空中三角加密的方式予以處理。影像方位是空中三角加密的基礎(chǔ)，要求通過數(shù)據(jù)計(jì)算與預(yù)測。

4.6 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

為提升數(shù)據(jù)處理的精準(zhǔn)度與處理效率，本項(xiàng)目中所選擇的軟件為Sart3D Captuer，Sart3D Captuer 也叫作“CC”，能快速完成三維建模，將高密度點(diǎn)云生成，對礦山進(jìn)行真實(shí)還原。

POS 文件中在原始數(shù)據(jù)中以文檔的格式存在，要將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Execl 表格中。（1）打開軟件，新建工程目錄；（2）添加圖片，做好檢查；（3）添加相片控制點(diǎn)，控制點(diǎn)需在相片上選擇；（4） 在軟件中進(jìn)行空三運(yùn)算；（5） 分模塊處理所拍攝的影像；（6）確定輸出格式與坐標(biāo)系統(tǒng)；（7）完成建模。

4.7 成果圖件輸出

在礦上測繪中通過無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，能有效縮短外業(yè)數(shù)據(jù)采集周期，提升數(shù)據(jù)采集效率。無人機(jī)在對礦山進(jìn)行航拍期間，采集的信息比較多樣，如地形、建筑物等各類信息，數(shù)據(jù)處理成為無人機(jī)航拍中的要點(diǎn)與難點(diǎn)。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理比較常見的方式為影像拼接和像控點(diǎn)聯(lián)測。在完成數(shù)據(jù)初步處理后，在繪圖軟件中導(dǎo)入數(shù)據(jù)，然后通過軟件處理就能進(jìn)行采編，將成果圖件輸出。

4.8 質(zhì)量要求

4.8.1 無人機(jī)圖像獲取

無人機(jī)的影像質(zhì)量將直接影響后期數(shù)據(jù)處理及結(jié)果輸出的整體效果，為確保影像獲取的精準(zhǔn)性，要求做好以下工作。

1）攝影分區(qū)。保證分區(qū)接線與圖廓線保持一致；在測繪期間對于不同測區(qū)的高差需合理控制，一般需控制在0.25 倍相對航高以內(nèi)；航攝分區(qū)的跨度需劃大，并對加密方法和布點(diǎn)方案進(jìn)行綜合考慮。

2）航向敷設(shè)。一般情況下飛行方向?yàn)闁|西走向，當(dāng)無法滿足東西走向時，可以設(shè)置為沿河流、境界等方向；當(dāng)航線內(nèi)有水域時，需避免像主點(diǎn)為在水域中。

3）飛行質(zhì)量控制。在無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展期間，各類先進(jìn)攝影設(shè)備、感應(yīng)設(shè)備能搭載在無人機(jī)上，且這些設(shè)備的體積較小，精準(zhǔn)度更高，操作更加便捷，所以要求在做好無人機(jī)飛行質(zhì)量控制，保證圖片清晰，無云遮擋。具體要求為：相片旋轉(zhuǎn)角、整條航線的完全度需分別控制在15°以內(nèi)、1.5%以內(nèi)。

4.8.2 相機(jī)檢校文件

無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)的處理并不難，參數(shù)檢校可以通過已知點(diǎn)與目標(biāo)的像點(diǎn)建模，獲得圖像的幾何參數(shù)，讓影響與目標(biāo)地物建立起對應(yīng)關(guān)系。檢校的主要內(nèi)容有主點(diǎn)位置測定、光學(xué)畸變系數(shù)測定、偏心常數(shù)測定、成像分辨率測定等。對于這些數(shù)據(jù)信息的測定，是要確保二維影像信息得到三維空間信息。

4.8.3 攝影測量常用的坐標(biāo)系

攝影測量時常使用的坐標(biāo)系主要包括：（1）像平面坐標(biāo)系O-XY。像平面坐標(biāo)系為平面內(nèi)的直角坐標(biāo)系，位置坐標(biāo)可以通過像點(diǎn)表示，確定中心點(diǎn)、攝影方向與平面度交點(diǎn)、航線分別為S、O、X 軸。（2）像空間坐標(biāo)系S-XYZ。像點(diǎn)的空間位置可以使用像空間坐標(biāo)系表示，坐標(biāo)原點(diǎn)（投影中心）、相機(jī)的主軸分別為S、Z 軸，X 與Y 互相垂直，這樣攝影機(jī)的主軸長在坐標(biāo)系內(nèi)Z 軸。（3）攝影測量坐標(biāo)系A(chǔ)-XYZ。對測量過程中模型點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行描述時所使用的坐標(biāo)為攝影測量坐標(biāo)，坐標(biāo)原點(diǎn)為地面點(diǎn)A，XYZ 軸為空間輔助坐標(biāo)系平行。

5 結(jié)語

無人機(jī)技術(shù)在礦山測繪中的應(yīng)用是時代發(fā)展的產(chǎn)物，對礦山開采、治理等都具有重要意義。在無人機(jī)技的應(yīng)用過程中，要求能合理選擇無人機(jī)系統(tǒng)、明確無人機(jī)遙感操作流程、明確像控點(diǎn)測量要求、空中三角加密處理等各個環(huán)節(jié)的細(xì)節(jié)控制。無人機(jī)技術(shù)在發(fā)展過程中會向自動化、智能化、輕便化方向發(fā)展，提升測繪數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度，滿足測繪要求。