無人機(jī)航測在礦山地形數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用效果研究

李國強(qiáng)，張 林，李 力

（西藏自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質(zhì)大隊(duì)，西藏 拉薩 850000）

在礦山地形圖測繪當(dāng)中，對測繪圖的質(zhì)量整體要求比較高，若想進(jìn)一步提高礦山地形圖的測繪效率，就需要應(yīng)用無人機(jī)航測技術(shù)，無人機(jī)航測技術(shù)不僅有著較強(qiáng)的優(yōu)勢，而且也可以對礦山整體地形展開細(xì)致分析。就我國當(dāng)前無人機(jī)航測技術(shù)在礦山地形圖中的應(yīng)用情況來看，取得了非常長足的進(jìn)步，無論是從可行性上，還是從有效性上，都充分證實(shí)了無人機(jī)航測技術(shù)可以有效地描繪出礦山地形圖，但是在實(shí)際測繪的過程中，還存在著一些問題，通過進(jìn)一步優(yōu)化無人機(jī)航測技術(shù)，可以從根本上提高在礦山地形圖測繪中的應(yīng)用效率。

1 無人機(jī)航測的簡要概述

在3s技術(shù)的有效推動下，無人機(jī)航測已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)高分辨率航空攝影數(shù)據(jù)，并且通過處理這些數(shù)據(jù)，再結(jié)合圖像處理技術(shù)和定位技術(shù)，可以更有效的完成地形圖測繪工作。無人機(jī)航測技術(shù)的基礎(chǔ)就是無人機(jī)平臺，無人機(jī)平臺中結(jié)合了動態(tài)定位技術(shù)以及航空影像，攝影技術(shù)在高空工作時(shí)，可以對地形圖信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并且更加精準(zhǔn)地生成圖像數(shù)據(jù)，在整個(gè)圖像數(shù)據(jù)上傳的過程中，主要的應(yīng)用理念就是以高分辨率的真彩色數(shù)字影響作為基礎(chǔ)，再通過數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及軟件技術(shù)的支持，形成影像校正。從本質(zhì)上來說，無人機(jī)的飛行高度與地面分辨率存在正比關(guān)系，將這種系統(tǒng)應(yīng)用到無人機(jī)航測當(dāng)中，可以有效地測量出距離地面高度，但是，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中存在較大的誤差，這些誤差需要通過攝影測繪圖系統(tǒng)來修正。通過研究人員的實(shí)驗(yàn)分析，可以得出隨著飛行高度升高100m地面的分辨率會增加2.5cm，也就是說，當(dāng)無人機(jī)的飛行高度為1000m時(shí)，地面的分辨率為0.25m。除此之外，地面的起伏狀態(tài)也會引起投影誤差，這種誤差與像點(diǎn)位移存在關(guān)系，當(dāng)?shù)匦未嬖谄鸱鼤r(shí)，像點(diǎn)與垂直投影點(diǎn)之間會出現(xiàn)直線位移情況，當(dāng)無人機(jī)處于垂直拍攝狀態(tài)時(shí)，投影誤差和地面高度差形成正比和飛行高度成反比，針對這一情況，可以通過增加行高來解決地形起伏所導(dǎo)致的誤差。

2 影響無人機(jī)測量的因素

2.1 飛行控制技術(shù)對測量的影響

無人機(jī)航測技術(shù)針對礦山地形測繪圖進(jìn)行采集時(shí)，主要通過在空中飛行時(shí)采集地形數(shù)據(jù)，所以會受到空氣流動以及風(fēng)向等一系列因素的影響，如果控制人員沒有有效的降低這些因素的影響，就會導(dǎo)致飛行控制失效，也就極容易出現(xiàn)俯仰角以及翻滾角等一系列問題，甚至?xí)?dǎo)致無人機(jī)失去平衡，這不僅會影響到航測程序的推進(jìn)，而且也會影響到無人機(jī)攝影的質(zhì)量。若在拍攝過程中，無人機(jī)出現(xiàn)俯仰角情況，就會導(dǎo)致整個(gè)畫面數(shù)據(jù)失真，不僅會導(dǎo)致成像質(zhì)量較低的問題，而且也會導(dǎo)致本次航測失效[1]。所以技術(shù)人員的飛行控制技術(shù)對于影像質(zhì)量而言非常重要。

2.2 相機(jī)質(zhì)量對影像質(zhì)量的影響

相機(jī)質(zhì)量也會影響無人機(jī)的影像質(zhì)量，因?yàn)橄鄼C(jī)作為無人機(jī)重要的組成部分，它的質(zhì)量對于無人機(jī)整體航測影像的質(zhì)量會產(chǎn)生不容忽視的影響。就我國當(dāng)前無人機(jī)所搭載的相機(jī)來看，許多相機(jī)的加工與安裝精確度都不夠，色差較大，很容易出現(xiàn)影像變形的情況，而且有些相機(jī)的CCD芯片大小和分辨率非常低，這就會影響到無人機(jī)成像的清晰程度以及色彩的逼真性。除此以外，在無人機(jī)航測的過程中，數(shù)碼相機(jī)是會存在噪聲的，如果噪聲過大，也會導(dǎo)致圖像質(zhì)量降低的情況出現(xiàn)。

2.3 技術(shù)方案對影像技術(shù)的影響

技術(shù)方案對無人機(jī)測量精度也有著一定的影響，若想有效運(yùn)用無人機(jī)航測技術(shù)，那么首先就要制定出可行的技術(shù)方案。技術(shù)方案主要包括相片重疊度，相控點(diǎn)目標(biāo)選取等一系列要素，這些要素對于無人機(jī)航測精確度的影響非常大。尤其在礦山地形圖測繪當(dāng)中，由于礦山有地形起伏，所以對于相片重疊度的要求也就比較高，相片重疊度和基線之間成反比關(guān)系，相片重疊度越高基線的長度就越短[2]。除此之外，在技術(shù)方案設(shè)計(jì)過程中，如果無人機(jī)超出了特定的設(shè)計(jì)范圍，會顯示各個(gè)地區(qū)物品的交角變小，立體觀測效果與測量精度也會降低。

2.4 大氣條件對影像質(zhì)量的影響

無人機(jī)攝像成像效果也會受到大氣條件的影響，如若當(dāng)?shù)氐奈锵笾g光線比較差，就沒有獲得有效的影像反差，就很難高辨識度的識別地形客觀條件，而且在部分情況下，有些地區(qū)的太陽光線比較強(qiáng)，光部和暗部之間形成的色彩差異比較大，也會導(dǎo)致無人機(jī)攝影最終的影像質(zhì)量非常不好[3]。而且大氣污染程度以及大氣的光線都會影響無人機(jī)成像的質(zhì)量，在實(shí)際測量的過程中，技術(shù)人員一定要認(rèn)識到這一點(diǎn)問題，加強(qiáng)對于無人機(jī)的操作，確保無人機(jī)成像的精確性和準(zhǔn)確性，發(fā)揮出無人機(jī)航測的真正作用，得出較為全面的礦山地形測繪圖。

3 無人機(jī)航測在礦山地形數(shù)據(jù)采集中的優(yōu)勢

在我國礦山地形圖測繪方面，無人機(jī)航測技術(shù)屬于新興的技術(shù)和簡單的人機(jī)測量技術(shù)，相比較因?yàn)檫b控方式以及相機(jī)像素等問題的影響，導(dǎo)致了無人機(jī)的應(yīng)用范圍不會受到礦山地形的限制，所以也就在很大程度上節(jié)約了無人機(jī)測繪的技術(shù)和時(shí)間成本。

3.1 應(yīng)急性能好

無人機(jī)航測的一個(gè)主要優(yōu)勢就是應(yīng)急性能非常好，因?yàn)榈V山地形圖測繪工作是一項(xiàng)非常龐大且任務(wù)量繁重的工作，在測量過程中，由于意外因素的影響，很有可能會延緩測量進(jìn)度，若想能夠及時(shí)的解決意外事件，那么就需要測量方式，具有較強(qiáng)的應(yīng)急反應(yīng)能力。而無人機(jī)航測技術(shù)則剛好符合這一要求，人機(jī)航測技術(shù)會受到多種因素的局限，在發(fā)生意外事故時(shí)，沒有辦法積極有效的解決問題，就會增加礦山測量的成本，并且也會影響到工作人員自身的安全性，但是通過無人機(jī)航測技術(shù)的應(yīng)用，可以在最大程度上降低意外發(fā)生的概率所需要解決的問題，只有在無人機(jī)落地時(shí)要找到一塊平整的地面，這就在很大程度上降低了不必要的資金消耗和人員消耗。

3.2 作業(yè)周期短

無人機(jī)航測技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢就是他的作業(yè)周期非常短，因?yàn)闊o人機(jī)的飛行高度對作業(yè)周期有著非常重要的影響，很多無人機(jī)測繪都需要將飛行高度限制在1000m以內(nèi)，較短的高度不僅降低了無人機(jī)對飛行空域的需求，而且也沒有必要提交空域飛行申請，這就可以從根本上提高無人機(jī)測繪的運(yùn)行效率，對于無人機(jī)的工作有著非常大的幫助。在實(shí)際應(yīng)用的過程中，也可以降低很多不必要的工作阻礙，進(jìn)一步提高無人機(jī)的工作效率，縮短工作周期。

3.3 收集信息精準(zhǔn)

無人機(jī)的另一個(gè)優(yōu)勢就是他的數(shù)據(jù)非常精準(zhǔn)。傳統(tǒng)的測繪根本就不能夠進(jìn)入礦山負(fù)責(zé)危險(xiǎn)的區(qū)域當(dāng)中進(jìn)行測量，但是無人機(jī)航測可以有效的進(jìn)行探測，因?yàn)闊o人機(jī)上裝備的相機(jī)分辨率非常高，拍攝出來的影像也就更加清晰，所以，在礦山地形圖測繪當(dāng)中，所得的測量數(shù)據(jù)也就更加精準(zhǔn)，這不僅可以從根本上提高無人機(jī)的工作效率，而且對于礦山地形圖的測繪也有著很大的幫助。相較于其他測量方法而言，無人機(jī)航測在數(shù)據(jù)非常精確的基礎(chǔ)上，再結(jié)合3D建模等一系列計(jì)算方式，就可以得出礦山地形的基本框架，再加以相應(yīng)的補(bǔ)充，就可以得出完整的礦山地形圖。

3.4 操作方便

無人機(jī)的體型要比人機(jī)體型小很多，在航測水平上，也有著更大的優(yōu)勢，而且無人機(jī)的一個(gè)主要操作優(yōu)點(diǎn)就是非常方便。在整體的礦山測量工作當(dāng)中，相較于人機(jī)測量而言，無人機(jī)更加方便攜帶，而且無人機(jī)對于技術(shù)人員也沒有太高的操作要求，只需要經(jīng)過一段時(shí)間的培訓(xùn)就可以上崗使用，而且無人機(jī)的精確度也比較高，在其他方面也有著較強(qiáng)的優(yōu)勢，這也就使得在礦山地形圖測繪方面，無人機(jī)的應(yīng)用范圍要比人機(jī)大很多。

3.5 成本較低

無人機(jī)的主要操作方式是利用遙控器進(jìn)行操作，相較于人機(jī)測量而言，從設(shè)備成本上就要小很多，而且也減少了很多的人工成本，在礦山地形測量方面，利用人，其測量會耗費(fèi)大量的人力，物力就會造成資金大量消耗，并且還會對操作人員的生命安全造成一定的影響。但是通過無人機(jī)測量，則不存在這一問題，因?yàn)闊o人機(jī)測量的成本比較低，只需要工作人員站在地面上進(jìn)行操作即可，這也就可以在最大程度上保證工作人員的生命安全。

4 無人機(jī)航測在礦山地形數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用

4.1 確定礦山地形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

礦山地形圖測繪工作是礦山治理項(xiàng)目中非常重要的一部分，近年來，我國科技的發(fā)展也為礦山地形圖測繪工作提供了一個(gè)以科技作為中心的全新發(fā)展項(xiàng)目，通過無人機(jī)遠(yuǎn)程成像技術(shù)來完善礦山地形圖測繪的數(shù)字結(jié)構(gòu)，不僅可以從根本上提高數(shù)字結(jié)構(gòu)的精確程度，而且也可以進(jìn)一步降低工作人員在礦山地形圖測繪當(dāng)中的工作風(fēng)險(xiǎn)，不僅滿足了當(dāng)前時(shí)代發(fā)展背景，對于礦山地形圖測繪的要求，也可以促進(jìn)無人機(jī)航測技術(shù)的展開[4-9]。因?yàn)橥ㄟ^無人機(jī)來進(jìn)行地形圖測繪，可以更清晰地得出礦山地形圖的數(shù)字結(jié)構(gòu)，根據(jù)數(shù)字結(jié)構(gòu)展開一系列的計(jì)算以及建模工作，就可以得出完善的礦山地形圖。

4.2 確定無人機(jī)的基本航線

無人機(jī)技術(shù)在我國多個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中已經(jīng)有了非常廣泛的應(yīng)用，在礦山治理，地形圖測繪當(dāng)中也有著非常重要的影響。我國仍有部分地區(qū)還在使用最傳統(tǒng)的人機(jī)測繪，這不僅會帶來一定的安全隱患，而且從整體上工作效率也比較低，所以，礦山治理過程中，若想做好地形圖測繪工作，那么就要放棄以往的傳統(tǒng)模式，通過無人機(jī)航測劑來提高工作效率。技術(shù)人員要從無人機(jī)航線角度出發(fā)，測定出合適的航線，根據(jù)礦山的地形以及海拔范圍來使得整個(gè)測量工作更加準(zhǔn)確。

4.3 保持航測精確度設(shè)計(jì)

在礦山地形圖測繪當(dāng)中，應(yīng)用無人機(jī)航測可以更好地保持航測的精確程度。在航測精確度設(shè)計(jì)方面，要求測繪的精確度越高越好，只有這樣才能夠有效的進(jìn)行礦山治理的設(shè)計(jì)工作，而無人機(jī)航測技術(shù)的出現(xiàn)，可以滿足礦山航攝的這些要求，無人機(jī)測量的優(yōu)勢在于成像非常清晰，而且效率高，精確度也非常高，更加適合作為礦山治理項(xiàng)目的測繪方式。無人機(jī)航測能夠在較為惡劣的天氣環(huán)境下保持正常工作，并且還能夠保持一定的精確度，可以更好地符合當(dāng)前礦山治理的發(fā)展理念。

5 無人機(jī)航測在礦山地形數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用步驟

5.1 相機(jī)像控點(diǎn)布設(shè)

在開展無人機(jī)航測之前，首先要對鏡頭位置進(jìn)行有效規(guī)定，這一步驟稱為相機(jī)相控點(diǎn)布設(shè)。在相機(jī)相控點(diǎn)布設(shè)時(shí)，可以利用衛(wèi)星定位的方法來得到有效的布控效果，并且在做完一切的準(zhǔn)備工作后，需要專業(yè)人員安裝無人機(jī)，相機(jī)安裝完成后，還要進(jìn)行必要的檢查，確保相機(jī)的鏡頭處于可工作狀態(tài)，并且相機(jī)整體運(yùn)行正常，這不僅可以提高無人機(jī)測量的工作效率，也可以確保在工作室相機(jī)可以得到更加清晰的拍攝效果。相機(jī)像控點(diǎn)的布設(shè)對于整個(gè)無人機(jī)的拍攝而言非常重要，有效的布控點(diǎn)可以更好的完善礦山地形圖。

5.2 無人機(jī)攝影

無人機(jī)攝影是第二個(gè)步驟，無人機(jī)在攝影過程中需要安裝有效的定位系統(tǒng)，并且，定位系統(tǒng)可以更大限度地幫助無人機(jī)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)到達(dá)指定的布控地點(diǎn)進(jìn)行拍攝。在無人機(jī)開展拍攝工作前，一定要加大對無人機(jī)的調(diào)試，確保無人機(jī)的正常工作狀態(tài)，并且要排除周圍一切不良因素，對于無人機(jī)拍攝效果的影響，從根本上避免無人機(jī)拍攝不清晰的情況出現(xiàn)。

在攝影過程中，操作人員也要時(shí)刻觀察無人機(jī)的狀態(tài)，確保無人機(jī)能夠在保持自身安全性的基礎(chǔ)上完成測繪工作，并且將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X數(shù)據(jù)庫當(dāng)中。

5.3 處理正射影像圖

無人機(jī)航測在完成拍攝任務(wù)后，需要技術(shù)人員通過專業(yè)軟件生成幀攝影圖像，并且在正攝影圖像生成后要詳細(xì)處理各個(gè)方位元素，找出精準(zhǔn)的三維點(diǎn)，進(jìn)一步完善無人機(jī)航測的圖像，得出無人機(jī)航測繪制的地形圖。專業(yè)技術(shù)人員在處理正射影像圖時(shí)，主要的工作任務(wù)就是一定要保持影像圖的清晰，而且工作人員也要注意保持嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的態(tài)度，在保證圖像精準(zhǔn)度的程度上，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)一步完善，從而才能夠得出有效的礦山地形測繪圖，也就才能夠?yàn)楹罄m(xù)的礦山治理工作提供幫助。

5.4 可視模型制作

在無人機(jī)完成一系列數(shù)據(jù)的拍攝以后，就可以通過可視模型來分析礦山的三維圖像?？墒悄Ｐ偷闹饕獌?yōu)勢就在于專業(yè)人員可以更加直觀的了解到礦山的地形，并且對礦山周圍的人文環(huán)境以及區(qū)域環(huán)境進(jìn)行有效探究，對無人機(jī)的測量工作有著非常重要的意義?？墒?，模型不僅可以進(jìn)一步完善礦山地形測繪圖，對于后續(xù)的礦山治理工作，也有著非常大的幫助，所以技術(shù)人員一定要加強(qiáng)對于可視模型制作的重視程度，建立起有效的可視模型。

5.5 空三加密計(jì)算

專業(yè)人員在處理無人機(jī)航測完成后的測量數(shù)據(jù)時(shí)，需要用空三加密技術(shù)來進(jìn)行計(jì)算，通過將加密點(diǎn)的坐標(biāo)有效鑒定，再通過無人機(jī)航拍所得出的相片數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析，讓坐標(biāo)殘值保持趨近于零的絕對值。在礦山地形測量數(shù)據(jù)時(shí)，一定要及時(shí)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，降低數(shù)據(jù)出現(xiàn)差錯(cuò)的概率，而且在進(jìn)行加密計(jì)算工作時(shí)，工作人員可以利用平差等方式來減少外在因素，對于測量結(jié)果的影響，確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5.6 外業(yè)測繪與內(nèi)業(yè)測圖

外業(yè)測繪與內(nèi)業(yè)測圖一定要結(jié)合在一起，因?yàn)闊o人機(jī)航測技術(shù)在對礦山地形進(jìn)行航測的過程中，需要保持各個(gè)部分的細(xì)節(jié)都落到實(shí)處，這也就可以讓無人機(jī)取得更加精確的測量成果。但是這些得出的依據(jù)都是外業(yè)測繪，將測繪范圍內(nèi)設(shè)置的布控點(diǎn)作為基礎(chǔ)，通過更加專業(yè)化的方式來進(jìn)行計(jì)算，這屬于內(nèi)業(yè)測圖中的一部分，通過二者的有效結(jié)合，一旦出現(xiàn)差異較大的數(shù)據(jù)，可以及時(shí)利用無人機(jī)再次測量，這樣一來，也就可以從根本上提高無人機(jī)測量的精確程度，確保礦山測繪地形圖的準(zhǔn)確程度。

6 結(jié)語

飛行控制技術(shù)以及相機(jī)質(zhì)量﹑技術(shù)方案，大氣條件等都會對無人機(jī)的航測質(zhì)量造成影響，所以在實(shí)際應(yīng)用的過程中，一定要注意這些因素對無人機(jī)航測造成不利影響，無人機(jī)航測在礦山地形圖數(shù)據(jù)采集中有著應(yīng)急性能好﹑作業(yè)周期短，收集信息精確﹑操作方便﹑成本較低等一系列優(yōu)勢。通過有效應(yīng)用無人機(jī)航測，可以確定礦山地形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并且確保無人機(jī)的基本航線保持航測的精確度，在測量過程中，首先要進(jìn)行相機(jī)相控點(diǎn)的布設(shè)，其次，開展無人機(jī)攝影，然后處理正攝影圖像，制作可視模型，利用空三加密進(jìn)行計(jì)算，將外業(yè)測繪與內(nèi)業(yè)測圖聯(lián)系到一起。