利用低空無人機攝影測量快速構建礦區線狀地物信息

張建勇，趙艷玲，肖 武，陳永春，李文順，田帥帥，王 鑫

(1. 中國礦業大學(北京)土地復墾與生態重建研究所，北京 100083； 2. 平安煤炭開采工程技術研究院有限公司，安徽 淮南 232001)

利用低空無人機攝影測量快速構建礦區線狀地物信息

張建勇1，趙艷玲1，肖 武1，陳永春2，李文順2，田帥帥1，王 鑫1

(1. 中國礦業大學(北京)土地復墾與生態重建研究所，北京 100083； 2. 平安煤炭開采工程技術研究院有限公司，安徽 淮南 232001)

礦區線狀地物是礦山生產建設的重要部分，狹長的形態特征和有限的測量人力限制了監測工作。低空無人機攝影測量具有響應快、周期短、精度高、易操作、成本低的特點，而且獲取數據內容豐富、可視性強，為礦區線狀地物的快速監測提供了可能。本文選取典型高潛水位井工礦區的線狀地物——以礦區專用鐵路和防洪堤壩為例，設計3個相對航高(50、75、100 m)作業方案，快速構建礦區線狀地物信息，評價模型結果的平面和高程精度，并檢驗了其可靠性，討論了無人機攝影測量的時間與效率的權衡問題。研究表明，低空無人機攝影測量可快速獲取礦區線狀地物的厘米級地形信息，具有較高的平面與高程精度，平面精度可達1∶500比例尺地形圖的要求，高程基本能滿足1∶1000比例尺制圖規范。植被覆蓋對模型高程值的精度影響顯著，模型內部的空間關系相對穩定可靠，經成本與效率的權衡后優選相對航高100 m為最優作業方案。礦區測繪可嘗試低空無人機與傳統測繪方法相結合的作業新模式，快速高效地獲取監測結果。

低空無人機；攝影測量；礦區線狀地物；制圖精度；作業方案

礦區線狀地物包括運煤公路[1]、專用鐵路[2]、橋梁[3]、堤壩[4]等，往往表現為帶狀狹長的形態特征，是服務于礦山生產建設的重要組成部分，監測其狀態與變化尤為重要。礦區線狀地物通常服務于單個礦山或部分礦區生產，依靠單個礦山投入有限的人力物力來維護和監測。一般而言，監測方法采用傳統的人工方法，沿線路目視巡檢，或采用全站儀、水準儀和GPS等設備沿線測繪，簡便易行、精確可靠，但監測數據多為點狀信息且耗時耗力；傳統航空攝影測量技術已在測繪制圖進行過大量實踐，但作業流程較復雜、成本較高；衛星遙感手段已在大尺度分析廣泛應用，但絕大多數監測的是平面變化[5]。因此亟需速度快、精度高且成本低的方法來革新監測工作。新興的低空無人機攝影測量技術具有響應快、周期短、精度高、易操作、成本低的特點，可獲取區域面狀信息，為快速采集目標信息提供可能[6-7]。近年來，高性能無人機平臺快速發展，搭載各類傳感器設備已經廣泛應用于測繪行業[7-10]。

礦區線狀地物的尺度較小，開采影響地表的變化顯著，需低成本、多頻次采集高精度數據。傳統方法不能很好地滿足監測需求。由于低空無人機平臺操作簡易、成本低廉，低空無人機攝影測量技術具有更加廣泛的市場接受度，但在礦區線狀地物監測方面的研究報道少見，作業精度和技術方案缺少進一步研究。因此，本文立足于礦區線狀地物監測，選用低空無人機攝影測量技術，設計3個相對航高多架次的航測任務采集數據，經過攝影測量和計算機視覺結合的方法實現三維重建，快速提取礦區線狀地物信息，評價和分析結果精度，為該項技術在礦區線狀地物監測提供保障。

1 研究方法

1.1 研究區概況

本研究區位于安徽省淮南市淮河北岸某大型煤礦。該礦位于我國東部平原區，人口密集、地面設施眾多，分布有礦區專用鐵路、防洪堤壩、省級公路、鄉村道路、農田干渠等各種線狀地物。該礦年產1240萬t，平均煤厚約20 m，具有煤層厚、分布集中和可采煤層多的特點，開采后沉陷范圍廣、沉陷深度大，形成大面積的積水區，是東部高潛水位礦區典型代表。本文選取該大型煤礦兩條線狀地物：礦區專用鐵路和沉陷區新的防洪堤壩東西相鄰的一段為典型研究對象，南北長約1300 m，東西寬約140 m。專用鐵路為煤矸石路基，僅有極為零星的灌草植被覆蓋，視為無植被覆蓋區；防洪堤壩除堤壩頂為土質路面外，側坡均種植黃豆等低矮作物、少量剛栽植的喬木和部分野草覆蓋，視為植被覆蓋區。礦區專用鐵路用于日常煤炭運輸，曾因鐵路不均勻沉陷導致運煤火車側翻的慘??；防洪堤壩是因采煤沉陷使原有河流堤防的抗洪能力下降而新建，監測其沉陷變形量以確保周圍村鎮和廠礦等的安全。

1.2 無人機平臺與載荷

近年來，低空無人機攝影測量的快速發展已成為衛星遙感和傳統攝影測量的有效補充手段[6,11]，最為常用的無人機平臺有固定翼和多旋翼。由于大疆無人機的卓越性能，本研究選用四旋翼無人機DJI Matrice 100平臺，以Zenmuse X3數碼相機為任務載荷，主要參數有：平臺最大載荷1.5 kg，最大飛行高度500 m；傳感器質量247 g，尺寸6.17 mm×4.55 mm，有效像素4000×3000，焦距3.6 mm，更加詳細的參數見官方網站http:∥www.dji.com/cn/matrice100。

1.3 航線設計與規劃

航測數據獲取于2016年8月初，當日天氣晴朗且無風。經現場踏勘后，參照低空數字航空攝影規范，確定重疊度(航向80%、旁向60%)，設計3個相對航高(50、75、100 m)采集影像。根據研究區的狹長分布和整體地勢平坦的梯臺狀特征，確定無人機的起降地點在地面較高點，航線規劃方向沿鐵路的走向。

1.4 輔助數據獲取

輔助數據主要是外業工作時布設地面控制點和檢核點。地面控制點的布設考慮其狹長特征和剖面形態，盡量均勻布設，按照規范安置地面點和十字標識。坐標測量采用儀器為南方S82型RTK-GPS，接入淮南礦區CORS網，共測量25個像控點和54個檢核點。

1.5 數據處理過程

運動恢復結構算法結合計算機視覺與攝影測量學原理[12]，可在缺少相機檢校參數和飛行姿態信息情況下，更好地將序列航測影像重建為三維模型，重構像點位置、相機內外方位元素和場景的三維模型，經地面像控點的絕對坐標實現數據校正[13]，甚至可免像控達到工程制圖要求[8]。許多此類軟件已被研究和驗證，包括Pix4D mapper和Agisoft PhotoScan等[11]。本文考慮以操作步驟簡潔和算法處理優質著稱的軟件Pix4D mapper，選11個像控點，通過初始化處理、點云和紋理、DSM和正射影像3步，輸入有限的約束條件可得高精度三維重建模型DSM和DOM，并且評價模型的精度。

2 結果分析

2.1 數據處理結果

本研究3組模型結果覆蓋面積均為45 hm2，空間分辨率分別為2.4、3.6和4.7 cm；經掩模提取的最終成果如圖1所示。模型結果的空間分辨率均達厘米級(優于5 cm)，包含豐富的細節信息，均滿足1∶500比例尺的DOM成圖分辨率要求(≤5 cm)。在2 h內完成3個相對航高的多架次航空攝影，相對于Landsat TM8、SPOT 6、GF-2的重訪周期16 d、4～5 d、5 d，體現了低空無人機攝影測量操作簡便、重訪周期短的特點；盡管傳統航空攝影測量時空分辨率滿足需求，但儀器設備精密、起降條件要求高等限制了其靈活應用。因此，對礦區小尺度的精準測繪而言，低空無人機攝影測量的優勢是航空、航天等對地觀測手段所無法比擬的。

圖1 數據處理結果DOM和DSM(以相對航高75 m為例)

2.2 平面精度的評價

Colomina[7]、沈永林[14]等研究表明，缺少控制點的模型誤差達米級，加入控制點的模型精度顯著提高，因此本文僅討論加入控制點后的模型精度。結合常見的礦區地圖比例尺，以及航攝大比例尺地形圖精度與成圖DOM地面分辨率的要求，本文選取其余14個像控點為平面位置真實值，分析成圖分辨率、坐標誤差值和均方根誤差，將平面點位坐標誤差按坐標對展到坐標系，如圖2所示。就平面誤差最值而言，3種情況的最大值為0.150 m，最小值為-0.164 m；就平面點位中誤差而言，相對航高50 m的為0.105 m，相對航高75 m的為0.108 m，相對航高100 m的為0.119 m。因此，3種相對航高的結果均符合規范中1∶500比例尺的平面精度限差(≤0.175 m)，本技術方法可用于大比例尺正射影像制圖。

2.3 高程精度的評價

已有學者討論了低空無人機測繪的制圖精度，經三維重建的模型高程精度較差，特別是在地表覆蓋為植被、水域等時候的誤差顯著偏大[11]。因此本研究根據植被是否覆蓋劃分為兩類來討論，包括植被覆蓋區37個點和無植被覆蓋區17個點，以RTK實測54個高程檢核點進行統計和分析，結果見表1。研究表明，3個批次的點位高程中誤差均小于0.28 m，滿足1∶1000大比例尺制圖要求(≤0.28 m)。此外，整體上無植被覆蓋區(堤壩西側)的精度優于植被覆蓋區(堤壩東側)，西側的高程點位中誤差顯著優于東側，植被覆蓋區的誤差值均偏大。在無植被覆蓋區，相對航高50 m制圖可達到1∶500比例尺制圖要求(≤0.15 m)，另兩種航高的成果可實現1∶1000及更小比例尺制圖(≤0.28 m)；在植被覆蓋區，不能滿足礦區常見比例尺的測繪精度。這佐證了已有學者的研究結論：即是由于低空無人機攝影測量獲取了植被頂部的高程信息，而實際測量的是植被根部的地表高程所致。此方法在植被覆蓋區的測繪制圖精度不足，可考慮激光雷達等技術方法快速獲取更精準的高程信息。

圖2 平面點位坐標誤差的分布

表1 高程點的誤差值統計 m

2.4 模型可靠性的檢驗

三維模型的相對精度是討論其精確度和準確性，計算模型內部各標識點之間的相對長度誤差，以此檢驗模型的可靠性與穩定性[14]。本研究有實地測量的標識點14個，總共構成線段91段，計算結果如圖3所示。每條線段在3個相對航高的相對長度誤差幅度基本一致，均在4‰以內；且相對長度誤差值分布在[-1‰，1‰]之間均在64%以上(58/91)，因此模型內部的空間位置與關系相對穩定可靠。經計算上述誤差值的標準差可知，相對航高75 m的模型最為可靠(標準差為0.480)，相對航高50 m的模型可靠性次之(標準差為0.556)，相對航高100 m的模型相對而言最差(標準差為0.592)。

圖3 模型三維重建的相對長度誤差情況

2.5 成本-效率權衡分析

與傳統測量方法相比，低空無人機攝影測量成果豐富，優勢明顯且潛力巨大。相對航高、航攝重疊度和地面控制點分布是影響精度的主要因素[15]。相對航高易于操控實施，直接影響到作業效率、空間分辨率與精度。因此，本文僅討論最佳相對航高的作業方案，匯總了3個相對航高任務的多項信息(見表2)，包括影像張數、占用內存量、外業架次、內業處理時間和空間分辨率等。隨著相對航高的增大，所獲取的影像數量和所占用內存顯著減少，所需的外業任務架次也相應減少，內業處理時間也近乎成倍減少，而制圖的空間分辨率也呈現倍數幅度的降低。外業任務應考慮低空無人機攝影運動模糊的成像問題，相對航高越低則所要求的光照條件越苛刻，以較慢速度飛行保證足夠的曝光度而不致成像模糊。

表2 不同相對航高成果信息比較

*外業任務架次以每塊智能電池允許安全飛行的放電時間為限，本例為20 min/架次。

綜上所述，優選100 m為最佳的相對航高，滿足線狀地物1∶1000測圖比例尺的監測要求，能夠快速完成外業和內業工作，實現快速覆蓋大面積的制圖需要。本研究僅連續作業幾小時，即可獲取45 hm2線狀地物的平面與高程信息，與傳統儀器的作業方式相比得到顯著改善；通常礦山企業測量部門的人員少、任務重，本作業僅需要1～2名人員即可，能夠極大地提升工作效率。

3 結論與討論

本研究在分析礦區線狀地物測繪問題基礎上，設計3個相對航高(50 m、75 m、100 m)的低空無人機攝影測量任務，快速構建礦區線狀地物信息，分別評價了模型結果的平面和高程精度，討論了無人機攝影測量的時間與效率權衡問題，得到如下結論：

(1) 通過3個相對航高的試驗方案，經運動恢復結構算法快速構建了厘米級的礦區線狀地物信息，包括了大量細節信息的數字正射影像和精細地表形態的數字表面模型等，驗證了此方法可行，為今后礦區線狀地物的監測提供數據保障。

(2) 討論了低空無人機攝影測量成圖的平面與高程精度，與相對航高呈反相關。此方法平面制圖精度可滿足礦區大比例尺的要求，在無植被覆蓋區可滿足1∶1000及更小比例尺的高程制圖規范。植被覆蓋對高程精度的影響顯著，有、無植被覆蓋區域的高程中誤差分別優于0.485、0.09 m。這為今后設計測區任務提供借鑒，為進一步提高模型精度揭示了難點。

(3) 借助少量地面控制點和無人機平臺可快速構建礦區線狀地物模型，且模型可靠性高。不同相對航高結果的相對線段長度誤差均在[-1‰，1‰]達64%以上。

(4) 無人機攝影測量可以快速高效采集地表信息，相對航高是易于控制和改變的制圖精度影響因素。經過成本和效率的權衡分析，本研究優選100 m為最佳相對航高的作業方案。

與傳統作業方法相比，本方法極大地提高了作業效率，在很大程度上提高了成圖精度，而且成本低、采集信息多、輸出成果豐富，是礦區線狀地物監測值得選用的新方法，可為快速監測提供有力的技術保障。但本研究選取的礦區線狀地物南北僅長約1 km，僅討論了3個相對航高方案，今后可針對更長地物驗證更多的試驗方案，以確定提高作業效率的最佳方案。本文雖然采用消費級無人機存在諸多不足之處，但可用低空無人機大面積采集地物信息，局部異常信息區輔以全站儀、激光雷達等測繪技術，實現多種方法優勢緊密結合的礦區作業新模式，以實現快速、高精度地構建礦區線狀地物信息，監測異常情況并及時處理的快速作業方式。

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RapidConstructionofMineLineInfrastructureUsingLow-altitudeUnmannedAerialVehiclePhotogrammetry

ZHANG Jianyong1，ZHAO Yanling1，XIAO Wu1，CHEN Yongchun2，LI Wenshun2，TIAN Shuaishuai1，WANG Xin1
(1. Institute of Land Reclamation and Ecological Restoration，China University of Mining and Technology (Beijing)，Beijing 100083，China; 2. Ping’an Coal Mining Institute of Engineering Technology Co. Ltd.，Huainan 232001，China)

Mine line infrastructure is an important part of production and construction for mining.It is restricted to effectively monitor by elongated features and limited surveying employees.Low-altitude unmanned aerial vehicle(UAV) photogrammetry has a series of characteristics，such as rapid response，short revisit，high accuracy，easy operation and low cost，which makes it possible to rapid monitoring of mine line infrastructure.This paper takes the line infrastructure from typical high-groundwater area of underground mine as example，including special railway of mine and controlling-flood dam，designs three experiments of flying altitude (above-ground-level：50，75，100 m)，rapidly rebuild the model of mine line infrastructure，evaluates both horizontal and vertical accuracy of models，tests the reliability of models，and discusses the trade-off of cost and efficiency for UAV photogrammetry.The results show that low-altitude UAV photogrammetry can effectively construct the terrain of mine line infrastructure for centimeter-level，model accuracy could meet the requirement the large scale of 1∶500 in horizontal level and 1∶1000 in vertical level，respectively.Vegetation coverage has an evident influence on elevation values of model，and spatial relation of models is reliable.It proposes that 100m of above-ground-level is an ideal choice after trade-off of cost and efficiency.Therefore，it should combine strengths of UAVs with traditional methods to provide a strong guarantee for rapid monitoring of mine line infrastructure.

low-altitude UAV；photogrammetry；mine line infrastructure； mapping accuracy；experiment program

張建勇，趙艷玲，肖武,等.利用低空無人機攝影測量快速構建礦區線狀地物信息[J].測繪通報，2017(10)：106-110.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0325.

2017-03-05；

2017-05-26

采煤沉陷地綠色綜合治理與生態修復關鍵技術(2016ZDJS11A02)

張建勇(1989—)，男，博士生，主要從事3S集成及礦區應用研究。E-mail: zjy_xkd@126.com

P23

A

0494-0911(2017)10-0106-05