基于低空遙感的礦山地質(zhì)數(shù)字化測量技術(shù)研究

施金濤

（蘭州大學(xué)，甘肅 蘭州 730000）

礦山地質(zhì)數(shù)字化測量的主要目的是獲取建設(shè)數(shù)字化礦山所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、大比例地形圖以及全方位三維景觀圖等影像資料。而無人機(jī)低空遙感技術(shù)在礦山地質(zhì)數(shù)字化測量中的應(yīng)用，有效降低了測量成本，同時獲取的各項數(shù)據(jù)相較大型飛機(jī)的航拍數(shù)據(jù)要精準(zhǔn)[1]。當(dāng)前無人機(jī)自動駕駛技術(shù)十分成熟，隨著低空遙感技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，無人機(jī)低空遙感技術(shù)在礦山地質(zhì)數(shù)字化測量中的應(yīng)用越來越廣泛，在大比例地形圖編輯以及礦山影像攝制方面具有明顯優(yōu)勢。

1 無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)簡述

1.1 無人機(jī)低空遙感的技術(shù)特點

（1）快速響應(yīng)。無人機(jī)低空遙感技術(shù)自成功開發(fā)以來，在我國諸多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，尤其在我國各種工程測量、土地測量以及礦山測量等領(lǐng)域。由于無人機(jī)具備操作簡單、響應(yīng)迅速、申請空域方便等特點，同時其在工作準(zhǔn)備階段的用時非常短，而且受惡劣天氣因素的影響程度較低。無人機(jī)低空遙感在測量領(lǐng)域所具備的優(yōu)勢在于其能夠在接到相關(guān)操作指令后快速響應(yīng)，到達(dá)測量區(qū)域后可以獨立完成測量工作，具有很高的工作效率[2]。

（2）高分辨率影像資料獲取能力。無人機(jī)低空遙感技術(shù)應(yīng)用在測量領(lǐng)域，能夠通過自身搭載的多波段傳感器對需要測量的地區(qū)完成全方位的高清影像資料攝制，同時還具備針對特殊測量目標(biāo)進(jìn)行檢測的能力。無人機(jī)低空遙感測量所拍攝的目標(biāo)影像資料具有較高的分辨率，在高精度測量領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[3]。

（3）無人機(jī)維護(hù)保養(yǎng)容易且成本低廉。相較于載人航拍，無人機(jī)低空遙感在測量領(lǐng)域的應(yīng)用成本較低，具有很高的性價比，同時無人機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)較為容易，在測量領(lǐng)域的應(yīng)用價值較高。

（4）無人機(jī)低空遙感的數(shù)字產(chǎn)品呈現(xiàn)多樣化趨勢。無人機(jī)低空遙感技術(shù)應(yīng)用礦山地質(zhì)數(shù)字化測量技術(shù)中，能夠充分體現(xiàn)其數(shù)字化的優(yōu)勢。無人機(jī)低空遙感測量過程中，可以搭載數(shù)字高程模式、擁有高清數(shù)字影像拍攝功能，能夠完成礦山三維景觀圖以及數(shù)字景觀圖的獲取，在一些測量面積較大的領(lǐng)域，無人機(jī)低空遙感技術(shù)可以將幾十平方公里的高清影像有效連接，從而獲取測量區(qū)域的全景影像圖或三維影像圖。

1.2 無人機(jī)低空遙感技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

（1）應(yīng)急測繪領(lǐng)域。無人機(jī)低空遙感技術(shù)目前在我國應(yīng)急測繪領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛，尤其是頻繁發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的地區(qū)，這類地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)測繪工作具備一定的危險性和困難性，人工測繪難度較大，因此利用無人機(jī)低空遙感測繪可不僅可以提升測繪的安全性，同時無人機(jī)所具備的響應(yīng)迅速的特點，能夠有效的滿足地質(zhì)災(zāi)害、地震災(zāi)害以及其他自然災(zāi)害的應(yīng)急測繪需求。

（2）農(nóng)村和城鎮(zhèn)地區(qū)的地形測繪。隨著我國新農(nóng)村建設(shè)和城鎮(zhèn)化趨勢的不斷發(fā)展，農(nóng)村和城鎮(zhèn)地區(qū)的地形測繪工作變得越來越重要，農(nóng)村和城鎮(zhèn)的地形測繪能夠進(jìn)一步反映我國新農(nóng)村建設(shè)和城鎮(zhèn)一體化發(fā)展的趨勢。但面對我國數(shù)量龐大的城鎮(zhèn)和村莊，若是采用載人航拍進(jìn)行測繪，不僅花費成本較高，同時測量結(jié)果可能出現(xiàn)誤差，無法到達(dá)地形測繪的精度要求。而應(yīng)用無人機(jī)低空遙感技術(shù)，能夠有效提高地形測繪效率和測繪精度，同時由于無人機(jī)低空遙感技術(shù)還具備高分辨率的影像攝制功能，可以提供農(nóng)村和城鎮(zhèn)地形測繪的大比例全景測繪圖。

1.3 無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)

在礦山地質(zhì)數(shù)字化測量技術(shù)中，應(yīng)用無人機(jī)低空遙感技術(shù)主要是基于低空遙感系統(tǒng)來實現(xiàn)的，而無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)通常包括無人機(jī)飛行平臺、無人機(jī)控制系統(tǒng)、遙控設(shè)備、通訊設(shè)備、高分辨率攝像設(shè)備以及地面信息接收設(shè)備等多系統(tǒng)構(gòu)成，在礦山地質(zhì)數(shù)字化測量技術(shù)中屬于重要的技術(shù)組成部分。

2 基于無人機(jī)低空遙感的礦山地質(zhì)數(shù)字化測量技術(shù)

2.1 無人機(jī)系統(tǒng)參數(shù)確定

礦山地質(zhì)數(shù)字化測量在應(yīng)用低空遙感技術(shù)時，需要制定科學(xué)的無人機(jī)飛行方案，根據(jù)礦山的地形環(huán)境、地質(zhì)條件、無人機(jī)航程以及成本費用等多方面要求，來確定無人機(jī)低空遙感的系統(tǒng)參數(shù)。此外，要根據(jù)礦山地質(zhì)測量的工作任務(wù)來設(shè)置無人機(jī)飛行載荷控制參數(shù)，主要是由于無人機(jī)在進(jìn)行礦山地質(zhì)測量時，其體積小、重量輕，在礦山地質(zhì)測量環(huán)境下很容易受到空中氣流干擾，因此為確保無人機(jī)低空遙感航測礦山地質(zhì)影像資料的成像質(zhì)量，必須保證無人機(jī)低空遙感航測的航向重疊度在75%～90%之間，旁向重疊度則要控制在40%～60%之間，這樣才能確保無人機(jī)低空遙感航測礦山地質(zhì)影像資料的精度要求。也就是說基于無人機(jī)低空遙感的礦山地質(zhì)數(shù)字化測量工作中，要求測量的礦山地質(zhì)重疊影像，是根據(jù)無人機(jī)航拍速度、飛行高度以及相機(jī)參數(shù)等合理設(shè)置才能實現(xiàn)科學(xué)的航拍間隔，以確保能夠準(zhǔn)確拍攝符合要求的礦山影像資料。另外，在礦山地質(zhì)數(shù)字化測量過程中，除應(yīng)急測量需求，要盡量保證在天氣良好的情況下進(jìn)行航拍測量，以確保航拍影像的清晰度。無人機(jī)低空遙感作業(yè)過程中，要根據(jù)測量方案制定的飛行線路進(jìn)行航測，通過控制的傳感器和航拍相機(jī)來調(diào)整無人機(jī)飛行狀態(tài)，確保能夠準(zhǔn)確獲取目的地影響數(shù)據(jù)。

2.2 礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)采集和地形圖編輯

基于低空遙感的礦山地質(zhì)數(shù)字化測量技術(shù)在采集礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)和編輯地形圖的過程中，主要是依靠無人機(jī)設(shè)備通過低空遙感技術(shù)，對礦山的地質(zhì)條件、地形環(huán)境等需要測量的數(shù)據(jù)和影像進(jìn)行航空拍攝和測量，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，將測量數(shù)據(jù)和影像資料存儲至地面控制設(shè)備，從而完成礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)采集和地形圖編輯作業(yè)。由于礦區(qū)測量環(huán)境極其復(fù)雜，因此低空遙感測量會出現(xiàn)一定的誤差，一般礦山地形圖上的誤差需要控制在0.5mm以下，實地測量誤差則需要控制在1.1mm以下。無人機(jī)低空遙感測量礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)和地形圖的作業(yè)完畢后，在分析影像資料和數(shù)據(jù)資料的過程中，需要對影像邊緣做好檢查工作，判斷標(biāo)準(zhǔn)是影像資料無顯著的不規(guī)則地形起伏，色彩分布均勻合理，則說明滿足礦山地質(zhì)數(shù)字化測量的影像成像質(zhì)量要求。

2.3 多維度全方位的礦山遙感影像獲取

應(yīng)用無人機(jī)低空遙感技術(shù)獲取全方位礦山遙感影像資料的過程中，測量人員需要根據(jù)礦山的實地環(huán)境和調(diào)查數(shù)據(jù)，設(shè)置合理的無人機(jī)飛行參數(shù)，采取科學(xué)的飛行路線和平臺，設(shè)置符合實際測量需求的飛行參數(shù)，這樣可以確保獲取標(biāo)準(zhǔn)地理坐標(biāo)的礦山正射影像地圖。應(yīng)用無人機(jī)低空遙感技術(shù)拍攝的幾百張礦山圖像數(shù)據(jù)一般在幾分鐘之內(nèi)就可以被有效處理，這是傳統(tǒng)礦山地質(zhì)測量技術(shù)無法具備的優(yōu)勢。此外，通過對無人機(jī)低空遙感測量的波段權(quán)重、測量尺度以及均值因子等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，能夠完成礦山多維度全方位的影像資料獲取。通過控制無人機(jī)的飛行角度、姿勢以及航拍相機(jī)的拍攝補(bǔ)償、延遲曝光等，進(jìn)一步拍攝高清大范圍的遙感影像并提升拍攝影像的質(zhì)量。

3 無人機(jī)低空遙感在礦山地質(zhì)數(shù)字化測量中的應(yīng)用

3.1 無人機(jī)低空遙感技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)流程

（1）像片控制測量。無人機(jī)低空遙感拍攝的相片在測量依據(jù)和成圖精度上是基于像片控制點來完成的。礦山地質(zhì)數(shù)字化測量應(yīng)用低空遙感屬于無人機(jī)航測外業(yè)，這種測量工作的關(guān)鍵就在于對相片控制點的選擇，由于礦山實地選擇的測量地標(biāo)參照物一般較小，若是在相片成像清晰度達(dá)標(biāo)，則對于礦山地質(zhì)數(shù)字化測量的業(yè)內(nèi)選刺就更加容易，可以通過在測量現(xiàn)場進(jìn)行點位編輯，將礦山的相關(guān)地理標(biāo)志物與點位之間的聯(lián)系加以描述。

（2）數(shù)據(jù)采集和地形圖編輯。礦山地質(zhì)數(shù)字化測量過程中，應(yīng)用無人機(jī)低空遙感完成地形地貌的測量作業(yè)，主要是利用以人工測量為主的三維立體測圖，在測量作業(yè)中，通常會采取外業(yè)調(diào)繪和礦山數(shù)據(jù)地形圖采編一體的測量方法，按照礦山地質(zhì)的分層標(biāo)準(zhǔn)，來收集礦山的地貌和地物數(shù)據(jù)，從而完成DXF格式的礦山地形數(shù)據(jù)采集，然后通過外業(yè)調(diào)繪內(nèi)容，按照礦山的標(biāo)準(zhǔn)圖示完成地形圖編輯。

（3）數(shù)字影像圖制作。礦山地質(zhì)數(shù)字正射影像圖在制作過程中，需要針對每個像對的格網(wǎng)生成的DEM來完成制作。根據(jù)無人機(jī)低空遙感技術(shù)拍攝的礦山影像資料，對航拍相片進(jìn)行數(shù)字微分糾正，以獲取正射影像。然后通過色彩處理、整飾等影像處理手段，完成礦山地質(zhì)數(shù)字影像圖的制作。

3.2 無人機(jī)低空遙感技術(shù)的測量精度分析

（1）礦山地質(zhì)數(shù)字化測量圖的精度分析。礦山地質(zhì)較為復(fù)雜且礦區(qū)地形多為山地地形，因此礦山地質(zhì)數(shù)字化測量圖的測量精度需要控制在一定范圍內(nèi)。針對管線平面的數(shù)字圖像，誤差一般要求在礦山地物點與控制點平面位置中的1.2倍，對于礦山地質(zhì)測量內(nèi)業(yè)加密點與測量操作點在測量圖上的點位誤差應(yīng)保持在0.5mm左右，地物點對操作點的誤差控制在0.8mm左右。礦山地質(zhì)測量內(nèi)業(yè)標(biāo)高點對附近測量控制點的高程誤差控制在1.2m左右，等高線附近的近距離操作點誤差控制在1.5m左右。

（2）礦山地質(zhì)正射影像圖的質(zhì)量分析。礦山地質(zhì)正射影響圖的質(zhì)量分析，要根據(jù)無人機(jī)低空遙感航攝的影像數(shù)據(jù)資料來進(jìn)行分析，在覆蓋整個礦山范圍的影像區(qū)域內(nèi)，若正射影像圖無顯著的地形波蕩，同時圖像的反差合理，圖像色彩均勻，能夠觀測礦山的左右立體正射影像，則正射影像圖質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文基于無人機(jī)低空遙感技術(shù)對礦山地質(zhì)數(shù)字化測量技術(shù)進(jìn)行分析研究，固然無人機(jī)存在自己的缺陷，作為人工智能的產(chǎn)物，它的能量來源主要依靠電池，高強(qiáng)度的工作會影響電池使用壽命，而且攜帶不易。但是更多的是它實實在在的優(yōu)點和便利之處，無人機(jī)低空遙感技術(shù)極大提高了礦山地質(zhì)數(shù)字化測量的技術(shù)水平，在礦山數(shù)據(jù)采集以及地形地貌圖像資料航攝方面具有顯著的高精度、低成本優(yōu)勢；而且無人機(jī)在工作時效率高，機(jī)動性能好，保養(yǎng)起來也比較容易，成本也比較低廉，可以省很多的勞動力。今后隨著無人機(jī)低空遙感技術(shù)的不斷完善，將會在我國礦山地質(zhì)數(shù)字化測量方面得到更加廣泛的運用，從而推動我國礦業(yè)行業(yè)更加健康發(fā)展。