輕小型無人機(jī)航測技術(shù)在礦山地質(zhì)工程測量中應(yīng)用研究

周 茜

（河南省信陽市土地規(guī)劃勘測隊，河南 信陽 464000）

礦山地質(zhì)工程測量是資源勘查的基礎(chǔ)，也是礦山資源開發(fā)與利用的前提，對礦山建設(shè)意義重大。礦山地質(zhì)工程測量的用途主要體現(xiàn)在三個方面：一是通過地形圖測繪等，獲得礦山高精度地形圖，為探礦工程布設(shè)提供依據(jù)；二是根據(jù)地形變化等，為資源儲量估算提供基礎(chǔ)；三是為采礦工程設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1]。因此，如何快速、高精度的獲取礦山地形數(shù)據(jù)等是礦山地質(zhì)工程測量的主要目的。隨著現(xiàn)代化無人機(jī)技術(shù)、動態(tài)定位技術(shù)以及圖像融合處理技術(shù)的快速發(fā)展，推動了無人機(jī)航測技術(shù)在礦山地質(zhì)工程測量中的應(yīng)用，因其成本低、效率高和精度高逐漸被廣泛的應(yīng)用礦山測繪中，并取得了顯著的應(yīng)用成效。

1 輕小型無人機(jī)概況

輕小型無人機(jī)也稱為低空輕型無人機(jī)，指的是飛行高度一般小于500m 的無人機(jī)，具有低空飛行、體積小和重量小的特征，多采用4 旋翼組成。輕小型無人機(jī)一般由兩部分組成：①飛行器，主要涉及無人機(jī)的大小、重量、最大水平飛行速度、飛行環(huán)境溫度、最大飛行時間以及能夠承受的最大風(fēng)速等；②鏡頭和傳感器，是無人機(jī)航測的主要組成部分，其中鏡頭是獲取測繪區(qū)域航拍影像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，一般采用多角度、多方位的五棱鏡，采用2000 萬像素的影像傳感器和8.8mm 的焦距。輕小型無人機(jī)具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢，主要包括：①更低的成本，由于輕小型無人機(jī)的設(shè)計飛行高度為500m，其造價成本低于其他無人機(jī)；②具更小的重量，輕小型無人機(jī)的體積較小，導(dǎo)致無人機(jī)的重量輕，故輕小型無人機(jī)具有攜帶方便和安裝簡單的優(yōu)勢[2]；③具操作簡便的優(yōu)勢，輕小型無人機(jī)的操作步驟簡單，具有較高的自動化，即可實現(xiàn)自動起飛、拍攝、返航和降落的功能；④對降落場所要求低，輕小型無人機(jī)對降落場所的要求較低，僅需要幾個平方米的區(qū)域即可滿足降落要求。

2 輕小型無人機(jī)航測技術(shù)在礦山地質(zhì)工程測量中應(yīng)用

2.1 輕小型無人機(jī)航測技術(shù)流程

輕小型無人機(jī)航測技術(shù)在礦山工程測量中的應(yīng)用主要分為兩大部分，一是外業(yè)數(shù)據(jù)采集，二是內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。外業(yè)數(shù)據(jù)采集對礦山地形測量精度影響較大，即對室內(nèi)數(shù)據(jù)處理質(zhì)量影響較大，主要包括測繪區(qū)域規(guī)劃、航拍設(shè)計、像控點布設(shè)及測量、外業(yè)數(shù)據(jù)采集等內(nèi)容；內(nèi)業(yè)處理主要包括航拍影像預(yù)處理、校正融合、空三加密處理、地形圖處理等內(nèi)容。輕小型無人機(jī)航測技術(shù)在礦山地質(zhì)工程測量中的應(yīng)用流程見圖1。

圖1 輕小型無人機(jī)航測技術(shù)應(yīng)用流程示意圖

2.2 航測攝影設(shè)計

航測攝影設(shè)計是開展礦山地質(zhì)工程測量的基礎(chǔ)，主要根據(jù)輕小型無人機(jī)參數(shù)以及測繪區(qū)域的地形地貌特征等進(jìn)行，主要包括以下幾個方面：①飛行區(qū)塊的劃分，根據(jù)測繪區(qū)域的地形地貌特征劃分飛行區(qū)塊，將地形變化大的區(qū)域劃分成不同的飛行子區(qū)塊，能夠有效的提高航測精度；②飛行高度設(shè)計，應(yīng)根據(jù)測繪區(qū)域地形地貌、測繪目標(biāo)以及無人機(jī)型號、參數(shù)等確定，如本次確定飛行高度為350m；③無人機(jī)飛行速度設(shè)定，應(yīng)根據(jù)天氣狀況以及拍攝質(zhì)量要求等確定，本次選擇無人機(jī)飛行速度為10m/s，采用航點懸停拍照模式。

表1 部分特征點三維坐標(biāo)與全站儀實測坐標(biāo)誤差對比表 單位/m

2.3 像控點布設(shè)與測量

像控點布設(shè)是為提高輕小型無人機(jī)航測質(zhì)量以及精度的基礎(chǔ)，一般按照測繪區(qū)域的四角網(wǎng)進(jìn)行鋪設(shè)，并按照無人機(jī)的航向重疊度和旁向重疊度等綜合確定。一般來說，像控點的布設(shè)在地形變化較小的范圍內(nèi)可適當(dāng)放稀處理，對測繪精度無明顯影響；在地形變化較大的區(qū)域內(nèi)適當(dāng)加密布設(shè)，能夠有效的提升航拍影像的質(zhì)量。此外，對于劃分飛行子區(qū)塊的測繪區(qū)域而言，在不同子區(qū)塊的結(jié)合部位應(yīng)布設(shè)像控點，能夠有效地提升不同子區(qū)塊的影響數(shù)據(jù)拼接質(zhì)量。

2.4 航空影像數(shù)據(jù)采集

航空影像數(shù)據(jù)的采集是影響礦山地質(zhì)工程測量精度的主要制約因素之一，因此，為了提升航測影像數(shù)據(jù)，應(yīng)注意以下幾點內(nèi)容[3]：①確保無人機(jī)的飛行質(zhì)量，輕小型無人機(jī)具有體積小、重量輕的特征，導(dǎo)致在飛行過程中受飛行環(huán)境影響較大，尤其是風(fēng)速影響，因此，一般選擇在天清氣朗和風(fēng)速緩慢的天氣進(jìn)行，盡可能的降低無人機(jī)的顛簸問題；②及時檢查航片質(zhì)量，對每天獲取的航拍影像數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，確保像片位置、數(shù)量以及拍攝質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)，若不滿足精度和質(zhì)量要求，則應(yīng)重新拍攝，直至所獲影像數(shù)據(jù)滿足質(zhì)量要求為止。

2.5 空三加密處理

空三加密處理是航拍影像預(yù)處理完成后的重要步驟，主要目的在于消除測繪“空白”區(qū)域?qū)φw測量精度的影響。在無人機(jī)航拍過程中勢必因為飛行角度、高大樹木、建筑物遮擋等造成影像數(shù)據(jù)中存在一定數(shù)量的“空白”區(qū)域，該部分的精度是無法滿足航拍影像數(shù)據(jù)質(zhì)量要求，此時需根據(jù)拍攝過程中自動存儲的POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行空三加密處理，即通過平差計算的方式將“空白”區(qū)域處理掉，進(jìn)而使得航拍數(shù)據(jù)的整體數(shù)據(jù)質(zhì)量得以提升。

2.6 數(shù)據(jù)編輯及地形圖繪制

在完成航拍數(shù)據(jù)預(yù)處理后，經(jīng)過平差、校正處理后即可進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)編輯，如地形圖繪制等。在數(shù)據(jù)編輯之前，需要計算外業(yè)拍攝影像的平面坐標(biāo)等參數(shù)，并在相應(yīng)的軟件中將不同的像片拼接在一起，完成同名像點的轉(zhuǎn)點、粗差剔除、像控點聯(lián)測、區(qū)域網(wǎng)約束平差、校正等工作，盡可能的消除相機(jī)畸變參數(shù)，使其滿足礦山地形圖比例尺的基本精度要求。將空三加密處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入至MapMatrix4.2 軟件中，進(jìn)行內(nèi)定向、相機(jī)畸變、去測平均高程等參數(shù)的建立工作，完成后可進(jìn)行地形數(shù)據(jù)信息的采集工作，可通過手工編輯和自動編輯兩種方法實現(xiàn)。完成后需要對地形圖質(zhì)量檢核，對于有錯誤的位置應(yīng)進(jìn)行核實處理，必要的情況下還需進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪。

3 精度分析

為了對比分析輕小型無人機(jī)航測質(zhì)量，本文選擇了12 個特征點進(jìn)行了測量精度對比。通過全站儀的方法獲得了12 個特征點的三維坐標(biāo)，與航測所獲的三維坐標(biāo)進(jìn)行對比分析，其統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。計算結(jié)果顯示，平面位置中誤差為±0.22m，中誤差最大值為0.28m，高程位置中誤差平均值為±0.093m，中誤差最大值為±0.158m，誤差符合1：2000 航空攝影測量相關(guān)規(guī)范及礦山地形測繪的精度需求。

4 結(jié)語

綜上所述，本文主要講述了輕小型無人機(jī)航測技術(shù)在礦山地質(zhì)工程測量中的應(yīng)用，通過全站儀測量相比，平面位置中誤差為±0.22m，中誤差最大值為0.28m，高程位置中誤差平均值為±0.093m，中誤差最大值為±0.158m，誤差符合1：2000 航空攝影測量相關(guān)規(guī)范及礦山地形測繪的精度需求，說明輕小型無人機(jī)航測技術(shù)的測量精度可靠，能夠大規(guī)模的推廣使用。