無人機遙感測繪技術(shù)在礦山測量中的應(yīng)用

陳端祥

(福建省121地質(zhì)大隊，福建 龍巖 364021)

現(xiàn)階段，隨著無人機技術(shù)的發(fā)展、成熟，其在民用領(lǐng)域的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴大，尤其是與各行業(yè)領(lǐng)域的融合發(fā)揮出了巨大的優(yōu)勢作用。無人機遙感測繪技術(shù)是遙感技術(shù)發(fā)展的主要趨勢之一，因其數(shù)據(jù)獲取及處理靈活快速、成本較低等特點，在遙感數(shù)據(jù)獲取方面展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。傳統(tǒng)礦山測量主要是利用衛(wèi)星和大飛機作為遙感平臺的航空航天測量，受天氣因素影響較大，工作效率不高。無人機遙感測繪技術(shù)在礦山測量中的應(yīng)用，利用其技術(shù)自身優(yōu)勢，在獲取符合要求的高分辨率影像的同時，還可以有效避免不利因素影響，提高工作效率[1]。因此，無人機遙感測繪技術(shù)在礦山測量中的應(yīng)用價值值得進(jìn)一步探討。

1 無人機遙感測繪技術(shù)的優(yōu)點

相對于航天遙感技術(shù)，無人機遙感測繪獲取數(shù)據(jù)具有明顯的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

①數(shù)據(jù)獲取周期短。采用無人機遙感測繪技術(shù)，多是低空飛行獲取影像數(shù)據(jù)，避免了衛(wèi)星航空遙感技術(shù)受天氣條件的限制，以及常規(guī)航空遙感技術(shù)需要辦理空域飛行申請的客觀條件限制，能夠有效保證數(shù)據(jù)采集的時效性，極大縮短數(shù)據(jù)獲取周期[2]。

②數(shù)據(jù)分辨率高。無人機低空飛行一般不高于地面1000m，甚至還可以在距離地面200m左右飛行，通過機身攜帶的高分辨率數(shù)碼相機，可以獲取較高分辨率的影像數(shù)據(jù)，并且提高數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性和及時性，滿足比例尺測圖精度及監(jiān)測要求[3]。

③獲取危險區(qū)數(shù)據(jù)。無人機在危險區(qū)域下飛行，最大限度地保護(hù)了工作人員的人身安全，并且能夠獲取到實時、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，既保證工作效率，又實現(xiàn)了安全最大化[4]。

④機動靈活。無人機機身具有體積小、重量輕等特點，從而保證無人機遙感測繪能夠?qū)崿F(xiàn)在天氣強干擾、地形復(fù)雜的區(qū)域機動、靈活地獲取數(shù)據(jù)[5]。

⑤飛行控制自動化。現(xiàn)階段，無人機飛行控制系統(tǒng)已經(jīng)可以做到根據(jù)遙感圖像上指定點位飛行，并且在電量低于預(yù)設(shè)值或達(dá)到用戶自行設(shè)置的電量值時自動返航，實現(xiàn)全程飛行自動化[6]。

2 無人機數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)

2.1 影像畸變校正

通過對數(shù)碼相機進(jìn)行標(biāo)定，能夠獲得相機的準(zhǔn)確定位以及相關(guān)參數(shù)，然后利用數(shù)學(xué)模型設(shè)置對相機的改正模型，對數(shù)碼相機成像進(jìn)行畸變校正，經(jīng)過畸變校正后的影像可以為數(shù)據(jù)的后期處理做好準(zhǔn)備[7]。

2.2 快速正射糾正

GPU的并行處理能力非常強大，并且還可以實現(xiàn)高寬帶的數(shù)據(jù)傳輸。無人機遙感測繪技術(shù)在正射影像糾正中，可以借助GPU進(jìn)行數(shù)字影像正射糾正，極大提升糾正速度，并有效提高數(shù)據(jù)處理效率，從而保證無人機影像數(shù)據(jù)處理的快速性[8]。

2.3 大范圍正射影像自動拼接

成像經(jīng)過快速正射糾正后，可以對測區(qū)范圍內(nèi)的正射影像進(jìn)行拼接，保證其完整性。同時，對無人機的飛行質(zhì)量進(jìn)行檢測，確定其重疊度等各項飛行指標(biāo)滿足要求，保證測繪工作的順利高效完成[9]。

2.4 幾何糾正

為了滿足礦山測量對遙感監(jiān)測技術(shù)的要求，在數(shù)字正射影像完成后，需要進(jìn)行幾何糾正，確保控制點擬合精度、地物點誤差在精度要求范圍之內(nèi)，從而保證無人機遙感測繪影像成果精度滿足礦山測量需求[10]。

3 無人機遙感測繪技術(shù)在礦山測量中的應(yīng)用

3.1 項目概況

本項目主要是在福建1∶5萬滸州幅456km2的范圍內(nèi)開展較系統(tǒng)地礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查工作。調(diào)查區(qū)主要位于福建省北部，南部屬建陽區(qū)管轄、東北部屬浦城縣管轄、西北部屬武夷山市管轄。工作區(qū)范圍：東經(jīng)118°15′～118°30′，北緯27°30′～27°40′，屬1∶5萬滸州幅(G50E003018)，面積456km2，如圖1所示。

圖1 項目測區(qū)地理位置

測區(qū)地處武夷山脈北段，地勢東、西高，中間低。最低點(滸州)海拔159.5m，最高點(營盤崗)1157.7m，相對高差一般在500m以上。測區(qū)居民點分散，村莊小路十分稀少，給礦調(diào)工作增加了困難。因此，利用無人機遙感測繪技術(shù)，獲取測區(qū)高分辨率影像，并對影像進(jìn)行處理，為礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查提供參考依據(jù)，能有效減少調(diào)查難度和提供調(diào)查效率。

3.2 技術(shù)路線

本次項目實施首先收集完成礦區(qū)數(shù)據(jù)資料，然后對無人機遙感測繪技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行科學(xué)設(shè)計與規(guī)劃，歷時30天，獲取完成礦山影像數(shù)據(jù)，并通過無人機影像處理后獲得1∶1000地形圖，為礦區(qū)開展礦產(chǎn)檢查及資源勘測提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。主要技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 技術(shù)路線圖

3.2.1 無人機及數(shù)碼相機選擇

本項目選用固定翼“UV-Ⅱ”無人機，機身搭載Sony RX1RII高端數(shù)碼相機，數(shù)碼相機像素為4240萬，最高分辨率7952×5304，全機重量1.5kg。

3.2.2 技術(shù)參數(shù)設(shè)置

由于礦山地區(qū)地形、地表差異較小，無人機航攝進(jìn)行分區(qū)；航線設(shè)計主要按照方向，由西向東布設(shè)；地面分辨率在0.08m；設(shè)置航向重疊度在80%，旁向重疊度在65%，相對航高320m。

3.2.3 飛行質(zhì)量控制與補重攝

無人機飛行質(zhì)量控制有效性直接關(guān)系到無人機遙感影像數(shù)據(jù)質(zhì)量。飛行質(zhì)量的控制內(nèi)容主要包括：①控制無人機升降飛行速度，上升及下降都須低于10m/s；②飛行過程中，無人機轉(zhuǎn)彎需要控制坡度在20°以內(nèi)，以防止衛(wèi)星信號失鎖；③拍攝區(qū)域的邊界覆蓋率應(yīng)當(dāng)高于像幅二成；④飛行過程中，航向及旁向的重疊度應(yīng)當(dāng)保持在設(shè)計重疊度；⑤同一航線上相鄰像片航高差不高于30m，整體航高差最大值不超過50m；⑥控制最大旋偏角像片數(shù)量，不能多于總數(shù)的4%。

無人機飛行質(zhì)量控制不佳，或者受到各方面因素影響而導(dǎo)致飛行質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的，需要進(jìn)行重攝；對于局部缺陷，如云影等，或相對漏洞，則需要進(jìn)行補攝，補攝航信超度需要比漏洞長出一條基線。

3.3 影像數(shù)據(jù)處理

首先對數(shù)字影像數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，內(nèi)容包括對影像質(zhì)量的檢查、數(shù)據(jù)異常檢查、重疊度檢查等。然后要確保像控點與最近基礎(chǔ)控制點平面位置、高程的誤差均不高于0.1m。最后對影像畸變情況進(jìn)行糾正，具體來說(如圖3)：選擇GPU糾正快速測繪影像圖，對其中存在的主點偏移、畸變等情況進(jìn)行糾正，同時進(jìn)行勻色處理；根據(jù)飛行影像建立DOM(即數(shù)字正射影像圖)，主要是利用DEM(即數(shù)字高程模型)對經(jīng)過掃描處理的單張航片，利用ArcGIS糾正軟件，將影像失真情況糾正過來；運用數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換影像投影，由中心投影變?yōu)榇怪闭蛲队埃瑥亩@取正射像片；對像片進(jìn)行編輯操作，最后生成標(biāo)準(zhǔn)分幅正射影像圖。像片糾正完成后，再進(jìn)行幾何糾正，借助ERDAS軟件將地面控制點坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)提取出來，確保像片精度達(dá)標(biāo)。

圖3 影像數(shù)據(jù)處理流程

4 無人機影像成圖精度分析

4.1 數(shù)字正射影像圖質(zhì)量

礦山地形主要以丘陵山地為主，其高低起伏變化情況較大，無人機遙感測繪技術(shù)需要根據(jù)設(shè)置飛行相對航高，控制飛行質(zhì)量，從而保障影像質(zhì)量。同時，飛行數(shù)據(jù)覆蓋、重疊度等對最終數(shù)字正射影像圖質(zhì)量有重要影響。根據(jù)數(shù)字正射影像處理后的成圖質(zhì)量分析，在對相鄰的正射影像進(jìn)行立體觀察與量測檢查時，個別點位存在誤差，但從整體地形上看并沒有明顯起伏；正射影像平面圖質(zhì)量符合規(guī)范要求，圖像在色彩和色調(diào)上都滿足均衡要求。

圖4 數(shù)字正射影像圖

4.2 成圖質(zhì)量分析

在礦山測量項目完成后，可以利用檢測區(qū)控制點對檢測區(qū)外進(jìn)行測量，對成圖質(zhì)量進(jìn)行分析。野外踩點共256點，對踩點數(shù)據(jù)及成圖后在圖上量取的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析，得出誤差值，對成圖質(zhì)量進(jìn)行評價和測試。將實際測量野外點位與成圖后在圖上量取的點位進(jìn)行對比分析，得出結(jié)論為內(nèi)業(yè)加密點、地物點、內(nèi)業(yè)加密高程點、內(nèi)業(yè)高程注記點與實際測量野外點位的誤差分別為0.88m、1.01m、0.70m、0.79m。具體情況見表1。

表1 成圖質(zhì)量分析

5 結(jié)束語

無人機遙感測繪技術(shù)是遙感技術(shù)發(fā)展的主要趨勢，具有數(shù)據(jù)獲取及處理靈活快速、成本較低等特點，在遙感數(shù)據(jù)獲取方面展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。在礦山測量中，應(yīng)用無人機遙感測繪技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對礦山資源的勘察、檢測、監(jiān)管等，滿足礦產(chǎn)檢查，評價區(qū)域礦產(chǎn)資源潛力，尋找并圈定找礦靶區(qū)等提供重要、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。本文通過詳細(xì)介紹利用無人機獲取調(diào)查區(qū)高分辨率影像的技術(shù)路線和影像處理過程，并分析得出影像的質(zhì)量和精度滿足礦產(chǎn)調(diào)查使用要求，為調(diào)查區(qū)礦產(chǎn)測量提供參考，最大限度地減少調(diào)查難度，并提高了調(diào)查效率，可為其他同類調(diào)查項目提供參考。