無人機攝影測量技術在礦山大比例尺地形圖快速更新中的應用

郝蘭朋

（甘肅煤田地質局一四六隊，甘肅 平涼 744000）

無人機攝影測量技術是航空攝影測量領域最近幾年新興的一種高科技測量技術。此技術利用無人飛行器上搭載的一個或多個影像傳感器的作業，從空中不同角度對地面的地物地貌信息進行多角度拍攝，從而獲取到地物地貌的高精度紋理數據，同時還能夠通過GPS定位技術、影像融合技術、三維建模技術等，通過影像處理生成實景3D模型，可以真實如一的反映出地面的實際狀況[1]。此技術在世界范圍內不同國家的諸多社會領域都已獲得廣泛應用，最近幾年在國內城市基建、考古研究、礦山勘察、城市三維模型等領域也得到快速發展應用。

無人機攝影測量利用無人機飛行平臺搭載影像傳感器，因而其具備一定的便攜性和靈活性，可以在短時間內實現航拍，因此無人機能夠作為較好的飛行攝影平臺[2]。同時無人機飛行控制系統還能夠詳細記錄下飛行攝影時的高度、方向、重疊度、具體坐標等數據，有利于構建自動化無人機攝影的三維模型，借助對地表影像的拍攝信息恢復各式景觀，這種手段可以最大限度地降低用于三維建模的經濟成本，同時還具有高精度、精細化和實景虛擬等一系列數據優勢。無人機攝影測量獲得的相關影像數據，利用空中三角測量等操作，能夠自動生成與實地地形狀況高度一致的的立體化的三維模型，數字攝影測量工作站可對其進行柵格數據的矢量化采集和編輯，從而提高了工作效率、擴大了應用范圍，進而滿足不同專業層面對不同地類數據的不同需求。通過使用無人機攝影測量新技術對礦山大比例尺地形圖進行快速更新，即擴大了無人機攝影測量技術的推廣應用范圍，又滿足了礦山開發建設中對大比例尺地形圖快速獲取的需求。

1 工作流程

1.1 像控點布設及測量

無人機拍攝得到的影像因為航向和旁向重疊度較大（通常會大于80%）[3]，像控點在布設上一般不會考慮成像要求。為了確保地表物體在平面位置與高程位置上滿足各種規范要求的精度，像控點在布設上必須排布緊密，具體遵循以下幾點：首先，對于規則且面積不大的區域，可在測區的四個角點和中心處各布設一個像控點；其次，對于面積較大或不規則的區域，除了需要在區域各個邊角設置像控點外，其他地方每隔120m~200m就需要布設一個像控點；最后，區域內若出現比較突出的高層建筑或地形變化劇烈的位置，必須在地形變化的最高點和最低點分別布設相應數量的像控點。像控點的選擇需要將地標物和明顯地標物相結合，平面控制點與高程控制點可選在同一點位，也可分別選擇點位，平面控制點應選在影像清晰的明顯地物點、拐角點、線狀地物的交點上，高程控制點應選在局部高程變化小且點位周圍相對比較平坦地區，像控點在相鄰像片上均要清晰可見。像控點布設完成后可使用GPS-RTK技術進行坐標測量，獲取平面坐標和高程坐標，若平面控制點和高程控制點為不同點位，需分別標注清楚。相控點布設時若測區范圍內地物特征點較多，可選用后布設的方法，即先航飛獲取航片，后選取特征明顯的地物作為像控點，并測量坐標；若明顯地物較少，可選用提前布設像控點的方法，提前布設時像控點樣式可采用“L”型，如圖1所示。

圖1 “L”型像控點樣式

1.2 外業航空攝影

無人機野外航拍時需盡可能選用飛行穩定、續航時間長的飛行平臺，影像傳感器需進行檢校，空間分辨率滿足規范要求前提下越高越好。航攝時間選擇時盡量選擇在地表植被或覆蓋物遮擋影響小，天氣晴朗無云微風時間，每天最佳航攝時間段為9：00~15：00，此時間段內太陽高度角大，地物陰影小，可較好的減小陰影對后期內業數據處理的影響[4]。

1.3 空中三角測量

空中三角測量主要是通過地面上設置的少數控制點，利用共線共線方程對影像內外方位元素進行求解，用于檢驗構建模型在空間方位上誤差。為了將校正后的影像恢復到標準空間下，就必須在空中三角測量結果的基礎上，對影像模型的坐標點進行一系列的解算處理?，F今無人機攝影測量得到的數據操作通常是以光束法在區域內的聯合平差為主，以共線方程為模型，以臨近影像同坐標相交且目標相同、外部控制點和影像控制點相對應為平差條件，得到每一幅拍攝影像的外部構成元素。

1.4 內業地形圖采集

內業數據判繪采集系統多采用數字攝影測量工作站進行該類工作站多為全軟件化設計、功能齊全，智能化程度高，通過調用空三加密成果和野外像控點聯測等數據文件，進行全要素數據采集，生產DLG數字線畫圖。內業判繪時要對所有能判繪清楚的地物信息按照相應的規范要求進行繪制，要求完整、準確；對于不能夠通過內業判繪完成的地物信息要進行標注，通過后期野外調繪對該類地物信息進行實地測量、調查，從而方便最后的編輯成圖工作。

1.5 野外調繪

使用無人機進行空中航攝，不可避免的存在樹木、門廊等的遮擋問題，不能全方位獲取地物所以信息，導致部分地物模型變形或模糊不清的情況，所以在內業數據采集不能夠獲取到足夠信息時，就需要到野外實地對相應地物進行補測、補調，具體工作就是對被遮擋或內業采集不全的物體和地貌進行實地補測。該項工作要求將內業采集成果疊加快拼DOM影像上，外業現場進行 調繪和補測，工作人員必須認真負責，除需進行必要的補測外，還要對地物屬性信息進行調查記錄，具體工作量主要包括：其一，對門廳、柱房、樓層、建筑物結構、廊房下的支柱等進行補測；其二，植被比較茂盛的區域內的路面、墻柵等線狀物體進行補調；其三，對被遮擋物體如路燈、井蓋、風箱等地面獨立設備進行補測；其四，路面兩邊過于茂盛的樹林會導致飛行拍攝時路面發生變形，造成高程點無法滿足測繪成圖的要求，所以外業就需要對其高程點進行補測；其五，內業采集時無法準確判別的地類地物屬性信息等也需要現場調查記錄。

1.6 地形圖編繪成圖

礦山大比例尺地形圖編繪成圖主要采用RCGIS、CASS等專業測繪編輯軟件對地形圖進行編輯，根據野外調繪情況，將地物補測調查的空間信息、屬性信息按照不同圖層要求進行成圖入庫，并對圖上的各類要素進行綜合取舍，制作出清晰易讀、符合規范與工程要求的圖件。

2 案例與分析

為了更加清楚、具體的看出無人機攝影測量技術在礦山大比例尺地形圖快速更新中的應用效果，特與傳統技術進行對比，對其地形圖測繪精確度與成圖效率進行比較分析。

2.1 項目概況

本項目區為西北地區某縣某礦區，面積大概在2.5平方千米左右，為提高該縣人居環境，當地政府要求在短時間內對該縣東北方某礦區測繪1∶1000地形圖。測區范圍內主要包括礦山設施、辦公生活區、礦坑、荒山溝壑等。通過現場踏勘，分析認為如果采取傳統GPS搭配全站儀測繪的全野外數字測量方法，因為測區地形復雜、天氣因素影響等，預計需安排測量人員15名，工作周期約45天，此方法對測量人員技術要求高、工期緊、工作強度大，無法滿足對快速測繪的要求。故最終決定采用無人機攝影測量的方法對該礦區進行地形圖測繪，根據航飛設計飛行高度控制在120m，航向重疊度控制在85%，側向重疊度在80%，測區最高點分辨率設為3.2cm/像素，最低點分辨率設為5.2cm/像素，使用CORS系統在全礦區共布設平高像控點85個。本項目內業空三加密軟件選用了inpho軟件，數據采集選用了航天遠景全數字攝影測量工作站，地形圖編繪選用了ARCGIS與CASS軟件，野外調繪安排人員共6人，外業無人機航攝用時3天，內業影像數據處理與地形圖采集5天，野外調繪與地形圖編繪修改用時7天。

2.2 分析

項目選用的無人機攝影測量工作方法全部工期共計16天，滿足了快速成圖的要求；同時，為進一步檢驗測區地形圖是否可以滿足對1：1000地形圖測繪精度的要求，與傳統測量方法的測繪數據精確度進行對比如圖2所示。

圖2 實驗效果對比圖

實驗結果表明，本文提出的基于無人機攝影測量技術的礦山大比例尺地形圖快速更新相比于傳統測量方法而言，能夠在滿足測圖精度的前提下最大程度上提高成圖效率，極大的降低了野外工作強度，提高了成圖效率，能夠為礦山開發與建設提供及時準確的基礎工作底圖。

3 結束語

礦山開發建設中對基礎工作底圖要求的不斷提高促進并拓展了無人機攝影測量技術的應用和范圍，同時無人機測繪新技術的不斷發展也進一步促進礦山建設開發與管理上的智能化進程。本文對礦山大比例尺地形圖快速更新方法進行了分析，依托無人機攝影測量新技術，根據礦山大比例尺地形圖的測繪要求，結合相關行業規范，對該方法進行了分析與驗證。實踐表明，該方法具備較高的時效性和準確性，能夠滿足礦山大比例尺地形圖快速更新的要求。