無人機在礦山地形圖測量與成圖過程中的應用研究

朱淑芹

（濱州市自然資源和規劃局不動產交易登記中心，山東 濱州 256600）

礦山大比例尺地形圖測量是找礦勘查和礦山建設的基礎，也是井下巷道開拓以及鉆孔設計的主要依據之一。因此，如何快速的獲取精度更高的礦山大比例尺地形圖是提高資源勘查效率和降低勘查風險前提[1]。隨著現代化無人機技術、計算機技術以及圖像融合技術的快速發展，加快了無人機在礦山地形圖測繪中的應用，并在礦山大比例尺地形圖測繪中取得了良好的應用效果。本文以某金屬礦山大比例尺地形圖測量為研究對象，分析無人機在礦山地形圖測量中的應用。

1 無人機在礦山地形圖測量中的應用流程

無人機測量技術的發展是隨著無人機技術、計算機技術、圖像融合技術和數據處理等技術而發展起來的，早期階段無人機測量技術以垂直航拍影像數據為主，即測繪航拍過程中僅能夠獲得垂直方向的航空影像數據，其測量精度相對較低；隨著圖像融合技術和數據處理技術的發展，逐步實現了無人機搭載多角度、多方位鏡頭的傾斜攝影測量，有效的減少了測繪過程中因為遮擋等問題而出現的“留白”問題，顯著的提高了無人機測繪的精度[2]。無人機在礦山地形圖測繪中的應用流程主要包括控制測量、傾斜影像獲取及處理、空中三角加密、三維建模、數據采集以及外業補測和調繪等步驟（圖1），完成后可根據礦山實際需求輸出相應比例尺的地形圖。

圖1 無人機在礦山地形測量中的應用流程圖

2 無人機在礦山地形測量中的應用

2.1 無人機概況及飛行參數確定

本文以某金屬礦山的大比例尺地形圖測量為例，其成果圖件比例尺為1:2000。本次所選用的無人機型號為HO1600型，攝影相機為南方測繪傾斜數字航空攝影相機，將其搭載在無人機中，并配置1個垂直五棱鏡頭和4個傾斜五棱鏡頭以及其他定位系統等。飛行參數的確定應根據測繪區域的氣候條件等確定，以選擇晴朗無風或者微風條件，本次選擇6～8月上午10點至下午2點。此外，由于礦山測繪范圍僅有1.25km2，故本次僅劃分為一個飛行區，設計飛行高度為320m，其航向重疊度和旁向重疊度均為65%～70%。由于本次測量采用傾斜測量技術，故本次能夠獲得5個方位的航空影像數據信息，顯著的減少了影像數據中的“留白”，提高了測繪精度。

2.2 控制測量

控制測量是提高測量精度的前提，因此，像控點的測量是無人機傾斜航空測量中必不可少的環節[3]。控制點的測量應注意以下幾點內容：①控制點的布設密度問題，像控點的布設密度應結合地形地貌特征而略微調整，如在地形地貌變化較小的區域其像控點密度適當抽稀布設，而在地形地貌復雜或者切割較大的區域，其像控點布設密度應適當加密；②像控點布設不僅要在測繪區域內部，而且在測繪區域外輪廓線外旁向大于100m的位置處，對提升整體測繪精度意義重大；③像控點的位置應選擇在容易識別的地形地貌中，且不應存在爭議，如房屋的房角、田坎的田角以及地形較高的山頭處等部位，能夠顯著的提高測繪精度；④像控點的布設應盡可能的避開高大建筑物或者植被發育的區域，該區域容易因遮擋而造成航空影像數據中識別不清晰或者完全被遮擋，對整體測繪精度影響較大；⑤像控點的布設應盡可能的避開較大水域區域，這是由于水域的水面變化較大，對測量精度影響較大；⑥像控點的布設應以重復利用為基本原則，故一般布設在交通條件相對較好，且容易保護的區域，便于作為校正點等。

2.3 空中三角加密測量

在完成航空影像數據預處理的基礎上，應進行空中三角加密處理，這是由于傾斜航空測量技術雖然實現了多角度、多方位獲取測繪區域實際面貌的技術難題，但是仍不可避免的因高大樹木、建筑物等遮擋或地形切割嚴重而導致影像數據中存在大小不一的“留白”，使得局部區域的航空影像數據質量達不到預期精度要求，進而影響整體測繪精度。針對上述“留白”問題，可以借助無人機航拍過程中定位系統自動存儲的POS數據文件對其進行方位元素的預測處理，將高大建筑物、植被等影響因素剔除，能夠有效地提高測繪精度。完成空中三角加密處理后，再經過影像數據的約束網平差等流程，進而根據實際需求生產相應的產品，如DEM、DOM和DSM等。

2.4 外業補測及調繪

關于無人機傾斜航空攝影測量過程中的“留白”問題，除上文提及的空中三角加密測量外，還可以通過外業補測以及調繪處理，能夠有效地提升礦山地形圖的精度。外業補測及調繪的操作流程主要包括：①在航拍影像數據中將需要補測或者調繪的區域標注出來，如有爭議的圖斑、大橋底部等區域；②采用傳統的測量技術方法或者現代化聯測技術，前者以全站儀為主，后者如RTK-GPS聯測等；③對影像數據中不確定的區域或者復雜區域進行核查，若發現測量問題，則應及時補測。

2.5 地形圖制作

在對礦山航空影像數據處理的基礎上，使用MapMatrix全數字攝影測量系統采集地形數據，自動化生產出1:2000地形線劃圖，并對自動生成的數字線劃圖進行核查，若存在問題，應及時檢查測量數據的正確性，直至數據無誤后生成最終的數字線劃圖[4]。完成后，通過手動處理的方式增加其他地理信息，如水系、高程以及房屋等信息，其稀疏稠密應按照相應比例尺合理布局，避免各類標記點過于稠密或者稀疏。

2.6 精度對比

為分析無人機傾斜航空攝影測量在礦山大比例尺地形圖測繪中的精度，本文使用全站儀對各類控制點進行了測量，其結果與航空影像數據中獲得的三維坐標進行對比（表1）。對比結果表明：平面位置中誤差為±0.20m，中誤差最大值為0.26m，高程位置中誤差平均值為±0.080m，中誤差最大值為±0.160m，誤差符合1/2000礦山大比例尺地形圖測量的精度需求。

表1 無人機傾斜航空攝影測與全站儀測量精度對比表 單位/m

3 結語

綜上所述，無人機航測技術在礦山大比例尺地形圖測量中具有明顯的應用優勢，不僅顯著的提升了測繪效率，而且測繪減少了大量的外業工作量，獲得的大比例尺地形圖精度高，具有成圖效率高的優勢。通過本次實踐表明，無人機傾斜攝影測量技術在1:2000地形圖測繪中的精度完全滿足實際需求，成果質量均滿足國家相應標準，因此該技術具有廣闊的應用前景，應大力推廣使用。