地質測繪中的無人機航測系統解決方案分析

張梅 韓正

（山東省魯南地質工程勘察院，山東 兗州 272100）

0.引言

當前背景下，測圖常用的方法有航攝數字化測圖、全野外數字測圖兩種方法。全野外數字化測圖，通過RTK、全站儀對數據進行采集，既消耗了大量物力、人力，且應用范圍較窄。傳統航空測量發展比較完善，且在實踐中得到了廣泛應用，但該技術成本消耗大，在一定程度上限制了其應用范圍。伴隨社會經濟的迅速發展，誕生了許多先進技術，并在相關領域中發揮著重要作用。其中無人機技術搭配航測技術，在地質測繪領域凸顯了巨大優勢。與傳統人工測量相比，無人機航測系統操作方便、結構簡單，幾乎不會受地貌因素的影響，其在危險領域的測繪中效果顯著，同時為地質測繪圖和航拍影像提供了新的采集方式。

1.無人機航測系統

無人機航測系統包括無人機、攝影傳感器和GPS定位導航等。無人機成本低、專業性強，在飛行中，能使用遠程通信裝置、信息處理系統、飛行平臺及操作系統等完成相關數據信息的采集工作，并且無人機航測系統操作便捷，能精準獲取影像，幾乎不受地形因素的影響[1]。其中，空中測量系統包括自動駕駛儀、飛行平臺和數碼相機等，主要用來完成空中測量攝影工作。地面控制系統，主要由地面傳輸、無人機地面控制與數據接收接收交換等組成。數據處理系統包括航線設計、數據后處理軟件，主要適用于后期數據處理、航前測定等工作（如圖1所示）。這一階段的主要任務是采集數據、編輯數據，一方面，利用DEM（數字高程模型）和DOM（數字正射影像圖）生成處理，依托現代化技術、數據處理等生成基本數據模型；另一方面，檢測DEM和DOM數據生成的結果，最大限度確保數據輸出的準確性，對DEM和DOM成果進行輸出。隨后，做好DLG（數字線劃圖）制作，對DLG成果進行輸出。無人機低空攝影測量技術的工作流程為：區域航線測量規劃—無人機航線拍攝作業控制—存儲拍攝數據—交換地面控制數據—無人機降落—補拍數據資料—完成無人機低空攝影測量[2]。

圖1 數據處理系統板卡

2.地質測量工作特點

地質測繪是為進行地質調查和礦產勘查及其成果圖件的編制所涉及的全部測繪工作的總稱。地形測量是指在地形圖的測繪過程中，測量地球表面物體、地形水平面的投影位置和高程，然后結合一定比例要求進行縮小，做好測繪工作。通過無人機航空測量影像，測區位于山東某地（如圖2所示）。整條線路位于丘陵地形測區，海拔為219-284km。測區線路復雜，地形隱蔽，地物較多[3]。部分地區地物雜亂、樹林密集，沿線道路交通良好，影響通視情況。在本次測繪工作中，全站儀、RTK等測量難度較大，部分區域內地質情況比較復雜，樹木較多，這在一定程度上加重了測量工作的難度，加之項目工期較短，決定此次拍攝選用無人機航拍的方式[4]（如圖3所示）：

圖2 測繪區域圖

圖3 無人機航拍

3.無人機航測系統在地質測繪中的優勢

3.1 監測高效、處理效率高

無人機航測系統有很強的時效性，廣泛應用在緊急事件的監測方面，可快速采集監測區的影像數據同時實現高精度地形圖的繪制，可在第一時間為相關部門的應急處理提供幫助。在監測效率方面，單臺無人機的監測范圍在2100km左右，監測效率較高；在數據精度方面，無人機影像分辨率明顯高于衛星影像，且介于0.1m-0.5m之間，精度較高[5]。隨著無人機航測技術的成熟和完善，其在民用領域得到了廣泛應用，同時也能應用于數字城市發展建設、災害預測和評估、網線電網鋪設、通訊站的建立、國土資源勘察、實時監測突發事件、城市發展規劃、礦產開發、森林治理、數字化農業等領域。在實際測繪中，無人機依托正射影像編制的公里格網、圖廓內外注記的平面圖正射影像圖，整張圖像并沒有扭曲的情況。據悉，在精度控制方面，主要分為差分RTK和PPK的后差分處理。在地形圖的測繪方面，RTK的應用范圍較廣，相較于傳統的測量儀器，其操作簡單，且測量精度較高。例如，在城市規劃區的測繪過程中，應科學設計控制點，鑒于此，必須要使用RTK技術。若能準確提出控制點，則能有效提高其施工效果。通過RTK技術的應用，有助于常規測量工作的順利開展。但因為山區的信號較差，在一定程度上增加了RTK的應用難度，也就是通過后差分PPK來減少像控點，極大減輕了其工作負擔，有助于精確度的提高。

3.2 范圍大且具宏觀性

通過無人機航測系統的應用，采用三維仿真模擬技術對監測區域情況進行宏觀展示，同時為相關部分的決策提供指導。針對不同航空高度的無人機，其都有自身的監測范圍，能應對大范圍的高空監測，同時也能對面積較小的地面范圍開展實時監測，從而保證監測結果的精確性。在遙感監測作業的過程中，依托多架無人機配合工作，確保大范圍上萬平方公里的監測作業的順利開展。工作人員通過監測結果進行光譜分析，從而更大范圍獲取監測數據，最后得到整個監測區的整體信息。在環境相對惡劣的工作地點工作時，經常會因當地環境無法開展傳統航空攝影，如，高山阻礙、云層過低等，這時未能發揮無人機的航拍優勢。在任何地形下，都可以順利起飛，充分發揮航空拍攝的效果，有助于高空影像的精準收集。無人機遙感系統作為一種有效的監測技術，能通過動態監測精準掌握國土資源數量、分布及變化趨勢，為相關工作提供決策指導。

4.地質測繪中無人機航測系統解決方案的實踐

信息化背景下，地質測繪技術不斷革新，傳統測量方式已不能滿足現代測繪的需求，而無人機的出現，不僅處理了復雜地形的測量問題，同時能為后續工作的開展提供了便利。無人機航測技術應用流程為“技術參數設計—航攝實施—像控點布設與測量—像控點布設與測量—內業空三加密—資料整理”。無人機技術參數和航拍技術參數（如表1、表2所示）:

表1 無人機技術參數

表2 航拍技術參數

4.1 控制點測量

本項目應用先測設像控點再實施航空攝影。在使用無人機航測系統開展地形測量的過程中，工作人員先設置像控點，然后對照影像控點實施無人機航空攝影，以1980西安坐標系中的相關控制點，便于全面覆蓋則兩區域，確保后續工作的順利開展。在設置像控點時，工作人員把其布置在旁向重疊、航向重疊等區域，這有效確保了像控點的公用性。如果未能滿足公用性的要求，則需通過分別布點防止出現紕漏。在測量環節中，其對測量精度提出了更高的要求，而按照實際的測量情況，無人機航測系統的應用有助于作業實效的提高。針對地質測繪的工作人員來講，應在手機智能設備中安裝相關軟件，并導入像控點的位置信息，同時使用衛星地圖進行精準定位，并按照實際測量線路科學規劃像控點的位置。為了最大限度提升像控點的測量精度，工作人員要對像控點進行隨機選擇，將像控點的平面中誤差控制在0.025m以內，確保符合相關規范和要求。在利用無人機進行航跡線設計像控點時，總共設置了70個像控點，同時在地面上進行標記，從而提高無人機辨識的準確性。

4.2 數據處理

4.2.1 檢查影像質量

在無人機航測完成后，工作人員應根據無人機測量獲取相關數據，對飛行的質量進行檢查（如圖4所示）,其中，飛行質量的檢查主要由影像重疊度、航線彎曲度、高度變化、像片旋角和傾角等組成，值得注意的是，要確保航拍范圍符合任務要求；關于影像質量的檢查，包括色調、清晰度、層次及反差等內容，看其能否識別細小的地物，并建構相應的立體模型，著重檢查大面積的污點、陰影及反光等，看其是否影響模型的建構。與此同時，在影像質量的檢查過程中，應考慮無人機在拍攝中的飛行速度，做好影像位移的工作，保證其能符合相關規范。若影像質量欠佳，難以滿足作業要求時，則工作人員應重新擬定測繪計劃，做好局部區域的補飛工作。

圖4 無人機航拍圖

4.2.2 空三加密測圖

根據地質測繪項目的實際情況，借助PIX4D的方式開展內業作業，而在空三加密環節中，要使用全數字攝影測量系統，采集好立體數據。在這個過程中，應使用統一的線型庫及符號庫，結合內業定位、外業定性的原則，確保地貌信息采集工作的順利開展。等到數據采集工作結束后，工作人員要對數據信息的精準性進行核查，避免出現移位和缺失的情況。然后使用CASS軟件，做好矢量地形圖的轉化工作，確保地形圖滿足設計要求。同時，在開展外業調繪的過程中，應借助三點自動匹配點校正影像數據，形成數字正射影像圖DOM，并根據1∶1000的比例尺進行打印，做好底圖調繪工作（如圖5所示），在此期間，工作人員應密切關注新增的地貌要素，借助幾何法、交會法等對照地物點實施補量，針對在測區內分布的公路，要根據實地位置，做好寬度、名稱和等級的調繪工作。另外，針對測區內的各級公路的名稱、寬度、路面類型和道路構造物等，應結合實際位置進行調繪。

圖5 隨機抽取地質圖

4.2.3 結果精度分析

在地形測量項目中，實際測繪長度40km，共得出1∶1000圖幅100幅。為了提高檢測效果的精確性，在測區隨機選擇了10幅成圖，對90個明顯地物點進行了采集，對其精度進行統計，結果證明:按照1∶1000地形圖精度要求，不管是平面位置中的誤差，還是高程中誤差均符合設計要求。

綜上所述，目前我國正處于社會轉型的關鍵期，無人機技術在測繪工作中彰顯了其特殊優勢，因此相關部門要大力發展無人機技術，確保其能為測繪工作提供技術方面的支持。無人機航測遙感技術是一種新型的測量工作，有助于信息的高效獲得，所以在實踐中得到了廣泛應用。在地形測量過程中，在效率和質量方面，無人機航測技術比傳統的人工測量均有較好表現，能滿足復雜地形的測量要求。同時，借助抽樣檢測的方式，證實無人機航測系統能滿足1∶1000地圖的繪制，另外其帶有靈活性、精準性、高效性等優勢，能為地質測繪工作提供了良好的數據參考。