無人機航空攝影測量技術在石灰巖礦區測量中的應用

李蓬勃，馬 強，黃德勝，陳傳剛，向永忠

(中國建筑材料工業地質勘查中心河南總隊，河南 信陽 464000)

無人機航空攝影測量是近年來迅速發展的空間數據獲取手段，具有較高的機動靈活性，受地形限制小，同時能大大降低外業工作的勞動量和難度[1]。該技術通過在飛行平臺上搭載高清相機，采集垂直正射影像，經過空中三角測量、密集點云匹配等步驟，生成高精度DSM與DOM，將DSM和DOM導入立體測圖軟件EPS中，采用裸眼3D測圖技術生成數字線劃圖。

以柳林華新水泥廠石灰巖礦區為例，探討無人機航空攝影測量技術在石灰巖礦區測量中的應用。通過無人機航空攝影測量，獲得原始照片及POS信息。垂直起降、免像控的技術應用對于多山多溝壑、像控點布設困難、人力難以到達等地區具有明顯的可操作性優勢，大大提高了野外數據獲取的工作效率，提升了數據實時性、準確性和可視性，制作的地形圖內容全面、精度可靠；通過內業處理與實景三維建模，制作出1∶2000地形圖，能夠確保礦山地形的測量的精準度[2]。

1 礦區概況

柳林華新水泥廠石灰巖礦區在信陽市西南27km處，位于浉河區譚家河鄉和柳林鄉交界處，行政隸屬譚家河鄉千工堰村和柳林鄉紅檀村所管轄。礦區東起靈山坡山溝谷中，西至蔡家橋，南至白鶴灣——南沖一線，北至陳家沖一顆樹灣，面積約4.0km2。氣候屬暖溫帶和北亞熱帶過度地區，區內植被發育，茶樹、果樹、雜木遍地，屬植被覆蓋區。礦區屬切割較弱的低山丘陵區，最高點位于靈山坡頂，海拔273.20m，起伏變化較大，部分區域地勢陡峭，最大海拔相對高差177.30m，區內以露天礦山采坑、居民地、林地、耕地為主，礦區范圍內有9個開采多年的大理巖采石場，交通不便，野外測量工作難度較大(圖1)。

圖1 測區位置示意圖

2 無人機在礦區測量中的應用

為滿足測量需求，在柳林華新水泥廠石灰巖礦區采用飛鷺(HERON)免像控無人機攝影測量技術對其進行數據信息采集，并繪制1∶2000地形圖。該礦區屬于低山丘陵區，無大型障礙物，便于采用無人機航空攝影測量技術對其進行全景拍攝。無人機航攝前要開展測區圖根點控制測量，確保測區圖根點精度滿足要求，利于下一步工程地質測量和精度檢查分析。

2.1 技術準備

本次選用飛鷺(HERON)免像控無人機和索尼a6300相機進行影像采集，按照1∶2000地形圖航空攝影測量技術要求，無人機主要性能參數見表1。

表1 飛鷺(HERON)免像控無人機主要性能參數

因為礦區地形相對高差不大，無人機飛行航線根據表2參數要求進行設計。航線規劃采用地面站優飛全景軟件，將實際飛行范圍轉換為kml格式文件，導入地面站優飛全景軟件，設置航線參數，軟件自動生成航線。

表2 航線規劃

2.2 無人機航攝質量

無人機飛行質量控制有效性直接關系到影像數據質量[3]。要保證無人機航拍礦區的測繪質量，對飛行前、中、后，每一個環節都務必嚴格把控，也要對飛行實施過程中的特殊情況進行把控[4]，還要對無人機的飛行方向和航拍角度進行調整控制[5]。在拍攝位置進行反復多次的無人機航拍，根據拍攝的多個清晰成像對相機參數進行調整，一直拍到最清晰的圖像[6]，確保相機參數等級滿足航拍要求。

各項檢查完畢確定無人機達到飛行作業條件后，將設計好的航線上傳無人機飛控系統，無人機操控手根據地面控制站指令啟動無人機，無人機升空后根據規劃好的航線進行飛行，到達指定位置之后執行拍照任務。在無人機飛行作業期間地面控制站實時監控無人機工作狀態，觀察無人機電池電量變化情況，確保其按照預設航線飛行，航攝相機正常工作，機載RTK能夠獲得固定解定位。無人機執行完一個架次的飛行任務后自動返回起飛點，飛控手控制無人機降落。無人機降落后，通過地面控制站下載POS數據，更換電池進行下一個架次的飛行。

在本礦區共拍攝像片965張，根據數據處理軟件Photoscan對原始數據格式要求，按指定路徑拷貝到儲存服務器上，將相機中存儲原始照片以及地面站軟件中的POS信息一鍵導出，檢查數據質量，確保像片清晰，并整理好攝影片。

2.3 內業處理與實景三維建模

(1)內業處理。

將導出的原始照片及POS信息導入至Photo Scan Pro后處理軟件，進行無像控點的全自動數據后處理(圖2)。

圖2 空中三角測量成果

(2)數字地表模型(DSM)和正射影像(DOM)模型。

完成空中三角測量后，在像片上進行更密集的特征點提取，匹配出密集的三維點云。在點云的基礎上，反演生成數字地標模型DSM和真正射影像DOM(圖3、圖4)，將實景三維模型成果以OSGB格式導出。

圖3 數字地表模型(DSM)

圖4 正射影像模型(DOM)

2.4 制作1∶2000地形圖

本次1∶2000地形圖制作采用EPS裸眼立體測圖軟件，該軟件能基于DSM進行裸眼3D測圖，是目前市場上精度最高的一款裸眼立體測圖軟件。

(1)配置測圖方案。將DOM和DSM導入EPS測圖軟件，建立測圖工程；其次采集地物，在EPS測圖軟件中按照等高線、陡坎、礦坑、居民地和垣柵、道路及附屬設施、管線及附屬設施、水系及附屬設施等地物類型分類分步驟在模型上采集，對于模型上無法準確定位的地物，打開原始拍攝的像片，確定地物位置(圖5)。

圖5 地形采集

(2)繪制地形圖。對居民地和垣柵、工礦建筑物及其他設施、交通及附屬設施、管線及附屬設施、水系及附屬設施、地貌和土質等按規范要求進行繪制，文字注記放在相應注記層，按照CASS7.0編輯軟件系統配置對數據進行分層、分色。

(3)采集高程注記點。在明顯地物和地形特征點上選好高程注記點，其密度為圖上每100cm2內12～18個(平地、山地)，高程注記精確至0.1m。高程點采集時點位應選在典型位置上，如地形特征點、道路中心線、道路交叉中心、建筑物墻基腳、較大的庭院內或空地以及地面傾斜變換處。

(4)整飾地形圖。將EPS測圖軟件中繪制好的地形圖以CASS交換文件的形式導出，成果導入南方CASS7.0數字化成圖軟件，按照相關規范及圖式進行地形圖整飾，為方便技術地質人員使用不再進行分幅。

2.5 精度分析

為確保產品質量，對生產的1∶2000數字線劃圖全過程均按ISO9001質量管理體系要求進行質量管理。實行兩檢一驗制度，作業員對起算數據、外業測量原始數據、地形圖等進行100%內業檢查和外業巡查；技術負責人對原始數據獲取、地形圖、測繪技術報告等進行全面復查；然后送公司技術質量部進行檢查驗收。

為了檢核地形圖精度，外業采用全站儀在測區范圍內均勻測定40個平面點和40個高程點作為檢測標靶點。在后處理得到的正射影像上量測測區內標靶點的平面坐標，在對應的DSM上量測標靶點對應的高程，并將其與標靶點的坐標進行統計比較，經統計平面X、Y方向和高程H的標靶點誤差分布分別如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 1:2000 比例尺測圖標靶點誤差 dX分布圖

綜上可以看出，1∶2000 比例尺測圖的平面位置誤差在1倍地面分辨率以內占45%，誤差在2倍地面分辨率以內占97%；高程誤差在1倍地面分辨率以內占67%，誤差在2倍地面分辨率以內占94%。可見飛鷺無人機航測系統完全滿足 1∶2000 免像控測圖精度要求。

3 結論和討論

(1)無人機航測技術優勢明顯，在礦山測繪中發揮了十分重要的作用。獲取到信息數據之后就開始進行處理，整體信息處理速度非常快[7]。同時，使用大數據庫可以對無人機航測技術獲取數據及圖像永久保存，隨時調用、編輯、成圖等，利用率高[8]。對礦區后期的礦產開采、動態監測及地質災害分析等工作提供了有力的輔助決策依據[9]。

圖 7 1:2000 比例尺測圖標靶點誤差 dY分布圖

圖 8 1:2000 比例尺測圖標靶點誤差 dH分布圖

(2)無人機航測系統既能搭載單鏡頭獲取垂直影像，又能搭載五鏡頭多拼相機進行三維建模。垂直起降、免像控技術的應用使得其在工作效率方面超出人工許多倍，還能夠避免礦山實地測量工作對作業員人身安全造成的影響。無人機質量優秀不易被損壞，避免在礦山地形測量上再次投入儀器產生成本浪費[10-11]。

(3)值得注意的是，架設基站的基準點級別盡量高，測量前后均應量取儀器高，確保起算數據精準；及時進行外業像片質量檢查，確保航拍像片清晰，反差適中，顏色飽和，色彩鮮明，色調一致，質量滿足要求，有不合格的及時進行補拍；如果對居民地名稱、電力線、植被等屬性無法確定時，需要重新進行外業調繪，同時需要補測航拍時被遮擋的地物，才能提高其數據的完整性和精準度[12]。