低空無(wú)人機(jī)航測(cè)在大比例尺地形測(cè)繪中的應(yīng)用研究

＊郭 龍

（晉城澤祥勘探測(cè)繪有限公司 山西 048006）

在進(jìn)行礦山開(kāi)采或者礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理時(shí)，必須要以精準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)大比例尺地形測(cè)繪圖為基礎(chǔ)，但是在傳統(tǒng)的測(cè)繪工作開(kāi)展過(guò)程中，測(cè)繪人員通常采用單機(jī)站或者網(wǎng)絡(luò)PTK的方式進(jìn)行實(shí)測(cè)，這種測(cè)繪方式不僅效率低、作業(yè)周期長(zhǎng)，而且難以保證測(cè)量精度。現(xiàn)如今隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，低空無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)應(yīng)用在礦山大比例尺地形測(cè)繪中取得了顯著效果，可以妥善應(yīng)對(duì)復(fù)雜的礦山地形。

1.低空無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和不足分析

（1）應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用低空無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)測(cè)繪礦山大比例尺地形圖時(shí)，有以下幾點(diǎn)顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：首先，具有更強(qiáng)的便利性。因?yàn)榈涂諢o(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)具有較小的單位體積并且集成度更高，可以用普通車輛進(jìn)行運(yùn)輸，并且對(duì)起飛和降落的場(chǎng)地沒(méi)有過(guò)高要求，作業(yè)環(huán)境友好，不會(huì)對(duì)周邊環(huán)境帶來(lái)不利影響；其次，具有更低的成本。在使用傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)測(cè)量復(fù)雜的礦山地形時(shí)，需要花費(fèi)大量的人力和物力成本，而且測(cè)量周期長(zhǎng)、測(cè)量精度難以保證，低空無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)可有效解決這一弊端，極大程度的降低測(cè)繪成本、提高測(cè)繪精度；再次，具有更加完善的功能。低空無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)可以同時(shí)兼容氣象傳感器與熱成像儀，因此不僅能夠測(cè)量地形地貌等地質(zhì)特征，還能夠?qū)ν恋氐睦们闆r進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，功能更加完善和突出；最后，具有更高的靈活性。低空無(wú)人機(jī)體積小巧、易于攜帶，并且在測(cè)繪過(guò)程中能夠靈活調(diào)節(jié)飛行速度，而且操作流程簡(jiǎn)單，工作人員可獨(dú)立完成測(cè)繪任務(wù)。

（2）應(yīng)用不足。雖然低空無(wú)人機(jī)具有突出的航測(cè)優(yōu)點(diǎn)，但是畢竟是一種新興技術(shù)，在應(yīng)用過(guò)程中存在著一些不足之處。例如，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，工作人員尚無(wú)法克服外界因素影響保證無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定性，所以拍攝的圖片會(huì)存在著重疊度過(guò)大、重疊度不規(guī)則、特征匹配難度大等問(wèn)題。

2.低空無(wú)人機(jī)航測(cè)的數(shù)據(jù)采集和處理

（1）現(xiàn)有地形圖數(shù)據(jù)采集方式。圖1是低空無(wú)人機(jī)的攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理流程。在低空無(wú)人機(jī)航測(cè)中最常用的數(shù)據(jù)采集方式為攝影測(cè)量工作站立體觀測(cè)，通俗的說(shuō)就是在空中三角測(cè)量工作完成以后，工作人員需要以測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對(duì)模型進(jìn)行仿真處理，然后結(jié)合地形地貌等要素進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，必要時(shí)需要進(jìn)行補(bǔ)測(cè)和調(diào)繪等工作。但是此種數(shù)據(jù)采集方式效率低、工作量大。

圖1 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理流程

（2）影像點(diǎn)云地形圖數(shù)據(jù)采集方式。隨著影像匹配算法的日漸成熟，影像點(diǎn)云地形圖的數(shù)據(jù)日漸精準(zhǔn)且數(shù)量龐大，所以影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)為地形數(shù)據(jù)采集提供了便利條件。影像點(diǎn)云地形圖數(shù)據(jù)采集主要是利用點(diǎn)云處理軟件，其中激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)軟件應(yīng)用相對(duì)廣泛。處理流程如圖2所示。

圖2 影像點(diǎn)云地形數(shù)據(jù)采集流程

因?yàn)橛跋衿ヅ涞狞c(diǎn)云數(shù)據(jù)是離散分布的三維數(shù)據(jù)，并且通過(guò)影像匹配獲取同名點(diǎn)，因?yàn)槠ヅ潼c(diǎn)具有唯一性，所以在同一個(gè)坐標(biāo)系中同名點(diǎn)唯一存在。影像匹配點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含著大量的語(yǔ)義信息和文理信息，并且此種匹配方法基于特征進(jìn)行匹配，具體包括道路、建筑邊緣、斷裂線等邊緣信息，其他技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)。除此之外，此種數(shù)據(jù)采集方式在匹配影像時(shí)，可以充分利用自身?yè)碛械哪繕?biāo)光譜信息RGB值，方便后續(xù)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理。

（3）調(diào)繪補(bǔ)測(cè)與數(shù)字化成圖。南方CASS9.1是業(yè)內(nèi)最常用的數(shù)字化成圖編輯軟件，主要依靠三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)采集。如果一些影像無(wú)法精準(zhǔn)判斷地物特征，則需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，在QT Modeler軟件打開(kāi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)后可完成地形圖的高程點(diǎn)提取，如果發(fā)現(xiàn)地形出現(xiàn)較大變化，存在陡崖或者懸坡時(shí)，工作人員就可以適當(dāng)增加高程點(diǎn)密度用來(lái)保證測(cè)量的精準(zhǔn)度。如果被測(cè)區(qū)域被森林覆蓋，那么高程點(diǎn)在經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量后還需要進(jìn)行內(nèi)業(yè)補(bǔ)充，最大程度的保證測(cè)量準(zhǔn)確，然后即可將提取到的高程點(diǎn)輸入到南方CASS9.1編輯軟件中生成等高線，經(jīng)過(guò)后續(xù)內(nèi)業(yè)數(shù)字化成圖即可。

（4）外業(yè)檢查點(diǎn)精度分析。為評(píng)價(jià)低空無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量精度，工作人員需要對(duì)成果質(zhì)量進(jìn)行補(bǔ)測(cè)抽查。假設(shè)利用PTK測(cè)量的坐標(biāo)值為真實(shí)值，所以可以用相對(duì)均方根誤差RMSE和平均誤差Mmean兩個(gè)指標(biāo)來(lái)驗(yàn)證無(wú)人機(jī)航測(cè)值的離散程度和精度，公式如下：

其中，n代表像控點(diǎn)數(shù)量，Xi代表無(wú)人機(jī)航測(cè)值，Yi代表地面實(shí)測(cè)值。

3.低空無(wú)人機(jī)在礦山大比例尺地形測(cè)繪中的實(shí)際應(yīng)用

(1)工程概況

山西沁東能源有限公司東大礦井位于晉東煤炭基地晉城礦區(qū)沁水縣鄭莊鎮(zhèn)境內(nèi)；井田范圍117.2441km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力500萬(wàn)噸/年，隸屬沁水縣鄭莊鎮(zhèn)、端氏鎮(zhèn)管轄。其地理位置為東經(jīng)112°21′34″-112°31′04″，北緯35°40′32″-35°49′49″。根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)土資源部2018年2月12日頒發(fā)的采礦許可證，礦區(qū)范圍由6個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的連線圈定，井田呈不規(guī)則六方形，長(zhǎng)約13km，寬約9km，面積117.2441km2；開(kāi)采深度140m至-280m標(biāo)高。本井田位于太行山脈南端，山西省南部。地表總的趨勢(shì)為北高南底，最高點(diǎn)位于井田北端的閻家掌附近，高程+1081m，最低點(diǎn)位于井田南端沁河河床上槐莊附近，高程+566.2m，相對(duì)高差514.80m，屬剝蝕強(qiáng)烈的中低山-低中山區(qū)，區(qū)內(nèi)溝谷縱橫，多呈“V”字型、樹枝狀溝谷。本測(cè)區(qū)地物地貌較復(fù)雜，多山地，樹林覆蓋率達(dá)30%以上，地面起伏較大，最高處高程為950m，最低處高程為630m，最大高差超過(guò)300m，通行通視較困難。

(2)測(cè)區(qū)像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)的布置及測(cè)量

①像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)的選取及布置。像控點(diǎn)采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)方案，依據(jù)《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》（CH/Z 3004-2010）規(guī)定：區(qū)域網(wǎng)的圖形宜呈矩形或方形；區(qū)域網(wǎng)的大小和像控點(diǎn)之間的跨度以能夠滿足空中三角測(cè)量精度要求為原則，主要依據(jù)成圖精度、航攝資料的有關(guān)參數(shù)及對(duì)系統(tǒng)誤差的處理等多因素確定。像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)應(yīng)均勻分布和覆蓋成圖區(qū)域，在飛行前，根據(jù)成圖范圍和空三加密需要，選擇像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)的位置、確定像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)的數(shù)量，本次共布設(shè)像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)共34個(gè)。

②像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)的施測(cè)。像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量利用山西省連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)網(wǎng)及綜合服務(wù)系統(tǒng)（SXCORS），采用網(wǎng)絡(luò)RTK控制點(diǎn)測(cè)量方法，觀測(cè)時(shí)采用對(duì)中桿進(jìn)行對(duì)中、整平，使用中海達(dá)iRTK5儀器采集像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)的平面和高程（WGS84坐標(biāo)），像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)的外業(yè)采集精度誤差控制在0.01m以內(nèi)，滿足精度要求。

(3)1:2000地形圖編輯

本項(xiàng)目1:2000DLG數(shù)據(jù)采集采用MapMatrix 4.1航天遠(yuǎn)景攝影測(cè)量工作站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。將空三加密成果導(dǎo)出為MapMatrix格式，啟動(dòng)MapMatrix導(dǎo)入加密成果，并自動(dòng)建立立體像對(duì)。編輯軟件使用南方CASS9.1進(jìn)行地形圖編輯，對(duì)原始采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行粗差檢查，以全數(shù)字測(cè)圖系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)為依據(jù)，依照調(diào)繪成果，各作業(yè)員按圖式和本設(shè)計(jì)書要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理及編輯。調(diào)繪資料采用的簡(jiǎn)化符號(hào)，成圖改用正規(guī)符號(hào)。在本次航測(cè)中得到成圖點(diǎn)位誤差為0.7686m，高程誤差為0.647m，滿足1:2000地形圖的精度要求。

(4)空中三角測(cè)量

①作業(yè)流程。首先，資料整理。根據(jù)航線接圖表整理航攝影像，根據(jù)相片控制成果整理控制點(diǎn)成果，同時(shí)檢查相機(jī)檢校文件的完整性和一致性；其次，內(nèi)定向。對(duì)數(shù)碼像片，根據(jù)相機(jī)檢校文件自動(dòng)進(jìn)行內(nèi)定向，精度滿足《規(guī)范》要求；再次，相對(duì)定向。數(shù)學(xué)精度指標(biāo)：連接點(diǎn)上下視差中誤差為2/3個(gè)像數(shù)，連接點(diǎn)上下視差最大殘差為4/3個(gè)像數(shù)，能夠滿足1:2000地形圖成圖要求；最后，絕對(duì)定向。進(jìn)行像控點(diǎn)刺點(diǎn)，刺點(diǎn)片數(shù)大于6張，所刺點(diǎn)位均勻分布于測(cè)區(qū)的中心和四周，并完整覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)。

②空中三角測(cè)量檢查。檢查參數(shù)設(shè)定正確，點(diǎn)位選刺符合要求，相對(duì)定向結(jié)果滿足精度要求，絕對(duì)定向后，檢查基本定向點(diǎn)殘差、檢查點(diǎn)誤差、公共點(diǎn)較差在精度范圍內(nèi)，空三測(cè)量成果符合《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》（CH/Z 3003-2010）要求。

4.結(jié)論

綜上所述，將低空無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)應(yīng)用在礦山大比例尺地形測(cè)繪中，可以極大程度的提高測(cè)繪精度并且降低測(cè)繪成本，因此我國(guó)相關(guān)部門也投入大量精力對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)進(jìn)行深入研究，希望可以進(jìn)一步提高無(wú)人機(jī)航測(cè)的穩(wěn)定性，進(jìn)一步擴(kuò)展無(wú)人機(jī)的測(cè)繪領(lǐng)域，以此來(lái)推動(dòng)我國(guó)測(cè)繪事業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。