無人機測繪技術在礦山地質災害治理工程量復核中的運用

趙永康

吉林省地礦測繪院，吉林 長春 130062

0 引言

目前，無人機航空攝影測量技術的迅猛發展，已經廣泛應用于各個領域，特別是在測繪領域方面，其技術優勢越來越發揮著重要的作用。在國土資源調查、不動產調查登記、基礎測繪、工程測量、應急測繪等方面優勢愈加明顯，本文主要論述了在礦山地質災害治理工程量復核中運用無人機測繪技術的優勢和可行性，進而為礦山地質災害治理工程量復核提供了新的技術手段和工作參考。

1 工程量復核

工程量復核，就是通過測繪技術手段和工作方法，在工程項目施工結束后，對其施工工程數量和質量的全面復檢和核實工作[1]。工程復核項目的實施，不但有助于工程項目的管理和監督，而且還有助于完善工程驗收的組織程序，使得項目驗收工作更加規范化和標準化。

1.1 工程量復核的依據

進行礦山地質災害治理工程量復核前，在滿足相關復核條件下，嚴格按照工程量復核依據，收集整理該項工程的所有圖集、表冊等基礎資料，并進行充分的研究和分析，依照復核依據開展工程量復核工作。主要的依據有以下幾點:一是項目的初驗報告和意見，以及工程量復核臺賬；二是項目的監理日志、竣工決算和項目過程檢查報告；三是項目的設計實施方案、設計變更文件、竣工圖及報告；四是經批準的項目科研報告或項目開展的批復文件等；五是工程量復核的相關法律法規以及國家技術規范和行業標準等。

1.2 工程量復核的內容

礦山地質災害治理工程量復核的內容主要包括內業復核和現場復核兩大部分。內業復核就是根據經過批準的項目設計實施方案、變更文件、工程部署分布圖、竣工圖冊和報告等，編制實際完成工程量和設計工程量的對比分析表。認真分析它們之間的細部數據差異和總的工程量差異，明確復核的工作重點，制定現場復核計劃。現場復核，就是利用GPS-RTK、全站儀、鋼卷尺等儀器設備在現場對復核要素進行采集復核，復核其建筑規模、數量、面積、周長、體積、長度等數據，對于隱蔽工程，以監理日志和三方簽證、審計等相關資料進行認證復核。

2 無人機航空攝影測量

隨著科技水平的飛速發展，無人機技術也廣泛應用于生產生活的各個領域。在測繪生產領域，無人機傾斜攝影測量技術，在各個測繪生產項目上均發揮著重要的作用。它能夠快速真實的獲取地表的實時影像數據，直觀反映地表各種元素及其屬性，操作簡單、使用靈活，人機交互方便、數據處理快捷，在生產中不但節約了生產成本，而且還極大提升了工作效率。

2.1 無人機傾斜攝影原理

無人機傾斜攝影，主要由飛行器平臺、攝像裝置、POS系統三部分組成。從其搭載的攝像裝置數量來分類，目前可以分為兩類。一類是在無人機上搭載五組不同角度的攝像鏡頭，利用一組垂直角度鏡頭和四組不同角度(前、后、左、右)傾斜鏡頭，實時獲取地表的影像數據和地物的側視地理信息，是目前測繪生產的一種全新攝影測量技術。另一類，是在無人機上搭載單鏡頭進行傾斜攝影測量的工作方法，其在航線規劃設計中采用“井”字型飛行路線，先東西方向相互平行飛行整個測區，再南北方向平行飛行整個測區，從而實現不同角度數據影像的采集。

通過多角度影像數據的采集，利用地面像控點成果或POS系統數據，再通過專業程序軟件，建立三維實景地理信息模型，從而獲得影像上的三維坐標數據成果。影像中豐富的地表地理信息和屬性特征，可以對影像數據進行量測和計算，其工作方便靈活、適用面廣、精度可靠、效率高效，已經成為數字建設中的主要工作方法。

2.2 無人機傾斜攝影優勢

無人機航空攝影測量，作為一項無接觸的攝影測量技術，具有靈活機動性高、數據獲取準確、節約生產成本、精度可靠等技術優勢。其操作靈活方便、數據處理自動化。目前，大量的應用在各個行業和領域，在國土調查、資源確權、數字城市、基礎測繪、應急測繪、工程驗收等測繪領域有著更加高效的工作效率和獨特的技術優勢[2]。

(1)它能夠快速采集地表影像數據和地物的側視數據，自動化和智能化程度高，在數字產品的生產制作方面，表現的尤為突出，可同時生產輸出包括DTM、DEM、DOM、DLG等數字化產品和成果。

(2)相對于傳統測繪技術手段，無人機航空攝影測量技術，很大程度上節約了人員成本和時間成本，縮短了生產周期。不但大幅提高了工作效率，而且還降低了作業人員的勞動強度。

(3)在應急測繪領域，發揮著無可比擬的技術優勢，能夠快速準確的解決人工不能到達的工作難點，能夠實時準確采集到人工難以到達地點的數據和地理屬性，為應急工作提供了快速和可靠的數據支撐。

(4)能夠真實豐富反映地理要素單元，通過不同時期影像數據的疊加分析和比對，準確地反映出地理要素的變化情況，從而為相關部門的工作決策提供高質量的輔助數據依據。

(5)在成果質量和數學精度方面，無人機數據處理采用自動程序化，能夠很好的減少人工干預的影響，減少誤差的產生和傳播，有效地保證了數據的可靠性和精度的準確性。

(6)在生產安全方面，無人機作業采用無接觸作業方法，通過低空飛行進行數據采集，避免了作業人員在現場進行施測所帶來的安全隱患，在困難難行或危險地區，無人機航空攝影測量相比于傳統接觸測量，所具有的安全優勢愈發顯著。

3 工程應用實例

3.1 工程概況

工作區位于吉林省通化縣西江鎮域內，礦山地質災害治理類型主要有崩塌、泥石流地質災害、不穩定斜坡地質災害等。測區面積約2.17 km2。測區內山勢陡峭，起伏較大，遮蔽少，裸露多，地表情況清晰。該項目的主要工程復核單元有擋土墻工程、谷坊工程、導流槽工程、護坦工程、排水涵洞工程、SNS主動防護網工程、被動防護網工程、覆土工程、高次團粒噴播工程等。結合項目的任務特點和工期要求，決定采用無人機航空攝影測量技術對該礦山地質災害治理后的工程量進行復核。

3.2 作業流程

應用大疆無人機進行低空攝影的測量技術，獲取礦區的高分辨率影像數據，通過影像數據、像控點數據、POS數據等進行數據處理，生成數字高程模型數據(DEM)、三維模型、數字正射影像數據(DOM)。然后提取礦山地質災害治理復核工程的復核元素，通過計算和數據分析比對，從而及時獲得礦山地質災害治理復核工程量，為礦山地質環境恢復治理提供準確的測繪基礎數據。作業流程圖如圖1。

圖1 作業流程圖Fig.1 Operation flow chart

3.3 技術方案

3.3.1 低空航攝平臺

采用大疆精靈4RTK多旋翼飛行器，做為本次工程項目的低空航空攝影平臺。它是一款小型高精度無人機，具有厘米級導航定位系統和高性能成像系統。本身自帶遙控裝置，界面設計靈活，人機互動操作簡便。機身搭載1英寸影像傳感器，有效像素達到2 000萬。定位精度高，水平精度指標為1 cm + 1 ppm(RMS)，垂直精度指標為1.5 cm + 1 ppm(RMS)。單次升空采集數據，可達到30 min的工作時長，是一款便攜易用，能夠全面提升航測效率的低空航攝裝置，能夠快速獲取礦區的高精度影像數據，大大的提高了礦區測繪效率。

3.3.2 像控點布設及測量

像控點布設的密度和分布均勻情況，是直接影響成果質量的關鍵因素。根據礦區的范圍和地質環境恢復治理工程分布的實際情況，本項目共均勻布設了13個像控點。所有像控點均布設在平整、無陰影、易識別的地方。按照行業標準規范施劃了“L”型地面標志物，在“L”型標志物外角打入鋼釘，用紅色油漆做好標志。對像控點三維坐標的測量，利用JL-CORS方式進行獲取像控點的2000國家大地坐標系(CGCS2000)。在數據觀測時，為了提高像控點的精度，減少誤差，采用三腳架法進行觀測。每次數據采集歷元數不少于30個，每個像控點分別獨立觀測采集兩次，將第一次觀測數據成果和第二次觀測數據成果取平均值作為該像控點的最終成果。

3.3.3 航空攝影測量

根據本項目的工期和現場情況，本次航空攝影測量利用無人機為飛行平臺，搭載傾斜攝影相機進行飛行，同時從垂直、側視等不同角度進行數據采集。并采用該無人機系統中自帶的航線規劃軟件進行航線規劃。以礦區的西北角為起點，起飛后從起點向東飛行，到達東邊界后，折返向南，然后再向西飛行，到達西邊界后，折返向南，然后再向東飛行，依次往返，直至按照規劃航線飛完整個測區。本次航攝無人機航高設置為120 m，航向重疊調整為75%，旁向重疊調整為80%，云臺角度設定為60°，飛行速度設定為6 m/s。要注意的是，三維模型質量和精度的高低，和航拍影像采集的質量有很大的關系。所以，就要求在實際生產中影像的分辨率要高、航向和旁向的重疊度要足夠大、像片清晰，生產出來的三維模型質量和精度才會更高。

3.3.4 三維建模

根據影像數據、像控點成果數據、POS數據，通過內定向、相對定向、絕對定向和區域網聯合平差等步驟，利用像片和地物點之間的空間幾何關系，進行空中三角測量，求解出其他未知點的空間坐標以及恢復像片的外方位元素。通過空中三角測量成果，進行模型的制作，構建三維模型、幾何圖形描邊、匹配建筑紋理、三維模型拓撲生成等一系列工序，最終生產出該礦區的三維模型無人機傾斜攝影測量三維建模及精度評定[3]。

本項目利用Context Capture軟件進行數據的處理，這是一款全自動實景三維建模軟件，自動化水平較高。首先將影像數據和像控點成果數據導入到該軟件中后，進行控制點和影像數據之間的關聯，其次設置完參數后，程序自動提交空中三角測量任務進行計算。然后，程序將具有重疊度的空間多像數據建立立體模型，抽取點云數據自動構建TIN模型，程序將全自動進行三維重建并進行真實影像紋理映射，最終生成數字三維模型。在此項工作中，要注意像控點的精度、空中三角測量計算的精度，特別是空中三角測量成果的質量要通過其位置精度和清晰度來進行專項的控制，以便生成出高質量的三維模型。三維模型建立流程圖如圖2。

圖2 三維模型建立流程圖Fig.2 Flow chart of 3D model establishment

3.3.5 DEM和DOM生產

數字高程模型(DEM),是一定范圍內通過規則格網點進行描述地面的高程信息數據集，主要用來反映地貌形態的空間分布情況。DEM的生產，首先要對像片進行定向建模，其精度為相對定向各點的殘余視差不大于0.02 mm。本項目采用已有的空中三角測量數據成果導入到軟件中建立立體模型。然后對測區的地形特征點、線等數據進行三維數據采集，定向和采集后，通過高程點和等高線構建TIN，在此基礎上內插DEM，并對DEM格網點進行高程檢查和編輯，編輯后再對相鄰的DEM數據進行鑲嵌和裁切，通過對該數據的空間參考系、高程精度和邏輯一致性進行質量檢查，從而最終生產制作出數字高程模型(DEM)。

數字正射影像圖(DOM),是航空攝影像數據經過垂直投影而生成的地表影像數據，具有良好的判讀性和可量測性。DOM生產，首先對所獲取的影像數據導入到軟件程序中進行勻光處理和勻色處理，然后利用已經生成的DEM數據、控制點數據進行影像的糾正融合，依次對全部影像數據進行微分糾正重采樣，處理完畢后，選取鑲嵌的數字正射影像，在相鄰的影像之間繪制鑲嵌線，并按要求外擴二排柵格點對影像進行裁切，通過幾何精度檢查和影像質量檢查，最終制作生成數字正射影像圖(DOM)[4]。需要注意的是，根據本項目的地形特點，該項目的數字正射影像圖平面位置中誤差不得大于圖上0.5 mm。

3.3.6 復核數據提取

三維模型數據、數字正射影像圖(DOM)，可視化程度高，能夠全面反映礦山地質災害工程治理的影像特征和其幾何精度，具有直觀性和可量測性。利用這一特性，實現從三維模型數據、數字正射影像數據進行高差量測、距離量測、周長和面積的量算，不但提高了礦山地質災害治理工程復核的工作效率，而且為礦山的地質環境治理提供了準確的基礎數據和技術支撐。

本項目利用EPS三維測圖軟件，將三維模型數據導入到程序中，逐個對礦山各地質災害治理后工程進行要素單元的采集。本項目共涉及崩塌地質災害治理工程數據、泥石流地質災害治理工程數據、不穩定斜坡地質災害治理工程數據。數據采集時，均精確切到地物的準確位置，對于擋土墻工程、谷坊工程、導流槽工程、護坦工程、排水涵洞工程等工程復核元素，利用三維模型和數字正射影像數據的特征進行多角度旋轉可視和選擇，選擇最佳視角進行采集其特征點，特征線。工作中采取多段切點的方法量取其長度、寬度、高度、周長等細部距離和尺寸，取平均值作為該復核要素的基本數據。對于SNS主動防護網工程、被動防護網工程、覆土工程、高次團粒噴播工程等面狀復核要素單元數據的采集，要注意地表起伏對該復核面積的影響，要充分利用已經生產制作的DEM數據，準確采集范圍內地形起伏的高程變化特征點，建立模型，準確獲取其面積和周長數據。

3.3.7 數據計算比較分析

通過以上的方法和手段獲得礦區地災治理復核工程的基礎數據后，接下來要進行數據的計算比較和分析，從而準確計算出該礦山的工程復核數據。

該項目采用南方CASS9.1軟件和幾何函數計算方法進行計算分析，對于隱蔽工程或者影像有遮擋的工程細部尺寸，利用RTK、全站儀和鋼尺進行外業的實地采集復核，從而計算出包括其面積、長度、體積等在內的實際工程量。數據分析時要充分根據該項目的防治工程實施設計方案、礦山地質災害現狀分布圖、礦山地質災害工程部署圖、SNS主動防護網、擋土墻等工程設計圖、谷坊、導流槽等工程橫截面剖面圖、項目設計變更方案、項目竣工報告等圖件和資料，進行計算和分析比對。復核計算時，采用雙人計算復核的方法，最終兩人的復核結果在規范限差之內的，取其平均值作為最終實際完成工程量。對于復核結果超過規范限差要求或者復核結果和設計或變更較大的，要及時分析原因，采取外業實地核實和檢驗，從而準確的計算出該礦山實際完成的工程量。

3.3.8 精度及效率評定

采用無人機航空攝影測量技術，用來對礦山地質災害治理工程復核，其精度指標必須要滿足國家規范要求。為了很好的驗證本項技術和傳統測量技術在礦山地質災害治理復核中的數學精度及工作效率情況，數學精度評定外業利用RTK、全站儀及鋼尺量距方法，隨機均勻對礦區內39個復核單元實地采集和檢核。工作效率主要從數據采集、數據處理、人員投入、作業工期等方面進行對比分析。精度及效率統計分析如表1。

表1 精度及效率統計分析表

根據上表統計分析結果，在該項目實施上，利用無人機航空攝影測量技術完全可以滿足礦山地質災害治理工程復核的要求，其各項精度指標和限差均達到國家規范所要求的技術標準。

4 結論

運用無人機航空攝影技術對礦山地質災害治理工程進行復核，該作業方法不但節約了時間成本和人工成本，而且作業人員的安全生產和作業的速度也明顯得到了提升。數學精度方面，現場隨機均勻對礦區的復核單元數據采集、檢查、比對和分析，并進行了精度的統計分析，數據的數學精度方面完全符合國家和行業相關標準和規范要求。

通過本次實驗，說明了無人機技術在該項目的實施中完全可以采用，并且在工作中靈活便捷和可靠，不但論證了無人機航空攝影測量技術在該項目應用的可行性，而且還為礦山應急測繪提供了新的技術手段。