無人機技術在礦山測繪中的應用研究

李琦

（華北地質勘查局綜合普查大隊，河北三河 065201）

1 引言

礦產資源開發中無人機技術得到廣泛運用，并發揮著不可替代的作用，能有效提升礦山測繪的精準性，為礦山開采、治理等工作提供可靠支持。新時期在礦山開采中要科學運用無人機技術，為礦山測繪工作的有效開展提供支持。本文結合工程案例，對無人機技術在礦山測繪中的應用流程進行深入探究。

2 無人機技術

無人機技術主要是在任務機中搭載高分辨率的遙感影像攝影系統，對空中及地面進行精準、高效率的拍攝與訪問，同時還具備監控、自動壓縮、圖像智能化處理等各項能力。無人機主要是由以下幾個部分組成：（1）無人駕駛飛行器。該部分是由飛行平臺、空中系統等組成[1]。（2）傳感器。所使用的相機為5D Mark Ⅱ定焦數碼相機，像素達到2100 萬。（3）飛行空中系統。自動駕駛儀UP30 為飛行空中系統，該系統是由飛行員的集成GPS 接收機、壓力與速度傳感器等組成。（4）地面監控系統與遠程控制。主要是由便攜式工作站、飛行器控制軟件等組成。無人機技術在礦山測繪中的應用優勢顯著，主要表現為：操作周期短、數據精準度高；操作簡單方便，節省成本。無人機技術作為新型技術，在礦山測繪中發揮著重要作用，在了解礦山地形地貌等實際信息方面發揮重大作用。

3 案例概況

某礦山位于我國西北部，屬于露天礦，礦產公司為對工作量進行核算，需對排土場進行土方測量。但是傳統的GNSS RTK 測量方式，不僅效率低下，危險性較高，而且一般需要組建3 人小組連續工作1 周完成測量任務。所以礦山公司最終決定使用無人機測量，將礦山測繪周期縮短為1 d，且能對測量數據誤差進行有效控制。本文對該項目案例中無人機技術的有效應用進行介紹。

4 無人機技術在礦山測繪中的應用流程

測量前礦產公司對測量項目的難點進行明確，由于測量時期為初春，項目所在區域風力較大，測量區域高低起伏較大，且由于春季風沙大，在風沙影響下對無人機防護要求較高。所以在了解測量難點后，結合實際情況制定下面的應用流程[2]。

4.1 選擇無人機系統

在礦山測繪中選擇的無人機系統為mdLiDAR1000 無人機掛載激光雷達套裝，具有較高的集成性，以md4-1000 為飛行平臺，在無人機上搭載激光雷達傳感器與相機，型號分別為SICK LD-MRS4 與FLIR 5MP Global Shutter， 而且還配有APX-15 UAV 慣導單元。LiDAR1000 無人機的測量工作流程比較簡單，具體見圖1。無人機系統所使用的技術為LiDAR；可交付成果為點云與DSM；精度為10 cm；DSM 網絡中觀測點布置間隔為10 cm；數據在1 d 內完成收集；坐標參照系為CTRF2000；投影為CGCS2000CM111E；垂直參考基準為橢球高/ 大地高。

圖1 Li DAR1000 無人機的測量工作流程

4.2 明確無人機遙感操作流程

1）收集整理資料。接到任務后工作人員需對調查的任務與目標進行全面細致分析，最終確定飛行平臺與遙感設備，結合當地天氣狀況選擇最佳時間開展測繪工作。

2）選擇起飛場地。在礦區周圍選擇最佳無人機起落場地，場地要保證無人與開闊，能為無人機的安全起飛與落地提供支持，且能為飛機機載設備的安全性提供保障[3]。

3）設計飛行方案。通過飛行方案的科學設計，能縮短飛行時間，提升測繪效率。要求工作人員能對目標區域位置、面積等基礎信息進行了解，對飛行效率予以考慮，保障無人機能全部覆蓋目標區域。

4）機載飛行控制系統檢查。優良的機載裝備是確保遙感飛行質量的關鍵所在，要求在無人機起飛前與落地后，要對飛機的各個零部件、設備及系統進行細致檢查，確保無人機的安全性與可靠性。

5）飛行質量和影像質量檢查。無人機在飛行結束之后，需對飛行質量及獲得的遙感影像質量進行細致檢查，確保原始數據的質量，為后期數據處理提供保障。無人機在航攝期間，會受到高空氣流、飛機重量的影響，導致飛行會偏離航線，所以需要在檢查期間，確定檢查重點為相片重疊度、傾角等[4]。

4.3 航線和控制點設計

無人機礦山測繪中航線設計屬于基礎性工作，會對測量質量產生極大影響。在測繪期間測繪人員需了解礦山的面積、地貌等不同內容，由于礦山面積較大，需將礦山劃分為小區域，然后分區域進行測繪[5]。為確保測繪質量，需結合礦山實際情況，對空中航線進行合理規劃，為避免無人機測繪留白，需設計旁向重疊度與航向重疊度，將無人機航線標明。無人機的精準飛行會受到地面像控點的影響，所以像控點布置需均勻合理。測繪人員需嚴格遵循1∶1 000 地形圖航空攝影測量領域的代碼要求，在礦區測繪領域開展網絡布局，為避免在地面區域留有死角，要求按照礦山地形野生刺外觀進行操作。根據露天礦山的地形等各項情況，生態修復范圍能有效獲取，并能將其生成飛行航線。在飛行高度設計時要對飛行面積、時間等進行綜合考慮，確保具有較高對地面分辨率，要求飛行高度、航向重疊率、旁向重疊率、平均地面分辨率分別為200 m、80%、60%、10 cm。

4.4 像控點測量要求

在礦山礦區內設置的有效E 級控制點為6 個，以這6 個點作為控制測量的起算數據。但是控制點布設不均勻，需對控制點進行加密處理，使用GPS 靜態觀測的方式，并對網平差有具體要求。要求衛星高度角≥15°，有效觀測衛星數≥4；平均重復設站數≥2，采用時長為45 min、數據采樣間隔為15 s；要求點為結合圖形強度因子＜6。完成控制點加密工作后，使用GPS-RTK 在測區內測量像控點坐標，為確保GPS-RTK 動態觀測的可靠性與精準性，實現數據傳輸的鏈接，要在測區高程較大的地區架設基準站。測量期間，為保證數據精準度，需將平面點位誤差、高程點位誤差分別控制在5 cm、10 cm 以內。

4.5 空中三角加密處理

無人機技術在礦山測繪中的應用，能有效縮短數據測量時間，提升測繪效率。但是由于礦山地形地貌相對比較復雜，且在礦山上長有植被，會影響測繪質，當留白比較嚴重時測量精準度就會下降。所以為提升測量精準度，在這種區域進行測量時可以通過空中三角加密的方式予以處理。影像方位是空中三角加密的基礎，要求通過數據計算與預測。

4.6 內業數據處理

為提升數據處理的精準度與處理效率，本項目中所選擇的軟件為Sart3D Captuer，Sart3D Captuer 也叫作“CC”，能快速完成三維建模，將高密度點云生成，對礦山進行真實還原。

POS 文件中在原始數據中以文檔的格式存在，要將數據導入Execl 表格中。（1）打開軟件，新建工程目錄；（2）添加圖片，做好檢查；（3）添加相片控制點，控制點需在相片上選擇；（4） 在軟件中進行空三運算；（5） 分模塊處理所拍攝的影像；（6）確定輸出格式與坐標系統；（7）完成建模。

4.7 成果圖件輸出

在礦上測繪中通過無人機技術的應用，能有效縮短外業數據采集周期，提升數據采集效率。無人機在對礦山進行航拍期間，采集的信息比較多樣，如地形、建筑物等各類信息，數據處理成為無人機航拍中的要點與難點。內業數據處理比較常見的方式為影像拼接和像控點聯測。在完成數據初步處理后，在繪圖軟件中導入數據，然后通過軟件處理就能進行采編，將成果圖件輸出。

4.8 質量要求

4.8.1 無人機圖像獲取

無人機的影像質量將直接影響后期數據處理及結果輸出的整體效果，為確保影像獲取的精準性，要求做好以下工作。

1）攝影分區。保證分區接線與圖廓線保持一致；在測繪期間對于不同測區的高差需合理控制，一般需控制在0.25 倍相對航高以內；航攝分區的跨度需劃大，并對加密方法和布點方案進行綜合考慮。

2）航向敷設。一般情況下飛行方向為東西走向，當無法滿足東西走向時，可以設置為沿河流、境界等方向；當航線內有水域時，需避免像主點為在水域中。

3）飛行質量控制。在無人機技術的快速發展期間，各類先進攝影設備、感應設備能搭載在無人機上，且這些設備的體積較小，精準度更高，操作更加便捷，所以要求在做好無人機飛行質量控制，保證圖片清晰，無云遮擋。具體要求為：相片旋轉角、整條航線的完全度需分別控制在15°以內、1.5%以內。

4.8.2 相機檢校文件

無人機遙感數據的處理并不難，參數檢?？梢酝ㄟ^已知點與目標的像點建模，獲得圖像的幾何參數，讓影響與目標地物建立起對應關系。檢校的主要內容有主點位置測定、光學畸變系數測定、偏心常數測定、成像分辨率測定等。對于這些數據信息的測定，是要確保二維影像信息得到三維空間信息。

4.8.3 攝影測量常用的坐標系

攝影測量時常使用的坐標系主要包括：（1）像平面坐標系O-XY。像平面坐標系為平面內的直角坐標系，位置坐標可以通過像點表示，確定中心點、攝影方向與平面度交點、航線分別為S、O、X 軸。（2）像空間坐標系S-XYZ。像點的空間位置可以使用像空間坐標系表示，坐標原點（投影中心）、相機的主軸分別為S、Z 軸，X 與Y 互相垂直，這樣攝影機的主軸長在坐標系內Z 軸。（3）攝影測量坐標系A-XYZ。對測量過程中模型點的坐標進行描述時所使用的坐標為攝影測量坐標，坐標原點為地面點A，XYZ 軸為空間輔助坐標系平行。

5 結語

無人機技術在礦山測繪中的應用是時代發展的產物，對礦山開采、治理等都具有重要意義。在無人機技的應用過程中，要求能合理選擇無人機系統、明確無人機遙感操作流程、明確像控點測量要求、空中三角加密處理等各個環節的細節控制。無人機技術在發展過程中會向自動化、智能化、輕便化方向發展，提升測繪數據精準度，滿足測繪要求。