基于無人機攝影測量技術的礦區沉陷監測方法研究

隨著我國經濟社會的發展，礦產資源的需求量相較以往顯著上升，在進行礦產資源開采的過程中，礦區沉陷的問題對于生態平衡形成了比較嚴重的影響，同時也導致工作面上方的建筑物、水體、耕地等處在較大的風險之中。在實際的工作工作推進階段，對礦區開采沉陷盆地進行準確地獲取，從而實現對礦區地表變形特征進行分析與研究是尤為重要的工作，而通過無人機測量技術，可以比較迅速地對測量區域的點云、DEM及DOM等進行獲取，且能夠確保精度。

1 無人機礦區沉陷監測過程中的外業數據獲取

1.1 數據采集方案設計

為了確保相關工作過程中取得比較良好的數據采集成功，工作人員在具體推進階段需要著重從航飛方案設計、像控點方案設計兩個方面的入手，形成細致且穩妥的執行方案。首先，在航飛方案設計階段，可以根據測區的地形條件和無人機的具體參數兩個角度進行方案設計。在既往的研究之中可以了解到，如果進行多架次的影像拼接和數據處理，則會對整體的測量精度造成一定的損失，因而有必要通過對測量區域面積、地形條件和無人機性能等疊加因素進行考慮，盡可能地減少飛行架次，提升數據的精確性。同時，圖像的分辨率對于測量結果至關重要，行高與分辨率密切相關，且兩者成正比例關系方，當行高越大，地面分辨率越大，影像清晰度就越高。

方案設計過程中，相關人員還需要考慮重疊率問題。從既往的測量工作之中可以了解誒到當相鄰兩相片在飛行同一條航線和相鄰航線上，應當有一定范圍的影像重疊。設計過程中，應當盡可能確保重疊率維持在航向的60%～65%左右，最小不應低于53%；旁向重疊率應當控制在30%～40%左右，最小不應低于15%。此外如果測量區域的地面起伏程度較大的情況下，則有必要適當增加重疊率，只有在這種措施之下，才能夠充分地保障立體測量效果與拼接效果。相關的研究之中也指出，在重疊度越大的情況下，影像的自動匹配難度將會更低，匹配點越多，則定向精度將會提高。此外，設計過程中也應當充分地考慮無人機的本身性能，如果相關設備在穩定性和抗風能力方面不足，則也有必要進一步地對航向和旁向重疊率進行提升。

其次，像控點方案的設計對于礦區監測效果影響也比較大，只有確保相關影像之中存在一定數量的像控點，才能有效地對影像存在的一系列偏差形成糾正。傳統（見圖1）的像控點布設方式像控點數量較多，實施起來困難較大，且從實施結果來看，整體精度提升較小。

針對這種情況，現階段的無人機攝影測量過程中像控點的布設有必要進行一定程度的優化，并選擇性能更佳的無人機設備。例如通過選取裝備GPS/IMU系統的無人機設備，在實施測定的過程中可以大量地減少像控點數量，同時通過空三解算即可實現對控制點的加密，更加便利地獲取相關加密點的坐標。

由于相關的拍攝過程中，受到相機、攝影數據和航飛條件等因素的影響，最終獲得的點云數據通常存在較多的噪點，這種情況將對礦區沉陷數據的最終數值準確性形成影響，因而有必要通過相關技術措施進行降噪處理?，F階段比較常用的無人機點云降噪技術主要為不規則三角網（TIN）濾波算法，這種方法在應用過程中可以比較有效地對噪點進行去除，且操作簡便，精度高。相關技術在應用階段是以一個單元為基礎，將測量區域的點云數據進行網格化的劃分。在完成對噪點的去除之后，則會以相關網格之中的最低點為中心，進行三角網的構建，在操作過程中可以通過設置剩余點到TIN的角度和距離閾值的方法，將剩下的點納入到TIN中實施相應的判斷。在初期的操作過程中，TIN處于所有點云數據的下方，隨著相關的點云加密迭代過程的逐步推進，若待分類的點加入到三角面的垂直距離，以及相關點達到TIN定點的角度均不足預設值和角度閾值，則將相關點認定為有待進一步分析的地面點，并重新進行TIN的計算，在此方法之下進行重復操作，直到對所有數據完成分析，不再有新點加入為止。

1.2 航空攝影與控點測量的實施

航空攝影階段，相關單位和人員則需要全面保障硬件設施的穩定和可靠。硬件設備保障的內容較多，主要包括如下幾項：①在起飛前需要工作人員在完成像控點布設之后準時起飛，且為了確保相關條件適宜測量，應當選擇風速小、光線好的天氣開始試飛；②確保電池電量充足，并將其固定在無人機荷倉內；③合理選擇曝光時間，并對ISO、拍照模式和曝光參數等進行調整；④檢查相機是否能夠正常工作，檢查飛機追蹤開關是否打開，檢查飛機頂蓋安裝是否牢固；⑤進行彈射架的設定，確保飛機以逆風方式起飛；⑥檢查姿態參數，確保飛機起飛角度在20～30°之間；⑦各項檢查無誤之后，對飛機前方人員進行清理并起飛。

在完成對整體方案的設計之后，相關單位和人員需要進行野外的像控點布設與測量工作。首先在野外像控點布設過程中，有必要對航測區域內的整體地形地貌狀況進行把握，當前多數礦區地形主要為山地地形，且由于礦區開采作業的影響，地表的植被數量相對較為稀少。在實施像控點布設的階段，工作人員必須選擇與地表顏色相差較大的材料進行像控點布設。同時為了確保后續測量狀況的清晰，也應當以相對平坦且不存在空中遮擋的區域為布設的首先。其次，完成像控點布設之后，需要對像控點進行測量工作的實施，該過程通?？梢圆扇∷狞c校正后的GPS接收機來完成，從而獲得已知點坐標系下的測量控制點成果。

要想保持心臟功能正常運行，需要足夠的氧及氧化產物產生腺苷三磷酸（ATP），其中又以長鏈脂肪酸作為主要供能來源。在心肌缺血缺氧的情況下，直接影響到心肌代謝功能，葡萄糖代謝則在心肌供能中扮演重要角色，葡萄糖從細胞外進入細胞需要糖轉運蛋白協助運輸，糖轉運蛋白是細胞轉運葡萄糖的載體，Akt和Glut4在糖代謝活動信號轉導途徑中起重要調節作用。

最后，相關測量工作之中應當對航測過程所可能產生的誤差進行把握，在實際的航測過程中，飛行速度、姿態、高度等都是有可能對精度形成影響的因素，而對于空三解算而言，像控點坐標的觀測系統誤差則是主要的誤差來源。在具體表現方面，相關誤差主要表現為影像質量不高、攝影物鏡畸變以及無人機飛行姿態不穩等。在影像質量方面，相關問題集中體現為環境因素如風速、霧霾等現象導致的成像模糊和扭曲等，同時如果相機的像素和曝光時間等無法滿足需求，也會在較大程度上對影像質量形成影響。針對這些問題，工作人員需要選擇合適的天氣、飛行高度，并選取相對較小的ISO來提升照片的清晰度。在攝影物鏡畸變方面，可以通過對相機的畸變參數進行糾正的方法來改善畸變問題。無人機飛行姿態問題會導致影像測量誤差和空三解算誤差的持續積累，在解決問題的過程中主要是通過充分保證飛行姿態的穩定性，讓相機曝光瞬間相片的三個角外方位元素更加準確。

既往在飛秒激光制瓣和微型角膜刀制瓣的對比研究中發現，飛秒激光制瓣術后炎癥反應強于微型角膜刀，且晚期瘢痕化明顯，2種制瓣方式引起的角膜炎癥反應均主要集中于角膜瓣邊緣[18]。再次證明SMILE和FS-LASIK在6～10 mm角膜光密度間變化量的差異于角膜瓣邊緣的愈合反應有關。FS-LASIK組內比較時2～6 mm區域內手術前后無統計學意義，而在進行SMILE和FS-LASIK組間比較的時差異有統計學意義，考慮與FS-LASIK角膜瓣的松解作用使得角膜瓣的貼合更加緊密，而SMILE由于透鏡的取出，角膜帽貼合不像FS-LASIK緊密，早期會有空隙的存在有關，但這一結論還需要進一步研究數據支持。

2 點云數據獲取及預處理

2.1 點云數據獲取

在無人機測量過程中，攝影物鏡畸變的問題對于整體的測量效果影響尤為嚴重，要實現對測區影像畸變進行有效的校正，以及明確礦區地表沉陷的具體狀況，就有必要采取相應的措施來進行處理。

在實際的檢校工作之中，以上述的檢校理論為基礎，可以以相機標定軟件，實現飛行前的檢校工作。在該過程中，相關人員需要提前對相機的感光度、光圈等參數進行設置，飛并對軟件的平面網格進行拍攝，通過將相片導入，即可以實現對相機的畸變參數進行檢校的目的。在實施測量的過程中，當前的多數無人機設備可以依托GPS/IMU來輔助空中三角測量。相關系統是以IMU（慣性測量單元）和GPS定位系統構成，慣性測量單元可以對測區慣性導航的姿態角進行獲取（俯仰角、側滾角和航跡角），從而確保測量過程中設備獲得正確的姿態參數。點云數據獲取的最后一個環節進行相關數據的生成，在完成空中三角測量并生成測區點云數據之后，進行相應的空三解算，并基于測區影像與POS數據生成行條，實現提取連點及生成點云。

其中k

、k

、k

表示徑向畸變差參數，x、y表示對應像點坐標，r表示像點相徑，Δx

表示物鏡畸變差在（x，y）方向上的改正數。

離心畸變的表達則為如下：

其中p

、p

表示離心畸變參數。

綜上所述，該線路的牽引供電系統在單邊供電模式下可以滿足2列AW3列車同時起動的負荷需求，在大雙邊供電模式下可以滿足4列AW0列車同時起動的負荷需求，其牽引供電能力滿足標準及設計的相關要求。通過對測試數據進行后期分析，可以發現既有設計單位的基本測試數據能滿足線路初期和負載特性需求。

在該過程中，首先需要完成相機的檢校工作，相機檢校的主要目的是對相機內方位元素像主點偏移量和畸變參數信息進行獲取，如果相關的檢校工作在精度上不足，則將在較大程度上影響到后續的結果，導致人力物力的浪費。部分測量活動之中，相關無人機通常沒有進行測量數碼相機的搭載，這種情況下所產生的光學畸變往往較大，在進行校正的過程中，則需要對徑向畸變和離心畸變兩個畸變參數進行把握，其中徑向畸變的數學表達如下：

2.2 點云降噪

通過現場模擬導線數據采集系統，可以采集近期輸電線路覆冰數據；應用凍雨覆冰計算方法，可以計算空氣中的液態水含量；根據測量及計算數據，應用灰色系統的GM(1，1)模型，預測幾分鐘內液態水含量的發展趨勢，并根據液態水含量計算覆冰增長趨勢，為輸電線路在線實時融冰提供依據。

3 進行礦區沉陷盆地的構建

通過上述措施進行計算之后，相關區域的整體數據已經較為完備，可以比較有效地對現階段礦區的沉陷狀況進行分析。通常而言，在完成相關數據的濾波處理之后，所留存的地面點數據是比較大的，同時也存在較多的錯誤點，對于實際的地表沉陷計算與分析沉陷規律等都會存在顯著的負面影響。

針對這種情況，相關單位在實時測量的階段可以依托傳統監測措施的布設密度與無人機的地面分辨率，來進行各個階段地面數據的間隔取樣，以增強監測準確性。在傳統監測點密度的基礎上，點云濾波分離出的地面點可通過matlad對不同階段的地面點進行配準與疊加，從而對異常值進行剔除。以實際情況為例，在測量過程中將相關數據導入到CAD軟件之中，以此進行等值線的生成，并通過工作人員目視檢查的措施，對相關的等值線質量進行檢查，從而發現其中存在的局部突變和不平滑現象（見圖2）。這種現象出現的原因主要是由于相關無人機設備在實施觀測過程中的誤差，與數據處理階段的點云疊加誤差導致，無人機觀測過程中產生的誤差無法進行剔除，但可以針對點云疊加造成的誤差現象進行剔除，從而增強準確性，并為后續的工作奠定基礎。

在上述的基礎上，可以通過多種方法進行礦區下沉盆地的獲取，如反距離加權插值算法、改進些別的差值算法、徑向基函數插值算法、克里格插值算法、局部多項式插值算法等。局部多項式插值算法在相關的測量工作之中應用尤為廣泛，在進行應用的過程中需要尋找一個適合采樣數據建模的多項式函數，該過程中，相關人員應用越高階數的插值函數對同意數據進行插值，最終所獲取的結果也就越精確。同時需要注意的是，這種插值方法本身是一種非精確的插值算法，在進行相關工作的過程中，不要求表面經過所有的采樣點，而是通過對相關離散數據的趨勢特征進行分析，確保最終的結果與真實的趨勢相擬合，依托這種方法，最終可以獲得相關采礦區域的沉陷盆地圖像（見圖3）。

試驗過程歷經波折，但試驗結果令人滿意，試驗的目的達到了。象車田里村這樣的渡口如果使用升降立柱改造成人力扯渡，渡船技術難度大大降低，渡工素質要求也不高，而安全系數會得到顯著提高，村民過渡會更加安全。

4 結語

沉陷監測工作能夠比較有效地對現階段相關礦區的資源開采工作進行把握，同時對于現階段采礦區域的各類建筑物的影響也可以實現比較良好的評估。但在傳統的沉陷監測措施之下，相關單位和人員需要進行大量的野外工作，且由于各類因素的限制，因而最終可以選取的測量點實際上相對較少，無法全面地分析區域的沉陷狀況。而采用無人機進行數據采集，并通過后續數據處理措施來對相關區域沉陷盆地進行獲取，并結合以往的各項數據來對礦區沉陷狀況進行評估的方法則能夠讓相關單位較為全面地獲取沉陷盆地的精確數據以及現階段沉陷盆地的形態特征等，對于礦區后續的開采、生態保護和建筑物保護等均具有較大的促進作用。同時，隨著現階段無人機性能越來越高，相關的監測精度已經能夠達到毫米級，從而可以有效地改善傳統的監測局面。

[1]龍林麗,劉英,張旭陽,蘇永東,陳孝楊．無人機在礦區表土特征及地質災害監測中的應用[J]．煤田地質與勘探,2021,49(06)：200-211．

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