無人機航測在礦山地形數據采集中的應用效果研究

李國強，張 林，李 力

（西藏自治區地質礦產勘查開發局第五地質大隊，西藏 拉薩 850000）

在礦山地形圖測繪當中，對測繪圖的質量整體要求比較高，若想進一步提高礦山地形圖的測繪效率，就需要應用無人機航測技術，無人機航測技術不僅有著較強的優勢，而且也可以對礦山整體地形展開細致分析。就我國當前無人機航測技術在礦山地形圖中的應用情況來看，取得了非常長足的進步，無論是從可行性上，還是從有效性上，都充分證實了無人機航測技術可以有效地描繪出礦山地形圖，但是在實際測繪的過程中，還存在著一些問題，通過進一步優化無人機航測技術，可以從根本上提高在礦山地形圖測繪中的應用效率。

1 無人機航測的簡要概述

在3s技術的有效推動下，無人機航測已經可以實現高分辨率航空攝影數據，并且通過處理這些數據，再結合圖像處理技術和定位技術，可以更有效的完成地形圖測繪工作。無人機航測技術的基礎就是無人機平臺，無人機平臺中結合了動態定位技術以及航空影像，攝影技術在高空工作時，可以對地形圖信息進行實時采集，并且更加精準地生成圖像數據，在整個圖像數據上傳的過程中，主要的應用理念就是以高分辨率的真彩色數字影響作為基礎，再通過數據處理技術以及軟件技術的支持，形成影像校正。從本質上來說，無人機的飛行高度與地面分辨率存在正比關系，將這種系統應用到無人機航測當中，可以有效地測量出距離地面高度，但是，在實際應用當中存在較大的誤差，這些誤差需要通過攝影測繪圖系統來修正。通過研究人員的實驗分析，可以得出隨著飛行高度升高100m地面的分辨率會增加2.5cm，也就是說，當無人機的飛行高度為1000m時，地面的分辨率為0.25m。除此之外，地面的起伏狀態也會引起投影誤差，這種誤差與像點位移存在關系，當地形存在起伏時，像點與垂直投影點之間會出現直線位移情況，當無人機處于垂直拍攝狀態時，投影誤差和地面高度差形成正比和飛行高度成反比，針對這一情況，可以通過增加行高來解決地形起伏所導致的誤差。

2 影響無人機測量的因素

2.1 飛行控制技術對測量的影響

無人機航測技術針對礦山地形測繪圖進行采集時，主要通過在空中飛行時采集地形數據，所以會受到空氣流動以及風向等一系列因素的影響，如果控制人員沒有有效的降低這些因素的影響，就會導致飛行控制失效，也就極容易出現俯仰角以及翻滾角等一系列問題，甚至會導致無人機失去平衡，這不僅會影響到航測程序的推進，而且也會影響到無人機攝影的質量。若在拍攝過程中，無人機出現俯仰角情況，就會導致整個畫面數據失真，不僅會導致成像質量較低的問題，而且也會導致本次航測失效[1]。所以技術人員的飛行控制技術對于影像質量而言非常重要。

2.2 相機質量對影像質量的影響

相機質量也會影響無人機的影像質量，因為相機作為無人機重要的組成部分，它的質量對于無人機整體航測影像的質量會產生不容忽視的影響。就我國當前無人機所搭載的相機來看，許多相機的加工與安裝精確度都不夠，色差較大，很容易出現影像變形的情況，而且有些相機的CCD芯片大小和分辨率非常低，這就會影響到無人機成像的清晰程度以及色彩的逼真性。除此以外，在無人機航測的過程中，數碼相機是會存在噪聲的，如果噪聲過大，也會導致圖像質量降低的情況出現。

2.3 技術方案對影像技術的影響

技術方案對無人機測量精度也有著一定的影響，若想有效運用無人機航測技術，那么首先就要制定出可行的技術方案。技術方案主要包括相片重疊度，相控點目標選取等一系列要素，這些要素對于無人機航測精確度的影響非常大。尤其在礦山地形圖測繪當中，由于礦山有地形起伏，所以對于相片重疊度的要求也就比較高，相片重疊度和基線之間成反比關系，相片重疊度越高基線的長度就越短[2]。除此之外，在技術方案設計過程中，如果無人機超出了特定的設計范圍，會顯示各個地區物品的交角變小，立體觀測效果與測量精度也會降低。

2.4 大氣條件對影像質量的影響

無人機攝像成像效果也會受到大氣條件的影響，如若當地的物象之間光線比較差，就沒有獲得有效的影像反差，就很難高辨識度的識別地形客觀條件，而且在部分情況下，有些地區的太陽光線比較強，光部和暗部之間形成的色彩差異比較大，也會導致無人機攝影最終的影像質量非常不好[3]。而且大氣污染程度以及大氣的光線都會影響無人機成像的質量，在實際測量的過程中，技術人員一定要認識到這一點問題，加強對于無人機的操作，確保無人機成像的精確性和準確性，發揮出無人機航測的真正作用，得出較為全面的礦山地形測繪圖。

3 無人機航測在礦山地形數據采集中的優勢

在我國礦山地形圖測繪方面，無人機航測技術屬于新興的技術和簡單的人機測量技術，相比較因為遙控方式以及相機像素等問題的影響，導致了無人機的應用范圍不會受到礦山地形的限制，所以也就在很大程度上節約了無人機測繪的技術和時間成本。

3.1 應急性能好

無人機航測的一個主要優勢就是應急性能非常好，因為礦山地形圖測繪工作是一項非常龐大且任務量繁重的工作，在測量過程中，由于意外因素的影響，很有可能會延緩測量進度，若想能夠及時的解決意外事件，那么就需要測量方式，具有較強的應急反應能力。而無人機航測技術則剛好符合這一要求，人機航測技術會受到多種因素的局限，在發生意外事故時，沒有辦法積極有效的解決問題，就會增加礦山測量的成本，并且也會影響到工作人員自身的安全性，但是通過無人機航測技術的應用，可以在最大程度上降低意外發生的概率所需要解決的問題，只有在無人機落地時要找到一塊平整的地面，這就在很大程度上降低了不必要的資金消耗和人員消耗。

3.2 作業周期短

無人機航測技術的另一個優勢就是他的作業周期非常短，因為無人機的飛行高度對作業周期有著非常重要的影響，很多無人機測繪都需要將飛行高度限制在1000m以內，較短的高度不僅降低了無人機對飛行空域的需求，而且也沒有必要提交空域飛行申請，這就可以從根本上提高無人機測繪的運行效率，對于無人機的工作有著非常大的幫助。在實際應用的過程中，也可以降低很多不必要的工作阻礙，進一步提高無人機的工作效率，縮短工作周期。

3.3 收集信息精準

無人機的另一個優勢就是他的數據非常精準。傳統的測繪根本就不能夠進入礦山負責危險的區域當中進行測量，但是無人機航測可以有效的進行探測，因為無人機上裝備的相機分辨率非常高，拍攝出來的影像也就更加清晰，所以，在礦山地形圖測繪當中，所得的測量數據也就更加精準，這不僅可以從根本上提高無人機的工作效率，而且對于礦山地形圖的測繪也有著很大的幫助。相較于其他測量方法而言，無人機航測在數據非常精確的基礎上，再結合3D建模等一系列計算方式，就可以得出礦山地形的基本框架，再加以相應的補充，就可以得出完整的礦山地形圖。

3.4 操作方便

無人機的體型要比人機體型小很多，在航測水平上，也有著更大的優勢，而且無人機的一個主要操作優點就是非常方便。在整體的礦山測量工作當中，相較于人機測量而言，無人機更加方便攜帶，而且無人機對于技術人員也沒有太高的操作要求，只需要經過一段時間的培訓就可以上崗使用，而且無人機的精確度也比較高，在其他方面也有著較強的優勢，這也就使得在礦山地形圖測繪方面，無人機的應用范圍要比人機大很多。

3.5 成本較低

無人機的主要操作方式是利用遙控器進行操作，相較于人機測量而言，從設備成本上就要小很多，而且也減少了很多的人工成本，在礦山地形測量方面，利用人，其測量會耗費大量的人力，物力就會造成資金大量消耗，并且還會對操作人員的生命安全造成一定的影響。但是通過無人機測量，則不存在這一問題，因為無人機測量的成本比較低，只需要工作人員站在地面上進行操作即可，這也就可以在最大程度上保證工作人員的生命安全。

4 無人機航測在礦山地形數據采集中的應用

4.1 確定礦山地形數據結構

礦山地形圖測繪工作是礦山治理項目中非常重要的一部分，近年來，我國科技的發展也為礦山地形圖測繪工作提供了一個以科技作為中心的全新發展項目，通過無人機遠程成像技術來完善礦山地形圖測繪的數字結構，不僅可以從根本上提高數字結構的精確程度，而且也可以進一步降低工作人員在礦山地形圖測繪當中的工作風險，不僅滿足了當前時代發展背景，對于礦山地形圖測繪的要求，也可以促進無人機航測技術的展開[4-9]。因為通過無人機來進行地形圖測繪，可以更清晰地得出礦山地形圖的數字結構，根據數字結構展開一系列的計算以及建模工作，就可以得出完善的礦山地形圖。

4.2 確定無人機的基本航線

無人機技術在我國多個領域當中已經有了非常廣泛的應用，在礦山治理，地形圖測繪當中也有著非常重要的影響。我國仍有部分地區還在使用最傳統的人機測繪，這不僅會帶來一定的安全隱患，而且從整體上工作效率也比較低，所以，礦山治理過程中，若想做好地形圖測繪工作，那么就要放棄以往的傳統模式，通過無人機航測劑來提高工作效率。技術人員要從無人機航線角度出發，測定出合適的航線，根據礦山的地形以及海拔范圍來使得整個測量工作更加準確。

4.3 保持航測精確度設計

在礦山地形圖測繪當中，應用無人機航測可以更好地保持航測的精確程度。在航測精確度設計方面，要求測繪的精確度越高越好，只有這樣才能夠有效的進行礦山治理的設計工作，而無人機航測技術的出現，可以滿足礦山航攝的這些要求，無人機測量的優勢在于成像非常清晰，而且效率高，精確度也非常高，更加適合作為礦山治理項目的測繪方式。無人機航測能夠在較為惡劣的天氣環境下保持正常工作，并且還能夠保持一定的精確度，可以更好地符合當前礦山治理的發展理念。

5 無人機航測在礦山地形數據采集中的應用步驟

5.1 相機像控點布設

在開展無人機航測之前，首先要對鏡頭位置進行有效規定，這一步驟稱為相機相控點布設。在相機相控點布設時，可以利用衛星定位的方法來得到有效的布控效果，并且在做完一切的準備工作后，需要專業人員安裝無人機，相機安裝完成后，還要進行必要的檢查，確保相機的鏡頭處于可工作狀態，并且相機整體運行正常，這不僅可以提高無人機測量的工作效率，也可以確保在工作室相機可以得到更加清晰的拍攝效果。相機像控點的布設對于整個無人機的拍攝而言非常重要，有效的布控點可以更好的完善礦山地形圖。

5.2 無人機攝影

無人機攝影是第二個步驟，無人機在攝影過程中需要安裝有效的定位系統，并且，定位系統可以更大限度地幫助無人機在規定時間內到達指定的布控地點進行拍攝。在無人機開展拍攝工作前，一定要加大對無人機的調試，確保無人機的正常工作狀態，并且要排除周圍一切不良因素，對于無人機拍攝效果的影響，從根本上避免無人機拍攝不清晰的情況出現。

在攝影過程中，操作人員也要時刻觀察無人機的狀態，確保無人機能夠在保持自身安全性的基礎上完成測繪工作，并且將數據傳輸到電腦數據庫當中。

5.3 處理正射影像圖

無人機航測在完成拍攝任務后，需要技術人員通過專業軟件生成幀攝影圖像，并且在正攝影圖像生成后要詳細處理各個方位元素，找出精準的三維點，進一步完善無人機航測的圖像，得出無人機航測繪制的地形圖。專業技術人員在處理正射影像圖時，主要的工作任務就是一定要保持影像圖的清晰，而且工作人員也要注意保持嚴謹認真的態度，在保證圖像精準度的程度上，對測量數據進一步完善，從而才能夠得出有效的礦山地形測繪圖，也就才能夠為后續的礦山治理工作提供幫助。

5.4 可視模型制作

在無人機完成一系列數據的拍攝以后，就可以通過可視模型來分析礦山的三維圖像。可是模型的主要優勢就在于專業人員可以更加直觀的了解到礦山的地形，并且對礦山周圍的人文環境以及區域環境進行有效探究，對無人機的測量工作有著非常重要的意義。可是，模型不僅可以進一步完善礦山地形測繪圖，對于后續的礦山治理工作，也有著非常大的幫助，所以技術人員一定要加強對于可視模型制作的重視程度，建立起有效的可視模型。

5.5 空三加密計算

專業人員在處理無人機航測完成后的測量數據時，需要用空三加密技術來進行計算，通過將加密點的坐標有效鑒定，再通過無人機航拍所得出的相片數據進行有效分析，讓坐標殘值保持趨近于零的絕對值。在礦山地形測量數據時，一定要及時利用計算機技術對數據進行分析和處理，降低數據出現差錯的概率，而且在進行加密計算工作時，工作人員可以利用平差等方式來減少外在因素，對于測量結果的影響，確保測量結果的準確性。

5.6 外業測繪與內業測圖

外業測繪與內業測圖一定要結合在一起，因為無人機航測技術在對礦山地形進行航測的過程中，需要保持各個部分的細節都落到實處，這也就可以讓無人機取得更加精確的測量成果。但是這些得出的依據都是外業測繪，將測繪范圍內設置的布控點作為基礎，通過更加專業化的方式來進行計算，這屬于內業測圖中的一部分，通過二者的有效結合，一旦出現差異較大的數據，可以及時利用無人機再次測量，這樣一來，也就可以從根本上提高無人機測量的精確程度，確保礦山測繪地形圖的準確程度。

6 結語

飛行控制技術以及相機質量﹑技術方案，大氣條件等都會對無人機的航測質量造成影響，所以在實際應用的過程中，一定要注意這些因素對無人機航測造成不利影響，無人機航測在礦山地形圖數據采集中有著應急性能好﹑作業周期短，收集信息精確﹑操作方便﹑成本較低等一系列優勢。通過有效應用無人機航測，可以確定礦山地形數據結構，并且確保無人機的基本航線保持航測的精確度，在測量過程中，首先要進行相機相控點的布設，其次，開展無人機攝影，然后處理正攝影圖像，制作可視模型，利用空三加密進行計算，將外業測繪與內業測圖聯系到一起。