無人機航測在現(xiàn)代礦山測繪中的運用

李明慧，張世貝

(青海省有色地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，青海 西寧 810001)

近年來，我國的遙感技術(shù)發(fā)展情況極佳，在衛(wèi)星遙感和大飛機遙感之后，發(fā)展出了一項新的在實踐中發(fā)揮著重大作用的航空遙感技術(shù)——無人機航測遙感，這項遙感技術(shù)可應(yīng)用到應(yīng)急測繪的保障工作當中，也可以用于國土資源的監(jiān)測以及比較重大的工程建設(shè)工作當中，提高了進行這些工作的效率問題[1]。無人機航測遙感技術(shù)可以適用到比較廣泛的地形類型當中，同時可以將所監(jiān)測到的影像實時傳輸?shù)较鄳?yīng)的計算機設(shè)備當中，在高危地區(qū)等人們不能靈活出入的地方也需要運用此項技術(shù)進行探測，兼具成本低和效率高的優(yōu)點，靈活度也比較高，在復雜地形的探測工作中具有獨特的優(yōu)越性，在進行科研工作以及實際操作的過程當中，無人機航測技術(shù)發(fā)展成為一種應(yīng)用比較廣泛的航空遙感技術(shù)。

1 無人機航測技術(shù)基本理論

無人機航測遙感技術(shù)在上個世紀的二十年代就已經(jīng)稍現(xiàn)雛形，在近些年來，人類的科學技術(shù)水平不斷提高，在無人機的領(lǐng)域進行了更多的發(fā)展，使這項技術(shù)逐漸走入了人們的生產(chǎn)生活當中，且不斷根據(jù)人們的需求將這項技術(shù)發(fā)展的更加完美，對其應(yīng)用和職能范圍的提升做出了巨大貢獻。在實際應(yīng)用當中，有一些需要測繪的區(qū)域比較小，飛行也比較困難，采用人機航測的方式比較容易發(fā)生事故，就需要采用具有高分辨率采相功能且獲取速度比較快的無人機航測遙感技術(shù)。這主要是因為在當前階段，無人機航測技術(shù)和數(shù)碼技術(shù)均得到了較大的發(fā)展，在獲取空間數(shù)據(jù)的過程當中發(fā)展前景一片光明[2]。

2 無人機航測的項目任務(wù)

在進行無人機航測的項目任務(wù)制定時，需要對所航測礦山區(qū)域的地形情況和區(qū)域內(nèi)的海拔情況進行深入的了解，并結(jié)合這兩項指標來進行航測方案的制定，選擇準確度較高的航測技術(shù)和最佳的航測路線來展開工作，從而在盡可能短的時間內(nèi)收集到最為準確的礦山區(qū)域測繪數(shù)據(jù)。這一點在對青海地區(qū)某礦山區(qū)域進行測繪時發(fā)揮了巨大的作用，通過對青海地區(qū)的地形情況和區(qū)域內(nèi)的海拔情況進行了解，結(jié)合青海地形圖和海拔分布制定了相應(yīng)的航測方案，航測工作進行得十分順利[3]。

在礦山區(qū)域進行開發(fā)施工的工作時，需要以無人機航測項目作為獲取礦山區(qū)域測繪數(shù)據(jù)并根據(jù)所測的數(shù)據(jù)來擬定最佳施工方案的前提條件，無人機航測項目會對整個開發(fā)施工工程的操作方向形成絕對控制。

3 無人機航測的優(yōu)點

在將無人機航測技術(shù)應(yīng)用到礦山區(qū)域測繪的實踐當中時，發(fā)現(xiàn)了無人機航測技術(shù)的許多優(yōu)點，相對于傳統(tǒng)的人機航測技術(shù)來說，無人機的適用范圍更廣，在進行影像傳輸?shù)倪^程中所消耗的時間極短，甚至可以達到即時傳輸，節(jié)省了大量的時間資源和人力資源，是一種比較經(jīng)濟的航測方法，比較適合采用中比例尺來進行測繪工作。在此次研究當中發(fā)現(xiàn)，無人機航測的優(yōu)勢性條件主要可以體現(xiàn)為以下幾點。

3.1 應(yīng)急能力極佳

在利用無人機航測遙感技術(shù)進行礦山測繪的過程當中，其可以根據(jù)實踐中所遇到的情況進行針對性的應(yīng)急處理，對突發(fā)事件的處理工作比較到位，在起飛和降落時，所需要的場地面積比較小，節(jié)省了大量的時間、空間和經(jīng)濟成本。

3.2 作業(yè)時間短

在利用無人機航測遙感技術(shù)進行礦山測繪的過程當中，因無人機所飛行的高度在1 000 m以下，所以在進行測繪工作的過程當中，不需要向相關(guān)部門進行飛行申請，可以直接進入飛行狀態(tài)，因減少申請環(huán)節(jié)，在一定程度上縮短了作業(yè)的時間。

3.3 收集數(shù)據(jù)準確度高

在利用無人機航測遙感技術(shù)進行礦山測繪的過程當中，無人機的工作條件要求比較寬松，飛行高度也比較低，這兩種情況都可以加強其工作效果，在航測測繪的過程中采集到分辨率極高的影像數(shù)據(jù)資料，所得到的數(shù)據(jù)以兩個比例尺來出現(xiàn)，分別是1∶1 000和1∶500，都比較大，提升了所收集數(shù)據(jù)的準確度。

3.4 操作簡單便捷

在利用無人機航測遙感技術(shù)進行礦山測繪的過程當中，因為無人機不需要載操作人員，所以其較以前采用的航空攝影設(shè)備來說，在外形上比較輕巧，操作的過程中比較簡單，在攜帶與運輸設(shè)備時，也比較便捷。

4 無人機航測在礦山測繪中的運用

在青海某次無人機航測在礦山測繪運用過程中，首先必須要選擇測區(qū)，全面分析海拔情況以及地形地物特征，接著要確定航拍的范圍[3-4]。在確定起飛降落場地的過程中要依照相關(guān)比例尺飛空底圖予以綜合分析。在開展作業(yè)的過程中，無人機航攝組，必須要主動聯(lián)系主管測繪部門，還要報告相關(guān)政府部門，必須要提前做好航測工作的報備和備案工作，方可實施下一步的操作。依照作業(yè)工作區(qū)的實際情況，對飛降場地進行確定。避免區(qū)域內(nèi)有比較突出的障礙物以及一些高大的樹木、無線設(shè)備，同時區(qū)域內(nèi)無高空管線等設(shè)施。并且必須要有攝影區(qū)和起飛場地十千米的間隔距離，這樣才能更好地確保安全監(jiān)控。實施航攝的過程中，依照相關(guān)任務(wù)要求，對怎樣獲取其技術(shù)指標，達到完全覆蓋的規(guī)劃是非常重要的，現(xiàn)如今已經(jīng)有比較完備的航攝規(guī)范能夠予以參考。

此項目所選用的無人機系統(tǒng)的生產(chǎn)公司為武漢智能鳥公司，型號為KC1600電動型固定翼無人機，所搭載相機為SONYA7R，在進行航測的過程中根據(jù)地面控制系統(tǒng)所監(jiān)測的各項指標對航線進行規(guī)劃并對飛行的整個過程進行監(jiān)控、對航攝系統(tǒng)也進行了控制。這種無人機系統(tǒng)的自動化程度相對較高，可靠性和安全性都比較好。KC1600無人機的主要技術(shù)參數(shù)：翼展1 640 mm，空機重3 kg。

飛行高度<6 000 m，抗風能力4級，起降方式為彈射/傘降，機長1 000 m，有效荷載0.5 kg，續(xù)航時間為45 min，巡航速度65 km/h，飛行距離60 km/架次。

因為無人機的遙感系統(tǒng)在荷載上受到一定的限制，需要使用非量測型的數(shù)碼相機，這種相機內(nèi)方位元素一般處于未知狀態(tài)且存在不穩(wěn)定現(xiàn)象，鏡頭畸變差，在進行外方位元素的計算中，精度較低，會對測繪時所得到的影像數(shù)據(jù)造成直接的影響。為了對測繪的成果精度進行保障，在進行作業(yè)之前，委托了專業(yè)的鑒定機構(gòu)來對所選用的相機進行了檢驗。

4.1 起落點的確定

經(jīng)過對任務(wù)區(qū)域進行實際調(diào)查，將距離礦山測繪點不遠處的一處平坦的空曠地帶設(shè)置為此次無人機起降點，周圍不存在突出的障礙物。相較于別的區(qū)域，此處比較平坦，沒有大的凹坑或者石頭塊，符合無人機進行安全起降的條件。

4.2 航線設(shè)計

在確定航線的過程中首先將測區(qū)范圍1∶2 000數(shù)字地形圖提前備好，通過無人機本身攜帶的軟件，把地形圖的相關(guān)數(shù)據(jù)導入進無人機的控制系統(tǒng)中。依照相關(guān)技術(shù)設(shè)計書的規(guī)定，其比例尺設(shè)計為1∶500，以150 m標準設(shè)計飛行高度，分辨率在5 cm，寬度900 m，航向重疊率為75%，旁向重疊率為70%。飛行區(qū)域通過測區(qū)地圖進行規(guī)劃。

4.3 布設(shè)像控點

此次飛行的方向為東西向，航線在南北方向上一共10條。測控區(qū)有4個D級GPS測控點，1級GPS測控點存在于其附近，同時存在一個EGPS測控點，以1.8 km為四等以上水準點平均間距。通過周圍設(shè)置平高點的方式布置像控點。將平高點布設(shè)于飛行東西方向的各基線上，同時將平高點布設(shè)于飛行南北方向的間隔航線上，并將平高點布設(shè)于區(qū)域的中心。高程點布設(shè)于區(qū)域中各條基線上。航向以及旁向重疊區(qū)域內(nèi)布設(shè)像控點，若該像控點無法公用于相鄰航線時，應(yīng)當進行分點布設(shè)。對像控點進行選擇時，必須要無陰影的存在，避免對質(zhì)量造成影響。將地標埋設(shè)與現(xiàn)場，通過RTK對三維坐標進行測量。對接近的基礎(chǔ)控制點像控點應(yīng)當將誤差控制在0.2 m，高程誤差也應(yīng)當在0.2 m以下。通過GPS對像控點進行動態(tài)實時定位，通過RTK實施測量，為有效提升像控點的精準度，將基礎(chǔ)控制點以及已獲知的控制點進行均勻的分布，對像控點進行敷設(shè)，在測區(qū)5 km范圍內(nèi)設(shè)置流動站，確保0.03 cm的三圍坐標精度，并進行3次重復測量。

5 數(shù)據(jù)處理要點以及措施

5.1 數(shù)據(jù)處理要點

第一，由于無人機通常飛行沒有很高的高度，在相輻射上比較小，但卻有很大的數(shù)據(jù)量，可以利用單機多核以及多機多核工作站進行數(shù)據(jù)處理，與計算機多核并行應(yīng)用軟件，有效的提升數(shù)據(jù)處理效果。第二，由于無人機飛行過程中存在非常復雜的情況，一般不可以對其數(shù)據(jù)進行直接準確地利用，在此，可以依照航線飛行信息假定一套數(shù)據(jù)，達到確定相片之間相對關(guān)系目的。

5.2 數(shù)據(jù)處理

第一，數(shù)據(jù)處理的準備工作。主要涉及雙拼處理影像數(shù)據(jù)，整理和歸檔無人機的影像數(shù)據(jù)和航測數(shù)據(jù)，并對影響體具體問題進行分析，進而對飛行質(zhì)量進行判斷。將此項工作做好，能夠更好地判斷接下來數(shù)據(jù)處理的可能性，進而讓相關(guān)人員決定是否需要進行數(shù)據(jù)補飛。第二，進行空三加密工作。通過現(xiàn)代航測全自動空三及無人機影像處理系統(tǒng)(廣州遙感信息科技有限公司研發(fā))進行空中三角測量。加密解算控制點的過程中依照該軟件來進行，進而獲得高質(zhì)量的像對定向點；空三包括單像機影像區(qū)域以及雙拼虛擬影像區(qū)域網(wǎng)平差，通過光束法區(qū)域網(wǎng)平差方法進行平差。

6 項目實施建議

在當前階段，無人機的發(fā)展并不十分完善，其仍然處于研發(fā)的狀態(tài)，所以在實踐中采用無人機航測的方式來進行礦山測繪很有可能會遇到區(qū)域的基高比小且高程精度比較低的問題。在后續(xù)的航測工作當中，針對不同的礦山區(qū)域，應(yīng)該對其地形條件和地勢與海拔分布條件進行深入了解，并且根據(jù)這些指標來制定相應(yīng)的方案。對一些在航測過程中需要對立體相對像覆蓋進行擴大的礦山區(qū)域，在飛行控制時應(yīng)該采用寬相對飛行模式進行，同時在鏡頭的選取上應(yīng)該盡可能的選擇短焦型的，對相機的CCD靶面也應(yīng)該進行增大。在無人機航測技術(shù)的實際應(yīng)用當中，應(yīng)該對測繪數(shù)據(jù)的偏差來源進行分析總結(jié)，并且針對這種情況來進行后續(xù)的改進工作[5]。對無人機航測技術(shù)在礦山測繪工作中的優(yōu)點和應(yīng)用情況進行分析之后，可以發(fā)現(xiàn)，無人機航測比人機航測在礦山測繪中發(fā)揮的作用更大，較人機航測更加具有現(xiàn)實意義。

7 結(jié) 語

總之，無人機航攝技術(shù)歷經(jīng)近年來的不斷發(fā)展，現(xiàn)已非常成熟，尤其在災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)和礦產(chǎn)資源調(diào)查以及礦區(qū)測繪中應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛。尤其是無人機的靈活性可以進行小范圍的測繪工作，同時在某些工作難度大，無法進行人工測量的區(qū)域，無人機航攝系統(tǒng)具有非常強大的優(yōu)勢。