無人機(jī)航測(cè)在礦區(qū)周邊土地資源測(cè)繪中的應(yīng)用

魏亞峰

（河北省煤田地質(zhì)局第二地質(zhì)隊(duì)，河北 邢臺(tái) 054000）

隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，我國攝影測(cè)量技術(shù)得到了大幅提高。鑒于無人機(jī)輕型化、便捷化和智能化的特點(diǎn)，無人機(jī)航測(cè)在地形復(fù)雜區(qū)域和飛行困難地區(qū)高分辨率影像快速獲取小區(qū)域地形測(cè)量方面具有高效、直觀等顯著優(yōu)勢(shì)[1]。

1 概述

無人機(jī)航測(cè)是指采用多旋翼、固定翼的無人飛行器平臺(tái)，搭載單鏡頭、多鏡頭的相機(jī)傳感器，以及小型機(jī)載雷達(dá)等，進(jìn)行無人機(jī)測(cè)量的一種先進(jìn)測(cè)繪技術(shù)手段。無人機(jī)航測(cè)是對(duì)傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量、攝影測(cè)量與遙感等測(cè)繪手段的有力補(bǔ)充，具有機(jī)動(dòng)靈活、作業(yè)成本低、適用范圍廣、生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)，在飛行困難礦區(qū)高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。無人機(jī)與航空攝影測(cè)量相結(jié)合使得“無人機(jī)數(shù)字低空遙感”成為航空遙感領(lǐng)域的一個(gè)嶄新發(fā)展方向，在基礎(chǔ)測(cè)繪、土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、智慧城市建設(shè)等方面具有廣闊前景。無人機(jī)航測(cè)產(chǎn)品主要包括：航測(cè)4D 產(chǎn)品、傾斜攝影測(cè)量等。近年來，與傳統(tǒng)測(cè)量方式相比無人機(jī)航測(cè)作業(yè)成本更低、效率更高、時(shí)效性更強(qiáng)，深受測(cè)繪行業(yè)的歡迎，在礦區(qū)周邊土地資源測(cè)繪中應(yīng)用也越來越廣泛[2]。

2 精度提高的方法與影像匹配

2.1 提高數(shù)據(jù)采集精度的經(jīng)驗(yàn)性做法

無人機(jī)航測(cè)的精度取決于很多方面，其中原始照片的好壞將決定項(xiàng)目能達(dá)到的最好效果。在外業(yè)采集過程中，選擇較好的天氣、做好相機(jī)的調(diào)校尤為重要。

2.2 減小投影誤差增強(qiáng)航片幾何屬性

航攝相片為地面景物的中心投影構(gòu)像，而地圖是地面景物的正射投影，當(dāng)?shù)孛婧拖嗥鶉?yán)格水平時(shí)，兩種投影結(jié)果是等效的；但地球表面起伏將引起像點(diǎn)位移，無人機(jī)平臺(tái)飛行過程中的波動(dòng)會(huì)引起相片傾斜。因此，盡量選擇天氣條件良好的情況下進(jìn)行航拍，以增強(qiáng)相片的判讀性和保證飛行姿態(tài)的穩(wěn)定性，從而提高相片坐標(biāo)系下的像素點(diǎn)平面精度；在高差大于1/4 相對(duì)航高的測(cè)區(qū)需分區(qū)進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，以減少由投影參考面變化造成的投影誤差。

2.3 像控布設(shè)優(yōu)化提高平差精度

空中三角測(cè)量是基于地面像控點(diǎn)坐標(biāo)，利用后方交會(huì)原理計(jì)算得到相片的內(nèi)方位元素和外方位元素；再基于立體像對(duì)中的內(nèi)外方位元素和像點(diǎn)坐標(biāo)，利用前方交會(huì)原理計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的地面坐標(biāo)。因此，平坦地區(qū)應(yīng)均勻分布像控點(diǎn)，高差大的測(cè)區(qū)要加密像控點(diǎn)，這樣區(qū)域網(wǎng)約束平差后的坐標(biāo)值更趨近于實(shí)際值，從而提高像點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地面坐標(biāo)精度[3-5]。

2.4 外業(yè)調(diào)查舉證

無人機(jī)系列技術(shù)中的傾斜攝影測(cè)量技術(shù)所提供的準(zhǔn)確信息，為外業(yè)調(diào)查舉證工作的開展發(fā)揮了積極效應(yīng)，通常來說，我國所開展的外業(yè)調(diào)查舉證活動(dòng)都會(huì)充分使用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和3s 技術(shù)，在這些技術(shù)的支持下對(duì)具有差異性的圖斑進(jìn)行二次拍照舉證，在準(zhǔn)確技術(shù)信息的引導(dǎo)下，舉證人員會(huì)對(duì)不同的舉證照片的角度、時(shí)間和坐標(biāo)進(jìn)行具體記錄，通過關(guān)聯(lián)系列照片信息和圖班信息完成一系列舉證活動(dòng)。例如，在系列外業(yè)舉證活動(dòng)中，地質(zhì)情況復(fù)雜使得舉證人員的調(diào)查工作受到了阻礙，不合格的舉證照片往往會(huì)造成一系列重復(fù)舉證工作，但傾斜攝影測(cè)量技術(shù)支持系列調(diào)查人員清晰地分辨出不同區(qū)域測(cè)量點(diǎn)的特征，那么外業(yè)人員就不需要再重復(fù)進(jìn)行一系列舉證工作，外業(yè)舉證的工作效率和作業(yè)準(zhǔn)確性也將大幅度提升[6]。

3 無人機(jī)航測(cè)技術(shù)在礦區(qū)周邊地資源勘測(cè)中的應(yīng)用

3.1 無人機(jī)航空影像數(shù)據(jù)獲取

礦區(qū)周邊土地資源勘測(cè)以“細(xì)化”“信息化”和“精準(zhǔn)化”為標(biāo)準(zhǔn)，因此，快速的獲取分辨率高的航空影像資料是地質(zhì)調(diào)查能否成功的基礎(chǔ)。礦區(qū)周邊土地資源利用現(xiàn)狀較其它地區(qū)土地利用狀況相比較為單一，主要為耕地、林地、荒地等，相對(duì)面積較大，易于識(shí)別，因此礦區(qū)周邊土地資源勘測(cè)選用1m 分辨率航空遙感資料，對(duì)礦區(qū)周邊土地資源利用現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查；出現(xiàn)相對(duì)面積小，較難識(shí)別情況，因此礦區(qū)周邊土地資源勘測(cè)選擇優(yōu)于0.2m 分辨率的航空影像資料，其目的在于“細(xì)化”、“信息化”和“精準(zhǔn)化”。無人機(jī)航測(cè)技術(shù)具有時(shí)效性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活、分辨率高等優(yōu)勢(shì)，能夠精準(zhǔn)的獲取礦區(qū)周邊土地資源利用現(xiàn)狀信息，因此可以作為土地調(diào)查的基礎(chǔ)底圖圖件。

3.2 高分辨率航拍影像DOM 制作及圖斑獲取

數(shù)字正射影像（DOM）在礦區(qū)周邊土地利用和規(guī)劃中起到了重要作用。在土地資源調(diào)查中，采用的是2.5m 分辨率的衛(wèi)星遙感影像，影像分辨率較低，因此所獲得的DOM、圖斑等誤差較大。根據(jù)蔡玉軍對(duì)不同分辨率下的航空影像數(shù)據(jù)誤差分析，其中分辨率為2.5m 的影像圖斑誤差約為4.2%，分辨率為0.5m 的影像圖斑誤差為0.6%。因此，礦山國土資源勘測(cè)過程中獲得的DOM 和圖斑信息完全能夠滿足現(xiàn)階段的精度要求和細(xì)化要求。

3.3 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量是近年興起的一項(xiàng)高新技術(shù)，獲取的傾斜影像，可快速制作測(cè)量區(qū)域三維模型、TIN 模型等產(chǎn)品。傾斜影像數(shù)據(jù)作為測(cè)量區(qū)域的空間載體，以其高度創(chuàng)新的數(shù)據(jù)展示方式帶動(dòng)整個(gè)區(qū)域時(shí)空信息服務(wù)平臺(tái)數(shù)據(jù)更新?lián)Q代，以高精真的數(shù)據(jù)為礦區(qū)周邊土地規(guī)劃管理決策者提供有效的決策依據(jù)。傾斜攝影測(cè)量通過在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息。垂直地面角度拍攝獲取的影像稱為正片，鏡頭朝向與地面成一定夾角拍攝獲取的影像稱為斜片。拍攝相片時(shí)，同時(shí)記錄航高、航速、航向和旁向重疊、坐標(biāo)等參數(shù)，然后對(duì)傾斜影像進(jìn)行分析和整理。在一個(gè)時(shí)段，飛機(jī)連續(xù)拍攝幾組影像重疊的照片，同一地物最多能夠在3 張相片上被找到，這樣內(nèi)業(yè)人員可以比較輕松地進(jìn)行建筑物結(jié)構(gòu)分析，并且能選擇最為清晰的一張照片進(jìn)行紋理制作，提供更加真實(shí)直觀的實(shí)景信息。影像數(shù)據(jù)不僅能夠真實(shí)地反映地物情況，而且可通過先進(jìn)的定位技術(shù)，嵌入地理信息、影像信息，獲得更高的用戶體驗(yàn)，極大地拓展遙感影像的應(yīng)用范圍。

圖1 采用傾斜攝影測(cè)量獲取的斜片

3.4 促進(jìn)礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與治理

通過傾斜攝影測(cè)量技術(shù)建立的三維模型與傳統(tǒng)正射影像疊加DEM 建立的偽三維模型相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，為地災(zāi)點(diǎn)監(jiān)測(cè)提供了直觀、真實(shí)的三維模型。水平方向上，由于傾斜相機(jī)垂直方向的鏡頭是正射的，與傳統(tǒng)的正射影像一致，能清晰地展示水平地表面上的地物詳細(xì)信息。垂直方向上，由于傾斜相機(jī)前視、后視、左視、右視4 個(gè)方向都能拍攝，通過數(shù)據(jù)處理后能獲得清晰的地物側(cè)面信息，通過傾斜攝影測(cè)量構(gòu)建的三維模型真實(shí)地反映了礦體側(cè)面的信息，能從各個(gè)角度觀察危巖的巖體特征，而傳統(tǒng)正射影像疊加DEM 建立的偽三維模型只能精確地顯示出水平方向的地物信息，垂直方向上基本無信息顯示。如要獲得清晰的側(cè)面紋理特征，需對(duì)地物進(jìn)行拍照，獲取地物的結(jié)構(gòu)和紋理特征，進(jìn)行貼紋理處理，從而使得建模時(shí)間加長(zhǎng)、成本增加，并且導(dǎo)致數(shù)據(jù)量大且冗余、紋理失真等各種缺陷。通過傾斜攝影測(cè)量獲取地災(zāi)點(diǎn)的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，構(gòu)建地災(zāi)點(diǎn)的真實(shí)三維模型，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生地點(diǎn)進(jìn)行排查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)。對(duì)于地災(zāi)點(diǎn)尤其是坡度較大、人員難以到達(dá)的地災(zāi)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)具有重要意義。此外，基于傾斜攝影測(cè)量成果，可以實(shí)現(xiàn)地災(zāi)體（點(diǎn)）距離、表面積和體積的量算，可以為地質(zhì)災(zāi)害治理工程設(shè)計(jì)與工程量估算、災(zāi)后搶險(xiǎn)和災(zāi)后災(zāi)情評(píng)估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和決策支撐。

4 結(jié)語

無人機(jī)具有機(jī)動(dòng)靈活、高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確、作業(yè)成本低、適用范圍廣、生產(chǎn)周期短等優(yōu)點(diǎn)。無人機(jī)與航空攝影測(cè)量的結(jié)合，使得無人機(jī)數(shù)字低空航空攝影測(cè)量成為大比例尺航測(cè)流行的技術(shù)解決方案。數(shù)字航空攝影測(cè)量通過算法的改進(jìn)可有效提高影像匹配和模型連接的精度，為后期DOM 制作提供了幾何精度更高、效果更清晰、地理信息更完整的模型數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)地形測(cè)量需要投入大量人員，耗時(shí)長(zhǎng)、效率低，且由于其對(duì)作業(yè)員經(jīng)驗(yàn)的要求較高，經(jīng)驗(yàn)少的作業(yè)員在地形外業(yè)測(cè)量時(shí)容易漏測(cè)，成果整理時(shí)容易記錄不完整。無人機(jī)航測(cè)可實(shí)現(xiàn)全覆蓋采集、數(shù)字化成圖，既保證了質(zhì)量，又能大幅提高效率，優(yōu)勢(shì)明顯。隨著無人機(jī)航測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，續(xù)航能力、飛行精度和穩(wěn)定性、智能規(guī)劃航線和開發(fā)專題應(yīng)用軟件等技術(shù)的提高，將進(jìn)一步提高無人機(jī)航測(cè)的精度，并能在交互式巡查、智能化抓取、動(dòng)態(tài)檢測(cè)等領(lǐng)域不斷延伸和擴(kuò)展[7]。