無人機(jī)攝影測量在某礦區(qū)礦山測繪中的應(yīng)用

王梓洋

（云南金沙礦業(yè)股份有限公司，云南 東川654103）

通過對礦山的位置、地形、資源及其利用情況和開采影響等進(jìn)行實(shí)地勘查和測量，以獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息和資源是礦山測繪的主要目的，其意義在于全面掌握礦山資源的基本信息、利用情況、開采影響、環(huán)境影響等，以此實(shí)現(xiàn)對礦山資源的合理配置和環(huán)境保護(hù)。

無人機(jī)攝影測量是將無人機(jī)技術(shù)運(yùn)用于測繪領(lǐng)域而產(chǎn)生的新方向，是新型測繪技術(shù)與航空平臺技術(shù)、信息技術(shù)的高度集成，是對傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感測繪和有人機(jī)航空測繪的有效補(bǔ)充。其具有結(jié)構(gòu)簡單、操縱靈活、使用成本低、反應(yīng)快速的特點(diǎn)，可以靈活、快速地獲取到高分辨率、大比例尺和高現(xiàn)勢性的遙感影像?；跓o人機(jī)小、巧、靈的特點(diǎn)，在小區(qū)域和飛行困難地區(qū)高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優(yōu)勢，而隨著無人機(jī)攝影測量數(shù)據(jù)獲取和處理技術(shù)的提高，其數(shù)據(jù)和產(chǎn)品精度也越來越高，這使得無人機(jī)攝影測量已經(jīng)成為與傳統(tǒng)測量方式一樣重要的數(shù)據(jù)獲取手段，逐步在傳統(tǒng)測繪領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如大比例尺規(guī)模化測繪、4D 產(chǎn)品生產(chǎn)、三維建模、土地利用調(diào)查、礦山測量、海岸地形測量、土地整治、地籍測量、大型工程建設(shè)等方面，無人機(jī)攝影測量技術(shù)已顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢。

1 無人機(jī)攝影測量

1.1 無人機(jī)攝影測量的系統(tǒng)組成

無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)，一般由飛行平臺、任務(wù)荷載及其控制系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)四個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。

1.2 無人機(jī)攝影測量任務(wù)規(guī)劃

無人機(jī)攝影測量任務(wù)規(guī)劃是指根據(jù)測繪項(xiàng)目需求、測區(qū)地形和環(huán)境條件等信息，確定所需使用的無人機(jī)性能要求及型號；所需攜帶的載荷類型及參數(shù)；制定無人機(jī)最優(yōu)飛行路線。即綜合考慮航拍目的、無人機(jī)的性能、有效飛行時(shí)間、空域管制、地形限制等約束條件，為無人機(jī)規(guī)劃出一條或多條自出發(fā)點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)的航線，并確定載荷的配置使用及測控鏈路的工作計(jì)劃，保證無人機(jī)高效圓滿地完成任務(wù)，并安全返回基地。

（1）無人機(jī)類型的選擇。

無人機(jī)按照其使用功能、質(zhì)量、飛行原理和飛行動力等區(qū)分。按照使用功能可分為軍用、民用和消費(fèi)級無人機(jī)，民用無人機(jī)多用于環(huán)境監(jiān)測、地形測繪、資源調(diào)查等方面；根據(jù)飛行原理分為固定翼無人機(jī)、多旋翼無人機(jī)和混合式無人機(jī)等；根據(jù)動力來源分為電動和油動兩種類型。

根據(jù)礦區(qū)特殊地形地質(zhì)條件和測繪任務(wù)特征，宜選用民用固定翼油動無人機(jī)。

（2）相機(jī)及傳感器類型的選擇。

無人機(jī)測繪常用的傳感器主要包括可見光數(shù)字型相機(jī)、熱紅外相機(jī)、高光譜傳感器、多光譜傳感器和大型無人機(jī)搭載的合成孔徑雷達(dá)或機(jī)載激光雷達(dá)。不同傳感器可獲取不同的數(shù)據(jù)，完成不同的測繪任務(wù)。

根據(jù)礦區(qū)特殊地形地質(zhì)條件和測繪任務(wù)特征，宜選用可見光數(shù)碼相機(jī)、熱紅外相機(jī)。

（3）飛行環(huán)境選擇。

選擇良好飛行環(huán)境的目的一是避免飛行過程中，出現(xiàn)由于運(yùn)行失當(dāng)或外來原因而造成航空器損壞和其他事故；二是獲得滿足內(nèi)業(yè)要求的數(shù)據(jù)。事實(shí)上，不同航空器由于其設(shè)計(jì)要求、性能目的不同，其對飛行環(huán)境的要求也有所不同。飛行環(huán)境的選擇一般包括現(xiàn)場勘察、起降場地選擇、飛行環(huán)境條件選擇等。

（4）航線規(guī)劃。

無人機(jī)航線規(guī)劃也稱為航線設(shè)計(jì)，指在一定的約束條件下，從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)尋找滿足無人機(jī)機(jī)動性能及環(huán)境信息（地形數(shù)據(jù)、威脅情況）限制的生存概率最大、完成任務(wù)最佳、綜合指標(biāo)最優(yōu)的飛行軌跡。無人機(jī)航線一般可以分為三個(gè)部分：前往任務(wù)區(qū)域的航線、任務(wù)區(qū)域內(nèi)的航線和返回降落區(qū)的航線。前往任務(wù)區(qū)域的航線和返回降落區(qū)的航線一般都為突防航線，以規(guī)避危險(xiǎn)因素為主要考慮因素。任務(wù)區(qū)域內(nèi)的航線為任務(wù)航線，以成像質(zhì)童和覆蓋率為主要考慮因素。綜合考慮任務(wù)和安全因素進(jìn)行航線規(guī)劃，情況復(fù)雜，很可能得不到完全理想的規(guī)劃結(jié)果，所以通常將無人機(jī)航線分為突防航線和任務(wù)航線兩類分別進(jìn)行航線規(guī)劃。

因此，航線設(shè)計(jì)具體任務(wù)就是根據(jù)任務(wù)任務(wù)要求、航攝相機(jī)參數(shù)、航高、航攝比例尺、航攝區(qū)域情況等信息，按照規(guī)定的航向重疊（一般53%-75%）和旁向重疊（一般15%-60%）設(shè)計(jì)飛機(jī)飛行線路，航線設(shè)計(jì)需要確定有重疊度、航攝比例尺、測區(qū)基準(zhǔn)面等基本參數(shù)，以及由基本參數(shù)推算出的航高、像移量控制、曝光時(shí)間間隔等參數(shù)。

1.3 無人機(jī)攝影測量作業(yè)

航測成圖時(shí)不僅需要得到像片上地物的幾何信息，也需要得到其他信息才能完成地圖的繪制。因此，把航攝像片上的影像所代表的地物及其屬性辨認(rèn)和調(diào)查出來，并按照規(guī)定的圖式符號和注記方式表示在航攝像片上，這也是攝影測量外業(yè)工作中一項(xiàng)不可缺少的工作。

（1）相控點(diǎn)面設(shè)及相機(jī)檢校。

為確定無人機(jī)的拍攝位置，應(yīng)根據(jù)礦區(qū)的實(shí)際情況和地形特點(diǎn)進(jìn)行地面控制點(diǎn)的布設(shè)，應(yīng)盡量做到地面無區(qū)域死角，保證航測閥內(nèi)覆蓋達(dá)100%，同時(shí)還要進(jìn)行野外刺點(diǎn)，并利用高精度衛(wèi)星定位系統(tǒng)對拍照點(diǎn)位置進(jìn)行確認(rèn)，然后檢驗(yàn)調(diào)試用于航測的全部相機(jī)，確保相機(jī)處于正常工作狀態(tài)。

（2）無人機(jī)攝影測量。

無人機(jī)攝影是無人機(jī)攝影測量過程中最為核心和實(shí)質(zhì)的工作環(huán)節(jié)，需要通過定位技術(shù)、遙控技術(shù)等控制無人機(jī)飛行和拍攝，一般應(yīng)在相控點(diǎn)位置對待測礦山區(qū)域進(jìn)行反復(fù)多次的拍攝試驗(yàn)，并據(jù)每次拍攝的成像清淅度調(diào)整相機(jī)參數(shù)，直到獲取的影像呈現(xiàn)出最好的清淅度為至。

航空攝影測量是以航空攝影為前提的，而要利用航攝像片確定地面點(diǎn)的地面坐標(biāo)，就必須提供一定數(shù)量的、在像片上可準(zhǔn)確識別的地面控制點(diǎn)，這個(gè)要求通常由航測外業(yè)的像片控制測量工作完成。目前大部分?jǐn)z影測量的航拍都加入GPS 系統(tǒng)或GPS/IMU 組合系統(tǒng)，即可直接得到的每一張像片曝光時(shí)刻的外方位元素，從而在一定精度要求之下可以免去對地面已知點(diǎn)的要求。但目前的大量實(shí)際作業(yè)任務(wù)，仍然需要有部分地面控制點(diǎn)來保證精度。

即攝影測量外業(yè)工作的任務(wù)主要是像片控制測量（即在實(shí)地依據(jù)若干已知控制點(diǎn)，利用外業(yè)儀器測定出所選像片控制點(diǎn)的地面坐標(biāo)及高程，并在像片上標(biāo)示出點(diǎn)位的工作）和像片調(diào)繪（即利用像片進(jìn)行判讀、調(diào)查和繪注有關(guān)地理要素等工作的總稱。目前大多采用先室內(nèi)判繪，后野外檢查補(bǔ)繪的辦法來完成）。

（3）正射影像圖制作。

無人機(jī)拍攝完成后，采用配套計(jì)算機(jī)軟件制作正射影像圖，通過對大量的方位元素進(jìn)行分析，獲得三維點(diǎn)，然后進(jìn)一步分析航測圖像。

（4）可視模型制作。

在正射影像圖的制作過程中可獲取地形三維圖像，通過對三維圖像進(jìn)行可視化處理，以真實(shí)還原礦山的影像數(shù)據(jù)，供相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員直觀了解航拍地形，并綜合區(qū)域環(huán)境進(jìn)一步分析，可直觀地觀察地表全貌和地形特征。

（5）空三加密計(jì)算。

航測完成后，可通過解析方法獲取像片方位要素及加密點(diǎn)坐標(biāo)，校正像片數(shù)據(jù)。

2 無人機(jī)攝影測量在礦山測繪中的應(yīng)用

礦山測量測量是安全開采的基本保證，可以為礦山開采和管理提供有益的信息依據(jù)，可以為礦產(chǎn)資源和礦山周邊的生態(tài)環(huán)境的保護(hù)提供決策支持。

某礦區(qū)位于云貴高原之滇東北地區(qū)，以銅、鉛、鋅等多金屬礦產(chǎn)聞名于世。礦區(qū)屬高山地區(qū)，全為高山險(xiǎn)峻地形，高程差特別大，地形切割厲害，V 形山谷縱橫全區(qū)，地形條件十分惡劣，交通極為不便。礦區(qū)開采歷史久遠(yuǎn)，礦點(diǎn)多且較為分散，特殊的地形地質(zhì)條件及長期的采礦活動，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)泥石流、崩塌、滑坡、地陷等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，尾礦庫壩體易變形，存在潰壩隱患。

日常礦山測量、地災(zāi)及尾礦庫監(jiān)測等，給礦山測繪工作帶來了巨大的壓力，傳統(tǒng)的常規(guī)礦山測繪方法已不能滿足礦山生產(chǎn)及環(huán)境保護(hù)等方面的需要，加之受多種因素影響，公司經(jīng)濟(jì)效益滑落，經(jīng)費(fèi)較為困難，也難于開展大規(guī)模常規(guī)礦山測量及地災(zāi)、環(huán)境監(jiān)測工作。為此，公司主要采用無人機(jī)航空攝影測量，在大比例尺地形圖測繪和地災(zāi)及環(huán)境監(jiān)測方面進(jìn)行了應(yīng)用，取得了良好的生產(chǎn)效益及經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)礦區(qū)特殊的地形條件，開展了30km2的1∶2000 地形圖測繪和地災(zāi)及環(huán)境監(jiān)測試驗(yàn)，取得了良好的效果。

2.1 大比例尺地形圖測繪

由于無人機(jī)航空攝影測量具有無人機(jī)飛行相對航高低（50-1000m）、飛行速度慢（通常小于200km/h）、受氣候條件影響?。稍葡鲁涂诊w行）、遙感影像分辨率高（影像最高GSD 可小于5cm）、起降場地要求低、系統(tǒng)價(jià)格低廉、作業(yè)方式靈活（可測區(qū)內(nèi)起降，受空中管制和氣候影響較小)、安全性較高、作業(yè)時(shí)效性好、系統(tǒng)性價(jià)比高、作業(yè)周期短和效率高等特點(diǎn)，更適合小范圍（300km2以下）大比例尺、中比例尺地形圖測繪。

本次無人機(jī)攝影測量屬試驗(yàn)性質(zhì)，選擇了礦區(qū)約30km2地形極為復(fù)雜的區(qū)域，采用傾斜攝影測量方法，流程如下：

路線設(shè)計(jì)→地面控制→空中三角測量→成果精度分析。

利用配套軟件生成了正射影像圖、三維立體圖、1∶2000 線劃地形圖等成果，取得了良好的效果。

2.2 地災(zāi)及環(huán)境監(jiān)測

無人機(jī)地災(zāi)及環(huán)境監(jiān)測不需單獨(dú)飛行攝影，可與地形測量航飛同時(shí)進(jìn)行，但最好是采用傾斜攝影測量方法，以便生成三維立體圖像，更全面地反映環(huán)境現(xiàn)狀和地災(zāi)點(diǎn)全貌，它可提供的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)圖像包括地質(zhì)、地貌、土壤、水文、土地利用和植被等信息，這些信息構(gòu)成地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情評估的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。對于提高該區(qū)城地質(zhì)災(zāi)害管理和災(zāi)情評估的科學(xué)性、準(zhǔn)確性和有效性非常重要，而且可以大大提高減災(zāi)、抗災(zāi)和防災(zāi)的效率和現(xiàn)代化水平。

對于山體滑坡、泥石流和尾礦庫等重大地質(zhì)災(zāi)害，可以分析災(zāi)害嚴(yán)重程度及其空間分布，幫助分配緊急響應(yīng)資 源，快速準(zhǔn)確地獲取泥石流環(huán)境背景要素信息，而且能夠監(jiān)測其動態(tài)變化，為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

3.1 基于成熟的快速靈活、低成本獲取礦區(qū)高分辨率、大比例尺和高現(xiàn)勢性的遙感影像無人機(jī)攝影測量技術(shù)，開展特殊地形地質(zhì)條件下的礦山測量工作和地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測工作，服務(wù)礦山各生產(chǎn)部門，礦山測繪中使用無人機(jī)攝影測量是可行且必要的。

3.2 相比較傳統(tǒng)的大比例尺地形圖測繪（采用內(nèi)外業(yè)一體數(shù)字化測圖的方法，即采用GNSS RTK 與全站儀相結(jié)合的方法進(jìn)行碎部測量），可以看出，傳統(tǒng)的地形測量方法為點(diǎn)測量模式，需要測量人員抵達(dá)每一個(gè)地形特征點(diǎn)，通過逐點(diǎn)采集來獲取數(shù)據(jù)，不但非常辛苦，測量效率也較低，在大范圍地形測量中受到了一定的限制。而無人機(jī)攝影測量不僅作業(yè)速度快，可將大量的野外數(shù)據(jù)采集工作移到室內(nèi)進(jìn)行，減輕了野外工作量，大幅度降低了作業(yè)成本。傳統(tǒng)測繪方法只能提供數(shù)字線劃圖，無人機(jī)航測不僅能提供數(shù)字線劃圖，而且能提供DOM、DEM等成果，各種成果結(jié)合使用，成果豐富，方便直觀。

3.3 對于本礦區(qū)無植被覆蓋，地形破碎、復(fù)雜、地勢險(xiǎn)要等特殊情況，本次無人機(jī)攝影測量解決了人工難以到達(dá)測點(diǎn)，許多地形變換點(diǎn)無法采集，形成圖面精度不均勻、圖面地形表示失真等問題。

3.4 相比較傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測（通常采用點(diǎn)監(jiān)測的方式來估算整個(gè)區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量情況，具有一定的局限性和片面性），無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)具有視城廣、及時(shí)連續(xù)的特點(diǎn)，可迅速查明環(huán)境現(xiàn)狀。