影響低空無(wú)人機(jī)航測(cè)露天礦地質(zhì)成圖精度的因素分析

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）

因?yàn)榈乩硇畔?shù)據(jù)的變換比較頻繁，諸多大型建設(shè)工程均需要及時(shí)更新數(shù)據(jù)信息，而測(cè)繪工作在技術(shù)性的高要求，生產(chǎn)規(guī)范方面的嚴(yán)格，所以導(dǎo)致地理數(shù)據(jù)的采集周期比較長(zhǎng)，成本偏高。優(yōu)化測(cè)繪方法，提升測(cè)繪作業(yè)效率，降低成本，已發(fā)展為現(xiàn)實(shí)生活中我們急需解決的重要問(wèn)題。傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)航測(cè)，一般會(huì)受到空域申請(qǐng)、航攝時(shí)長(zhǎng)等因素的影響，在快速回應(yīng)和大面積精準(zhǔn)測(cè)繪中是無(wú)法滿足行業(yè)要求的。低空無(wú)人機(jī)航測(cè)具備一系列優(yōu)勢(shì)，如機(jī)動(dòng)靈活、方便有效、成本低廉、時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)，這就使其發(fā)展了傳統(tǒng)航測(cè)[1]。現(xiàn)今為止，伴隨航空技術(shù)的迅速發(fā)展，無(wú)人機(jī)逐步被推廣應(yīng)用，通過(guò)無(wú)人機(jī)對(duì)影像資料進(jìn)行及時(shí)的采集，會(huì)大幅度降低航拍的作業(yè)難度。另外一方面，無(wú)人機(jī)飛行高度偏低的話，可以采取性價(jià)比比較高的數(shù)碼相機(jī)，其也可以滿足測(cè)繪數(shù)據(jù)的要求，所以就能夠在很大程度上降低工作難度和運(yùn)營(yíng)成本，可是因?yàn)闊o(wú)人機(jī)在飛行時(shí)很難保證其姿態(tài)的穩(wěn)定性，利用的相機(jī)發(fā)生畸變的可能性比較大等問(wèn)題，怎樣確保測(cè)繪產(chǎn)品最終的精度，就需要我們進(jìn)行有關(guān)的研究和實(shí)踐。

1 無(wú)人機(jī)航測(cè)高度對(duì)露天礦地質(zhì)成圖精度的影響

無(wú)人機(jī)航測(cè)的高度對(duì)露天礦地質(zhì)成圖成圖精度具備非常重要的影響，高度直接和低空無(wú)人機(jī)航測(cè)過(guò)程中獲取的影像像素之間存在極其緊密的聯(lián)系，同時(shí)高度在上下方向的變動(dòng)還和影像相幅大小之間存在一定的關(guān)聯(lián)。一般狀況下，低空無(wú)人機(jī)在實(shí)際飛行中，高度是作為一個(gè)從低至高的變化過(guò)程，在獲取影像的作業(yè)中，像素值實(shí)際上是一個(gè)從大至小的過(guò)程。另外，露天礦地質(zhì)成圖圖像精度也會(huì)隨之降低，這就要求在低空無(wú)人機(jī)的航測(cè)中，有關(guān)技術(shù)人員必須充分考慮到低空無(wú)人機(jī)航測(cè)露天礦的地形狀況，科學(xué)確定其飛行高度，進(jìn)一步保證地質(zhì)成圖的精度。

2 相機(jī)像素的影響

相機(jī)作為測(cè)量工具的一種，其自身像素的大小會(huì)直接影響到成圖的質(zhì)量，像素越大，圖像越發(fā)清楚，像素越小，圖像就越模糊，所以在無(wú)人機(jī)起飛時(shí)，必須充分考慮到相機(jī)自帶的像素對(duì)飛行高度進(jìn)行初步確定。相機(jī)聚焦和曝光時(shí)間的長(zhǎng)短很大程度上也會(huì)影響到最終的成圖精度，所以準(zhǔn)備工作中也需要對(duì)相機(jī)進(jìn)行聚焦，飛行高度設(shè)定為500m時(shí)，就必須尋找到一個(gè)500m的地標(biāo)物進(jìn)行對(duì)焦。曝光時(shí)間的選擇主要是和能見(jiàn)度相關(guān)，光線不佳時(shí)，需要盡可能延長(zhǎng)曝光時(shí)間。數(shù)碼相機(jī)自身就存在畸變的可能性，這會(huì)大大影響到成圖的精度，因此航測(cè)時(shí)必須對(duì)其進(jìn)行有關(guān)的參數(shù)檢校，使其方位值和畸變參數(shù)保持統(tǒng)一。一般，絕大部分情況下是采取低空無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)后處理軟件對(duì)相機(jī)進(jìn)行自我檢校處理。

3 像片傾角的影響

通常情況下，一個(gè)地面設(shè)置點(diǎn)在上下兩張相片上，會(huì)構(gòu)成縱點(diǎn)坐標(biāo)，其差值一般稱之為上下視差值，標(biāo)準(zhǔn)立體相對(duì)影像的上下視差值常規(guī)情況下是0。一個(gè)地面設(shè)置點(diǎn)在左、右兩張相片上，會(huì)構(gòu)成橫點(diǎn)坐標(biāo)，其差值一般稱之為左右視差值，標(biāo)準(zhǔn)立體相對(duì)影像的左右視差值常規(guī)情況下也是0。兩個(gè)地面設(shè)置點(diǎn)的左右視差之差即為左右視差較值，左右視差比較值是由兩個(gè)像素點(diǎn)之間的實(shí)際高度誤差造成的[2]。左右視差值可以借助理想相對(duì)影像間的左右視差比較值來(lái)表示，從而將其優(yōu)化為理想相對(duì)影像的上下視差比較值。

4 像控點(diǎn)設(shè)置的影響

在低空無(wú)人機(jī)對(duì)露天礦進(jìn)行航測(cè)的實(shí)際拍攝過(guò)程中，像控點(diǎn)的設(shè)置會(huì)導(dǎo)致最終成圖精度受到很大程度的影響，選取適宜的像控點(diǎn)，能夠有效提高最終的地質(zhì)成圖精度，否則就會(huì)降低成圖質(zhì)量。

無(wú)人機(jī)航測(cè)在準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，就必須合理設(shè)定像控點(diǎn)，并保證像控點(diǎn)的布防數(shù)目實(shí)際應(yīng)超過(guò)6個(gè)。因?yàn)榈匦蔚孛驳钠鸱兓容^大以及植被覆蓋率比較高的時(shí)候，像控點(diǎn)非常容易被其部分或完全覆蓋，進(jìn)而導(dǎo)致低空無(wú)人機(jī)的航測(cè)工作很難開(kāi)展下去，造成成圖翹曲的出現(xiàn)，且同時(shí)伴隨著獲取到的航測(cè)數(shù)據(jù)在精度上不滿足要求，影響到航測(cè)的最終成圖精度。所以，一旦遭遇到地形比較復(fù)雜多樣的航測(cè)任務(wù)，就必須全面分析露天礦的實(shí)際地形。

5 無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)的影響

無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)在很大意義上會(huì)對(duì)最終的航測(cè)成圖精度產(chǎn)生不良影響：通常，飛行方向的傾斜角度會(huì)對(duì)高程產(chǎn)生誤差影響。這是因?yàn)橐坏╋w行方向出現(xiàn)變化，會(huì)影響圖像的幅值；而實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，獲取的立體圖像出現(xiàn)偏差主要是由于偏向傾斜和正向傾斜在圖像上的疊加，造成圖像上出現(xiàn)一個(gè)雙面曲線拋物線。

飛行姿態(tài)具體包括飛機(jī)航測(cè)作業(yè)時(shí)的俯角、仰角、橫角、滾角以及偏角，簡(jiǎn)而言之，航測(cè)地質(zhì)影響成圖的飛行姿態(tài)主要是和無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)、當(dāng)時(shí)環(huán)境下的風(fēng)速、風(fēng)力等有著莫大的關(guān)聯(lián)。在飛行器穩(wěn)定性表現(xiàn)較佳的前提下，影響因素最大的即為風(fēng)。起風(fēng)時(shí)，會(huì)造成飛機(jī)為了有效抵達(dá)風(fēng)的影響而作隨之作出恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，飛機(jī)姿態(tài)就會(huì)產(chǎn)生一定程度的變動(dòng)，特別是當(dāng)風(fēng)向復(fù)雜的狀況下，飛機(jī)姿態(tài)變得更加不穩(wěn)定。如此極易導(dǎo)致航低空拍攝影像時(shí)因?yàn)榕臄z姿態(tài)角過(guò)大而造成影像重疊度過(guò)低、影像匹配失敗率過(guò)高、航攝漏洞過(guò)多或連接性不強(qiáng)等問(wèn)題。同時(shí)因?yàn)榕臄z姿態(tài)角太大，非常容易導(dǎo)致最后的航拍影像出現(xiàn)畸變更大，由此帶來(lái)最后成圖模型質(zhì)量較差[3]。低空無(wú)人機(jī)在航測(cè)露天礦地質(zhì)成圖應(yīng)用過(guò)程中，避免在風(fēng)速過(guò)大或風(fēng)向復(fù)雜的天氣下拍攝。

6 相機(jī)放置方式的影響

為了進(jìn)一步研究相機(jī)擺放位置對(duì)地質(zhì)成圖成像精度的影響，這里設(shè)定以數(shù)碼相機(jī)CCD陣面為矩形陣面，為了統(tǒng)一計(jì)算，假定CCD矩形陣面的基本像素是5616×3774，像元尺寸一般是6.4um，初始焦距設(shè)為35.5093mm，航拍相機(jī)的飛行比例尺為1∶23533；同時(shí)假設(shè)低空拍攝時(shí)像素之間的重疊度為70%，那么就能夠按照?qǐng)D1所示的立體觀測(cè)誤差示意圖獲取到影像基線的長(zhǎng)度與像點(diǎn)相交角，他們分別為：

上式，Lx代表航測(cè)影像片幅面的基本寬度，θ代表像元，f代表飛行角度，b代表比例尺。一般狀況下，為了利于統(tǒng)計(jì)，可在對(duì)基本航向方向進(jìn)行測(cè)量時(shí)，假設(shè)作業(yè)人員的左右視差誤差值大概是像元的1/3。假若以來(lái)代表視差誤差值，那就可以獲得由于人為測(cè)量誤差而出現(xiàn)的平面誤差Δx和高程誤差Δh：

式中，m代表航拍比例尺分?jǐn)?shù)的分母。通過(guò)計(jì)算可知，測(cè)得的平面精度和比例尺之間為正比相關(guān)，和CCD陣面的擺放位置沒(méi)有關(guān)聯(lián)；CCD陣面的長(zhǎng)邊和飛行方向垂直時(shí)的高程精度要比短邊和飛行方向垂直時(shí)的高程精度要高一些，這就代表當(dāng)對(duì)礦區(qū)進(jìn)行大范圍航測(cè)時(shí)，CCD陣面的長(zhǎng)邊和飛行方向垂直時(shí)的獲得的地質(zhì)作圖要更為精良。

圖1 立體觀測(cè)誤差示意圖

7 無(wú)人機(jī)平臺(tái)的影響

無(wú)人機(jī)航測(cè)一般需要搭載非量測(cè)型單反設(shè)備，其像幅比較小，為了能夠獲取露天礦整體地質(zhì)圖像，我們可借用改變航向和旁向重疊度的方法，但使用該方法會(huì)造成整個(gè)航測(cè)礦區(qū)影像數(shù)目的疊加，通常會(huì)對(duì)測(cè)量作業(yè)產(chǎn)生一定影響。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)低空無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)不管是在實(shí)用性還是在穩(wěn)定性上均有著長(zhǎng)足進(jìn)步，其技術(shù)上的改進(jìn)和創(chuàng)新勢(shì)必可以提高航測(cè)成圖的質(zhì)量，有效記錄飛機(jī)在航拍時(shí)拍攝的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并利用后期專業(yè)軟件對(duì)其進(jìn)行完善加工，進(jìn)一步保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，如此一來(lái)就可以在很大程度上避免低空無(wú)人機(jī)平臺(tái)對(duì)航測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的不良影響。

8 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)影響低空無(wú)人機(jī)航測(cè)露天礦地質(zhì)成圖精度的因素進(jìn)行分析，低空無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)擁有一系列使用優(yōu)勢(shì)，如實(shí)用性、綜合性強(qiáng)等特點(diǎn)，伴隨以后我國(guó)科學(xué)技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)勢(shì)必會(huì)改良諸多缺陷，逐步克服影響成圖精度的不利因素，從而有效實(shí)現(xiàn)了我國(guó)航測(cè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，待其功能完善以后，廣泛應(yīng)用在社會(huì)諸多行業(yè)。低空無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)很大程度上克服了傳統(tǒng)測(cè)量方法的缺陷，使其測(cè)量精度進(jìn)一步提升，可以在一定程度上滿足礦山等工程測(cè)量的一系列技術(shù)要求。希望本文對(duì)影響低空無(wú)人機(jī)航測(cè)露天礦地質(zhì)成圖精度的因素的相關(guān)研究可以為航測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供一定的理論依據(jù)。