無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在石灰?guī)r礦區(qū)測(cè)量中的應(yīng)用

李蓬勃，馬 強(qiáng)，黃德勝，陳傳剛，向永忠

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心河南總隊(duì)，河南 信陽 464000)

無人機(jī)航空攝影測(cè)量是近年來迅速發(fā)展的空間數(shù)據(jù)獲取手段，具有較高的機(jī)動(dòng)靈活性，受地形限制小，同時(shí)能大大降低外業(yè)工作的勞動(dòng)量和難度[1]。該技術(shù)通過在飛行平臺(tái)上搭載高清相機(jī)，采集垂直正射影像，經(jīng)過空中三角測(cè)量、密集點(diǎn)云匹配等步驟，生成高精度DSM與DOM，將DSM和DOM導(dǎo)入立體測(cè)圖軟件EPS中，采用裸眼3D測(cè)圖技術(shù)生成數(shù)字線劃圖。

以柳林華新水泥廠石灰?guī)r礦區(qū)為例，探討無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在石灰?guī)r礦區(qū)測(cè)量中的應(yīng)用。通過無人機(jī)航空攝影測(cè)量，獲得原始照片及POS信息。垂直起降、免像控的技術(shù)應(yīng)用對(duì)于多山多溝壑、像控點(diǎn)布設(shè)困難、人力難以到達(dá)等地區(qū)具有明顯的可操作性優(yōu)勢(shì)，大大提高了野外數(shù)據(jù)獲取的工作效率，提升了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和可視性，制作的地形圖內(nèi)容全面、精度可靠；通過內(nèi)業(yè)處理與實(shí)景三維建模，制作出1∶2000地形圖，能夠確保礦山地形的測(cè)量的精準(zhǔn)度[2]。

1 礦區(qū)概況

柳林華新水泥廠石灰?guī)r礦區(qū)在信陽市西南27km處，位于浉河區(qū)譚家河鄉(xiāng)和柳林鄉(xiāng)交界處，行政隸屬譚家河鄉(xiāng)千工堰村和柳林鄉(xiāng)紅檀村所管轄。礦區(qū)東起靈山坡山溝谷中，西至蔡家橋，南至白鶴灣——南沖一線，北至陳家沖一顆樹灣，面積約4.0km2。氣候?qū)倥瘻貛Ш捅眮啛釒н^度地區(qū)，區(qū)內(nèi)植被發(fā)育，茶樹、果樹、雜木遍地，屬植被覆蓋區(qū)。礦區(qū)屬切割較弱的低山丘陵區(qū)，最高點(diǎn)位于靈山坡頂，海拔273.20m，起伏變化較大，部分區(qū)域地勢(shì)陡峭，最大海拔相對(duì)高差177.30m，區(qū)內(nèi)以露天礦山采坑、居民地、林地、耕地為主，礦區(qū)范圍內(nèi)有9個(gè)開采多年的大理巖采石場，交通不便，野外測(cè)量工作難度較大(圖1)。

圖1 測(cè)區(qū)位置示意圖

2 無人機(jī)在礦區(qū)測(cè)量中的應(yīng)用

為滿足測(cè)量需求，在柳林華新水泥廠石灰?guī)r礦區(qū)采用飛鷺(HERON)免像控?zé)o人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)信息采集，并繪制1∶2000地形圖。該礦區(qū)屬于低山丘陵區(qū)，無大型障礙物，便于采用無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)其進(jìn)行全景拍攝。無人機(jī)航攝前要開展測(cè)區(qū)圖根點(diǎn)控制測(cè)量，確保測(cè)區(qū)圖根點(diǎn)精度滿足要求，利于下一步工程地質(zhì)測(cè)量和精度檢查分析。

2.1 技術(shù)準(zhǔn)備

本次選用飛鷺(HERON)免像控?zé)o人機(jī)和索尼a6300相機(jī)進(jìn)行影像采集，按照1∶2000地形圖航空攝影測(cè)量技術(shù)要求，無人機(jī)主要性能參數(shù)見表1。

表1 飛鷺(HERON)免像控?zé)o人機(jī)主要性能參數(shù)

因?yàn)榈V區(qū)地形相對(duì)高差不大，無人機(jī)飛行航線根據(jù)表2參數(shù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。航線規(guī)劃采用地面站優(yōu)飛全景軟件，將實(shí)際飛行范圍轉(zhuǎn)換為kml格式文件，導(dǎo)入地面站優(yōu)飛全景軟件，設(shè)置航線參數(shù)，軟件自動(dòng)生成航線。

表2 航線規(guī)劃

2.2 無人機(jī)航攝質(zhì)量

無人機(jī)飛行質(zhì)量控制有效性直接關(guān)系到影像數(shù)據(jù)質(zhì)量[3]。要保證無人機(jī)航拍礦區(qū)的測(cè)繪質(zhì)量，對(duì)飛行前、中、后，每一個(gè)環(huán)節(jié)都務(wù)必嚴(yán)格把控，也要對(duì)飛行實(shí)施過程中的特殊情況進(jìn)行把控[4]，還要對(duì)無人機(jī)的飛行方向和航拍角度進(jìn)行調(diào)整控制[5]。在拍攝位置進(jìn)行反復(fù)多次的無人機(jī)航拍，根據(jù)拍攝的多個(gè)清晰成像對(duì)相機(jī)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，一直拍到最清晰的圖像[6]，確保相機(jī)參數(shù)等級(jí)滿足航拍要求。

各項(xiàng)檢查完畢確定無人機(jī)達(dá)到飛行作業(yè)條件后，將設(shè)計(jì)好的航線上傳無人機(jī)飛控系統(tǒng)，無人機(jī)操控手根據(jù)地面控制站指令啟動(dòng)無人機(jī)，無人機(jī)升空后根據(jù)規(guī)劃好的航線進(jìn)行飛行，到達(dá)指定位置之后執(zhí)行拍照任務(wù)。在無人機(jī)飛行作業(yè)期間地面控制站實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)工作狀態(tài)，觀察無人機(jī)電池電量變化情況，確保其按照預(yù)設(shè)航線飛行，航攝相機(jī)正常工作，機(jī)載RTK能夠獲得固定解定位。無人機(jī)執(zhí)行完一個(gè)架次的飛行任務(wù)后自動(dòng)返回起飛點(diǎn)，飛控手控制無人機(jī)降落。無人機(jī)降落后，通過地面控制站下載POS數(shù)據(jù)，更換電池進(jìn)行下一個(gè)架次的飛行。

在本礦區(qū)共拍攝像片965張，根據(jù)數(shù)據(jù)處理軟件Photoscan對(duì)原始數(shù)據(jù)格式要求，按指定路徑拷貝到儲(chǔ)存服務(wù)器上，將相機(jī)中存儲(chǔ)原始照片以及地面站軟件中的POS信息一鍵導(dǎo)出，檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量，確保像片清晰，并整理好攝影片。

2.3 內(nèi)業(yè)處理與實(shí)景三維建模

(1)內(nèi)業(yè)處理。

將導(dǎo)出的原始照片及POS信息導(dǎo)入至Photo Scan Pro后處理軟件，進(jìn)行無像控點(diǎn)的全自動(dòng)數(shù)據(jù)后處理(圖2)。

圖2 空中三角測(cè)量成果

(2)數(shù)字地表模型(DSM)和正射影像(DOM)模型。

完成空中三角測(cè)量后，在像片上進(jìn)行更密集的特征點(diǎn)提取，匹配出密集的三維點(diǎn)云。在點(diǎn)云的基礎(chǔ)上，反演生成數(shù)字地標(biāo)模型DSM和真正射影像DOM(圖3、圖4)，將實(shí)景三維模型成果以O(shè)SGB格式導(dǎo)出。

圖3 數(shù)字地表模型(DSM)

圖4 正射影像模型(DOM)

2.4 制作1∶2000地形圖

本次1∶2000地形圖制作采用EPS裸眼立體測(cè)圖軟件，該軟件能基于DSM進(jìn)行裸眼3D測(cè)圖，是目前市場上精度最高的一款裸眼立體測(cè)圖軟件。

(1)配置測(cè)圖方案。將DOM和DSM導(dǎo)入EPS測(cè)圖軟件，建立測(cè)圖工程；其次采集地物，在EPS測(cè)圖軟件中按照等高線、陡坎、礦坑、居民地和垣柵、道路及附屬設(shè)施、管線及附屬設(shè)施、水系及附屬設(shè)施等地物類型分類分步驟在模型上采集，對(duì)于模型上無法準(zhǔn)確定位的地物，打開原始拍攝的像片，確定地物位置(圖5)。

圖5 地形采集

(2)繪制地形圖。對(duì)居民地和垣柵、工礦建筑物及其他設(shè)施、交通及附屬設(shè)施、管線及附屬設(shè)施、水系及附屬設(shè)施、地貌和土質(zhì)等按規(guī)范要求進(jìn)行繪制，文字注記放在相應(yīng)注記層，按照CASS7.0編輯軟件系統(tǒng)配置對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分層、分色。

(3)采集高程注記點(diǎn)。在明顯地物和地形特征點(diǎn)上選好高程注記點(diǎn)，其密度為圖上每100cm2內(nèi)12～18個(gè)(平地、山地)，高程注記精確至0.1m。高程點(diǎn)采集時(shí)點(diǎn)位應(yīng)選在典型位置上，如地形特征點(diǎn)、道路中心線、道路交叉中心、建筑物墻基腳、較大的庭院內(nèi)或空地以及地面傾斜變換處。

(4)整飾地形圖。將EPS測(cè)圖軟件中繪制好的地形圖以CASS交換文件的形式導(dǎo)出，成果導(dǎo)入南方CASS7.0數(shù)字化成圖軟件，按照相關(guān)規(guī)范及圖式進(jìn)行地形圖整飾，為方便技術(shù)地質(zhì)人員使用不再進(jìn)行分幅。

2.5 精度分析

為確保產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)生產(chǎn)的1∶2000數(shù)字線劃圖全過程均按ISO9001質(zhì)量管理體系要求進(jìn)行質(zhì)量管理。實(shí)行兩檢一驗(yàn)制度，作業(yè)員對(duì)起算數(shù)據(jù)、外業(yè)測(cè)量原始數(shù)據(jù)、地形圖等進(jìn)行100%內(nèi)業(yè)檢查和外業(yè)巡查；技術(shù)負(fù)責(zé)人對(duì)原始數(shù)據(jù)獲取、地形圖、測(cè)繪技術(shù)報(bào)告等進(jìn)行全面復(fù)查；然后送公司技術(shù)質(zhì)量部進(jìn)行檢查驗(yàn)收。

為了檢核地形圖精度，外業(yè)采用全站儀在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)均勻測(cè)定40個(gè)平面點(diǎn)和40個(gè)高程點(diǎn)作為檢測(cè)標(biāo)靶點(diǎn)。在后處理得到的正射影像上量測(cè)測(cè)區(qū)內(nèi)標(biāo)靶點(diǎn)的平面坐標(biāo)，在對(duì)應(yīng)的DSM上量測(cè)標(biāo)靶點(diǎn)對(duì)應(yīng)的高程，并將其與標(biāo)靶點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較，經(jīng)統(tǒng)計(jì)平面X、Y方向和高程H的標(biāo)靶點(diǎn)誤差分布分別如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 1:2000 比例尺測(cè)圖標(biāo)靶點(diǎn)誤差 dX分布圖

綜上可以看出，1∶2000 比例尺測(cè)圖的平面位置誤差在1倍地面分辨率以內(nèi)占45%，誤差在2倍地面分辨率以內(nèi)占97%；高程誤差在1倍地面分辨率以內(nèi)占67%，誤差在2倍地面分辨率以內(nèi)占94%?？梢婏w鷺無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)完全滿足 1∶2000 免像控測(cè)圖精度要求。

3 結(jié)論和討論

(1)無人機(jī)航測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，在礦山測(cè)繪中發(fā)揮了十分重要的作用。獲取到信息數(shù)據(jù)之后就開始進(jìn)行處理，整體信息處理速度非常快[7]。同時(shí)，使用大數(shù)據(jù)庫可以對(duì)無人機(jī)航測(cè)技術(shù)獲取數(shù)據(jù)及圖像永久保存，隨時(shí)調(diào)用、編輯、成圖等，利用率高[8]。對(duì)礦區(qū)后期的礦產(chǎn)開采、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及地質(zhì)災(zāi)害分析等工作提供了有力的輔助決策依據(jù)[9]。

圖 7 1:2000 比例尺測(cè)圖標(biāo)靶點(diǎn)誤差 dY分布圖

圖 8 1:2000 比例尺測(cè)圖標(biāo)靶點(diǎn)誤差 dH分布圖

(2)無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)既能搭載單鏡頭獲取垂直影像，又能搭載五鏡頭多拼相機(jī)進(jìn)行三維建模。垂直起降、免像控技術(shù)的應(yīng)用使得其在工作效率方面超出人工許多倍，還能夠避免礦山實(shí)地測(cè)量工作對(duì)作業(yè)員人身安全造成的影響。無人機(jī)質(zhì)量優(yōu)秀不易被損壞，避免在礦山地形測(cè)量上再次投入儀器產(chǎn)生成本浪費(fèi)[10-11]。

(3)值得注意的是，架設(shè)基站的基準(zhǔn)點(diǎn)級(jí)別盡量高，測(cè)量前后均應(yīng)量取儀器高，確保起算數(shù)據(jù)精準(zhǔn)；及時(shí)進(jìn)行外業(yè)像片質(zhì)量檢查，確保航拍像片清晰，反差適中，顏色飽和，色彩鮮明，色調(diào)一致，質(zhì)量滿足要求，有不合格的及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)拍；如果對(duì)居民地名稱、電力線、植被等屬性無法確定時(shí)，需要重新進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪，同時(shí)需要補(bǔ)測(cè)航拍時(shí)被遮擋的地物，才能提高其數(shù)據(jù)的完整性和精準(zhǔn)度[12]。