無人機測繪技術(shù)在礦山地質(zhì)災(zāi)害治理工程量復(fù)核中的運用

趙永康

吉林省地礦測繪院，吉林 長春 130062

0 引言

目前，無人機航空攝影測量技術(shù)的迅猛發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，特別是在測繪領(lǐng)域方面，其技術(shù)優(yōu)勢越來越發(fā)揮著重要的作用。在國土資源調(diào)查、不動產(chǎn)調(diào)查登記、基礎(chǔ)測繪、工程測量、應(yīng)急測繪等方面優(yōu)勢愈加明顯，本文主要論述了在礦山地質(zhì)災(zāi)害治理工程量復(fù)核中運用無人機測繪技術(shù)的優(yōu)勢和可行性，進而為礦山地質(zhì)災(zāi)害治理工程量復(fù)核提供了新的技術(shù)手段和工作參考。

1 工程量復(fù)核

工程量復(fù)核，就是通過測繪技術(shù)手段和工作方法，在工程項目施工結(jié)束后，對其施工工程數(shù)量和質(zhì)量的全面復(fù)檢和核實工作[1]。工程復(fù)核項目的實施，不但有助于工程項目的管理和監(jiān)督，而且還有助于完善工程驗收的組織程序，使得項目驗收工作更加規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。

1.1 工程量復(fù)核的依據(jù)

進行礦山地質(zhì)災(zāi)害治理工程量復(fù)核前，在滿足相關(guān)復(fù)核條件下，嚴(yán)格按照工程量復(fù)核依據(jù)，收集整理該項工程的所有圖集、表冊等基礎(chǔ)資料，并進行充分的研究和分析，依照復(fù)核依據(jù)開展工程量復(fù)核工作。主要的依據(jù)有以下幾點:一是項目的初驗報告和意見，以及工程量復(fù)核臺賬；二是項目的監(jiān)理日志、竣工決算和項目過程檢查報告；三是項目的設(shè)計實施方案、設(shè)計變更文件、竣工圖及報告；四是經(jīng)批準(zhǔn)的項目科研報告或項目開展的批復(fù)文件等；五是工程量復(fù)核的相關(guān)法律法規(guī)以及國家技術(shù)規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。

1.2 工程量復(fù)核的內(nèi)容

礦山地質(zhì)災(zāi)害治理工程量復(fù)核的內(nèi)容主要包括內(nèi)業(yè)復(fù)核和現(xiàn)場復(fù)核兩大部分。內(nèi)業(yè)復(fù)核就是根據(jù)經(jīng)過批準(zhǔn)的項目設(shè)計實施方案、變更文件、工程部署分布圖、竣工圖冊和報告等，編制實際完成工程量和設(shè)計工程量的對比分析表。認真分析它們之間的細部數(shù)據(jù)差異和總的工程量差異，明確復(fù)核的工作重點，制定現(xiàn)場復(fù)核計劃。現(xiàn)場復(fù)核，就是利用GPS-RTK、全站儀、鋼卷尺等儀器設(shè)備在現(xiàn)場對復(fù)核要素進行采集復(fù)核，復(fù)核其建筑規(guī)模、數(shù)量、面積、周長、體積、長度等數(shù)據(jù)，對于隱蔽工程，以監(jiān)理日志和三方簽證、審計等相關(guān)資料進行認證復(fù)核。

2 無人機航空攝影測量

隨著科技水平的飛速發(fā)展，無人機技術(shù)也廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域。在測繪生產(chǎn)領(lǐng)域，無人機傾斜攝影測量技術(shù)，在各個測繪生產(chǎn)項目上均發(fā)揮著重要的作用。它能夠快速真實的獲取地表的實時影像數(shù)據(jù)，直觀反映地表各種元素及其屬性，操作簡單、使用靈活，人機交互方便、數(shù)據(jù)處理快捷，在生產(chǎn)中不但節(jié)約了生產(chǎn)成本，而且還極大提升了工作效率。

2.1 無人機傾斜攝影原理

無人機傾斜攝影，主要由飛行器平臺、攝像裝置、POS系統(tǒng)三部分組成。從其搭載的攝像裝置數(shù)量來分類，目前可以分為兩類。一類是在無人機上搭載五組不同角度的攝像鏡頭，利用一組垂直角度鏡頭和四組不同角度(前、后、左、右)傾斜鏡頭，實時獲取地表的影像數(shù)據(jù)和地物的側(cè)視地理信息，是目前測繪生產(chǎn)的一種全新攝影測量技術(shù)。另一類，是在無人機上搭載單鏡頭進行傾斜攝影測量的工作方法，其在航線規(guī)劃設(shè)計中采用“井”字型飛行路線，先東西方向相互平行飛行整個測區(qū)，再南北方向平行飛行整個測區(qū)，從而實現(xiàn)不同角度數(shù)據(jù)影像的采集。

通過多角度影像數(shù)據(jù)的采集，利用地面像控點成果或POS系統(tǒng)數(shù)據(jù)，再通過專業(yè)程序軟件，建立三維實景地理信息模型，從而獲得影像上的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)成果。影像中豐富的地表地理信息和屬性特征，可以對影像數(shù)據(jù)進行量測和計算，其工作方便靈活、適用面廣、精度可靠、效率高效，已經(jīng)成為數(shù)字建設(shè)中的主要工作方法。

2.2 無人機傾斜攝影優(yōu)勢

無人機航空攝影測量，作為一項無接觸的攝影測量技術(shù)，具有靈活機動性高、數(shù)據(jù)獲取準(zhǔn)確、節(jié)約生產(chǎn)成本、精度可靠等技術(shù)優(yōu)勢。其操作靈活方便、數(shù)據(jù)處理自動化。目前，大量的應(yīng)用在各個行業(yè)和領(lǐng)域，在國土調(diào)查、資源確權(quán)、數(shù)字城市、基礎(chǔ)測繪、應(yīng)急測繪、工程驗收等測繪領(lǐng)域有著更加高效的工作效率和獨特的技術(shù)優(yōu)勢[2]。

(1)它能夠快速采集地表影像數(shù)據(jù)和地物的側(cè)視數(shù)據(jù)，自動化和智能化程度高，在數(shù)字產(chǎn)品的生產(chǎn)制作方面，表現(xiàn)的尤為突出，可同時生產(chǎn)輸出包括DTM、DEM、DOM、DLG等數(shù)字化產(chǎn)品和成果。

(2)相對于傳統(tǒng)測繪技術(shù)手段，無人機航空攝影測量技術(shù)，很大程度上節(jié)約了人員成本和時間成本，縮短了生產(chǎn)周期。不但大幅提高了工作效率，而且還降低了作業(yè)人員的勞動強度。

(3)在應(yīng)急測繪領(lǐng)域，發(fā)揮著無可比擬的技術(shù)優(yōu)勢，能夠快速準(zhǔn)確的解決人工不能到達的工作難點，能夠?qū)崟r準(zhǔn)確采集到人工難以到達地點的數(shù)據(jù)和地理屬性，為應(yīng)急工作提供了快速和可靠的數(shù)據(jù)支撐。

(4)能夠真實豐富反映地理要素單元，通過不同時期影像數(shù)據(jù)的疊加分析和比對，準(zhǔn)確地反映出地理要素的變化情況，從而為相關(guān)部門的工作決策提供高質(zhì)量的輔助數(shù)據(jù)依據(jù)。

(5)在成果質(zhì)量和數(shù)學(xué)精度方面，無人機數(shù)據(jù)處理采用自動程序化，能夠很好的減少人工干預(yù)的影響，減少誤差的產(chǎn)生和傳播，有效地保證了數(shù)據(jù)的可靠性和精度的準(zhǔn)確性。

(6)在生產(chǎn)安全方面，無人機作業(yè)采用無接觸作業(yè)方法，通過低空飛行進行數(shù)據(jù)采集，避免了作業(yè)人員在現(xiàn)場進行施測所帶來的安全隱患，在困難難行或危險地區(qū)，無人機航空攝影測量相比于傳統(tǒng)接觸測量，所具有的安全優(yōu)勢愈發(fā)顯著。

3 工程應(yīng)用實例

3.1 工程概況

工作區(qū)位于吉林省通化縣西江鎮(zhèn)域內(nèi)，礦山地質(zhì)災(zāi)害治理類型主要有崩塌、泥石流地質(zhì)災(zāi)害、不穩(wěn)定斜坡地質(zhì)災(zāi)害等。測區(qū)面積約2.17 km2。測區(qū)內(nèi)山勢陡峭，起伏較大，遮蔽少，裸露多，地表情況清晰。該項目的主要工程復(fù)核單元有擋土墻工程、谷坊工程、導(dǎo)流槽工程、護坦工程、排水涵洞工程、SNS主動防護網(wǎng)工程、被動防護網(wǎng)工程、覆土工程、高次團粒噴播工程等。結(jié)合項目的任務(wù)特點和工期要求，決定采用無人機航空攝影測量技術(shù)對該礦山地質(zhì)災(zāi)害治理后的工程量進行復(fù)核。

3.2 作業(yè)流程

應(yīng)用大疆無人機進行低空攝影的測量技術(shù)，獲取礦區(qū)的高分辨率影像數(shù)據(jù)，通過影像數(shù)據(jù)、像控點數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)等進行數(shù)據(jù)處理，生成數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(DEM)、三維模型、數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)(DOM)。然后提取礦山地質(zhì)災(zāi)害治理復(fù)核工程的復(fù)核元素，通過計算和數(shù)據(jù)分析比對，從而及時獲得礦山地質(zhì)災(zāi)害治理復(fù)核工程量，為礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理提供準(zhǔn)確的測繪基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。作業(yè)流程圖如圖1。

圖1 作業(yè)流程圖Fig.1 Operation flow chart

3.3 技術(shù)方案

3.3.1 低空航攝平臺

采用大疆精靈4RTK多旋翼飛行器，做為本次工程項目的低空航空攝影平臺。它是一款小型高精度無人機，具有厘米級導(dǎo)航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng)。本身自帶遙控裝置，界面設(shè)計靈活，人機互動操作簡便。機身搭載1英寸影像傳感器，有效像素達到2 000萬。定位精度高，水平精度指標(biāo)為1 cm + 1 ppm(RMS)，垂直精度指標(biāo)為1.5 cm + 1 ppm(RMS)。單次升空采集數(shù)據(jù)，可達到30 min的工作時長，是一款便攜易用，能夠全面提升航測效率的低空航攝裝置，能夠快速獲取礦區(qū)的高精度影像數(shù)據(jù)，大大的提高了礦區(qū)測繪效率。

3.3.2 像控點布設(shè)及測量

像控點布設(shè)的密度和分布均勻情況，是直接影響成果質(zhì)量的關(guān)鍵因素。根據(jù)礦區(qū)的范圍和地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理工程分布的實際情況，本項目共均勻布設(shè)了13個像控點。所有像控點均布設(shè)在平整、無陰影、易識別的地方。按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范施劃了“L”型地面標(biāo)志物，在“L”型標(biāo)志物外角打入鋼釘，用紅色油漆做好標(biāo)志。對像控點三維坐標(biāo)的測量，利用JL-CORS方式進行獲取像控點的2000國家大地坐標(biāo)系(CGCS2000)。在數(shù)據(jù)觀測時，為了提高像控點的精度，減少誤差，采用三腳架法進行觀測。每次數(shù)據(jù)采集歷元數(shù)不少于30個，每個像控點分別獨立觀測采集兩次，將第一次觀測數(shù)據(jù)成果和第二次觀測數(shù)據(jù)成果取平均值作為該像控點的最終成果。

3.3.3 航空攝影測量

根據(jù)本項目的工期和現(xiàn)場情況，本次航空攝影測量利用無人機為飛行平臺，搭載傾斜攝影相機進行飛行，同時從垂直、側(cè)視等不同角度進行數(shù)據(jù)采集。并采用該無人機系統(tǒng)中自帶的航線規(guī)劃軟件進行航線規(guī)劃。以礦區(qū)的西北角為起點，起飛后從起點向東飛行，到達東邊界后，折返向南，然后再向西飛行，到達西邊界后，折返向南，然后再向東飛行，依次往返，直至按照規(guī)劃航線飛完整個測區(qū)。本次航攝無人機航高設(shè)置為120 m，航向重疊調(diào)整為75%，旁向重疊調(diào)整為80%，云臺角度設(shè)定為60°，飛行速度設(shè)定為6 m/s。要注意的是，三維模型質(zhì)量和精度的高低，和航拍影像采集的質(zhì)量有很大的關(guān)系。所以，就要求在實際生產(chǎn)中影像的分辨率要高、航向和旁向的重疊度要足夠大、像片清晰，生產(chǎn)出來的三維模型質(zhì)量和精度才會更高。

3.3.4 三維建模

根據(jù)影像數(shù)據(jù)、像控點成果數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)，通過內(nèi)定向、相對定向、絕對定向和區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差等步驟，利用像片和地物點之間的空間幾何關(guān)系，進行空中三角測量，求解出其他未知點的空間坐標(biāo)以及恢復(fù)像片的外方位元素。通過空中三角測量成果，進行模型的制作，構(gòu)建三維模型、幾何圖形描邊、匹配建筑紋理、三維模型拓撲生成等一系列工序，最終生產(chǎn)出該礦區(qū)的三維模型無人機傾斜攝影測量三維建模及精度評定[3]。

本項目利用Context Capture軟件進行數(shù)據(jù)的處理，這是一款全自動實景三維建模軟件，自動化水平較高。首先將影像數(shù)據(jù)和像控點成果數(shù)據(jù)導(dǎo)入到該軟件中后，進行控制點和影像數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，其次設(shè)置完參數(shù)后，程序自動提交空中三角測量任務(wù)進行計算。然后，程序?qū)⒕哂兄丿B度的空間多像數(shù)據(jù)建立立體模型，抽取點云數(shù)據(jù)自動構(gòu)建TIN模型，程序?qū)⑷詣舆M行三維重建并進行真實影像紋理映射，最終生成數(shù)字三維模型。在此項工作中，要注意像控點的精度、空中三角測量計算的精度，特別是空中三角測量成果的質(zhì)量要通過其位置精度和清晰度來進行專項的控制，以便生成出高質(zhì)量的三維模型。三維模型建立流程圖如圖2。

圖2 三維模型建立流程圖Fig.2 Flow chart of 3D model establishment

3.3.5 DEM和DOM生產(chǎn)

數(shù)字高程模型(DEM),是一定范圍內(nèi)通過規(guī)則格網(wǎng)點進行描述地面的高程信息數(shù)據(jù)集，主要用來反映地貌形態(tài)的空間分布情況。DEM的生產(chǎn)，首先要對像片進行定向建模，其精度為相對定向各點的殘余視差不大于0.02 mm。本項目采用已有的空中三角測量數(shù)據(jù)成果導(dǎo)入到軟件中建立立體模型。然后對測區(qū)的地形特征點、線等數(shù)據(jù)進行三維數(shù)據(jù)采集，定向和采集后，通過高程點和等高線構(gòu)建TIN，在此基礎(chǔ)上內(nèi)插DEM，并對DEM格網(wǎng)點進行高程檢查和編輯，編輯后再對相鄰的DEM數(shù)據(jù)進行鑲嵌和裁切，通過對該數(shù)據(jù)的空間參考系、高程精度和邏輯一致性進行質(zhì)量檢查，從而最終生產(chǎn)制作出數(shù)字高程模型(DEM)。

數(shù)字正射影像圖(DOM),是航空攝影像數(shù)據(jù)經(jīng)過垂直投影而生成的地表影像數(shù)據(jù)，具有良好的判讀性和可量測性。DOM生產(chǎn)，首先對所獲取的影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入到軟件程序中進行勻光處理和勻色處理，然后利用已經(jīng)生成的DEM數(shù)據(jù)、控制點數(shù)據(jù)進行影像的糾正融合，依次對全部影像數(shù)據(jù)進行微分糾正重采樣，處理完畢后，選取鑲嵌的數(shù)字正射影像，在相鄰的影像之間繪制鑲嵌線，并按要求外擴二排柵格點對影像進行裁切，通過幾何精度檢查和影像質(zhì)量檢查，最終制作生成數(shù)字正射影像圖(DOM)[4]。需要注意的是，根據(jù)本項目的地形特點，該項目的數(shù)字正射影像圖平面位置中誤差不得大于圖上0.5 mm。

3.3.6 復(fù)核數(shù)據(jù)提取

三維模型數(shù)據(jù)、數(shù)字正射影像圖(DOM)，可視化程度高，能夠全面反映礦山地質(zhì)災(zāi)害工程治理的影像特征和其幾何精度，具有直觀性和可量測性。利用這一特性，實現(xiàn)從三維模型數(shù)據(jù)、數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)進行高差量測、距離量測、周長和面積的量算，不但提高了礦山地質(zhì)災(zāi)害治理工程復(fù)核的工作效率，而且為礦山的地質(zhì)環(huán)境治理提供了準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

本項目利用EPS三維測圖軟件，將三維模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到程序中，逐個對礦山各地質(zhì)災(zāi)害治理后工程進行要素單元的采集。本項目共涉及崩塌地質(zhì)災(zāi)害治理工程數(shù)據(jù)、泥石流地質(zhì)災(zāi)害治理工程數(shù)據(jù)、不穩(wěn)定斜坡地質(zhì)災(zāi)害治理工程數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集時，均精確切到地物的準(zhǔn)確位置，對于擋土墻工程、谷坊工程、導(dǎo)流槽工程、護坦工程、排水涵洞工程等工程復(fù)核元素，利用三維模型和數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)的特征進行多角度旋轉(zhuǎn)可視和選擇，選擇最佳視角進行采集其特征點，特征線。工作中采取多段切點的方法量取其長度、寬度、高度、周長等細部距離和尺寸，取平均值作為該復(fù)核要素的基本數(shù)據(jù)。對于SNS主動防護網(wǎng)工程、被動防護網(wǎng)工程、覆土工程、高次團粒噴播工程等面狀復(fù)核要素單元數(shù)據(jù)的采集，要注意地表起伏對該復(fù)核面積的影響，要充分利用已經(jīng)生產(chǎn)制作的DEM數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確采集范圍內(nèi)地形起伏的高程變化特征點，建立模型，準(zhǔn)確獲取其面積和周長數(shù)據(jù)。

3.3.7 數(shù)據(jù)計算比較分析

通過以上的方法和手段獲得礦區(qū)地災(zāi)治理復(fù)核工程的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，接下來要進行數(shù)據(jù)的計算比較和分析，從而準(zhǔn)確計算出該礦山的工程復(fù)核數(shù)據(jù)。

該項目采用南方CASS9.1軟件和幾何函數(shù)計算方法進行計算分析，對于隱蔽工程或者影像有遮擋的工程細部尺寸，利用RTK、全站儀和鋼尺進行外業(yè)的實地采集復(fù)核，從而計算出包括其面積、長度、體積等在內(nèi)的實際工程量。數(shù)據(jù)分析時要充分根據(jù)該項目的防治工程實施設(shè)計方案、礦山地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀分布圖、礦山地質(zhì)災(zāi)害工程部署圖、SNS主動防護網(wǎng)、擋土墻等工程設(shè)計圖、谷坊、導(dǎo)流槽等工程橫截面剖面圖、項目設(shè)計變更方案、項目竣工報告等圖件和資料，進行計算和分析比對。復(fù)核計算時，采用雙人計算復(fù)核的方法，最終兩人的復(fù)核結(jié)果在規(guī)范限差之內(nèi)的，取其平均值作為最終實際完成工程量。對于復(fù)核結(jié)果超過規(guī)范限差要求或者復(fù)核結(jié)果和設(shè)計或變更較大的，要及時分析原因，采取外業(yè)實地核實和檢驗，從而準(zhǔn)確的計算出該礦山實際完成的工程量。

3.3.8 精度及效率評定

采用無人機航空攝影測量技術(shù)，用來對礦山地質(zhì)災(zāi)害治理工程復(fù)核，其精度指標(biāo)必須要滿足國家規(guī)范要求。為了很好的驗證本項技術(shù)和傳統(tǒng)測量技術(shù)在礦山地質(zhì)災(zāi)害治理復(fù)核中的數(shù)學(xué)精度及工作效率情況，數(shù)學(xué)精度評定外業(yè)利用RTK、全站儀及鋼尺量距方法，隨機均勻?qū)ΦV區(qū)內(nèi)39個復(fù)核單元實地采集和檢核。工作效率主要從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、人員投入、作業(yè)工期等方面進行對比分析。精度及效率統(tǒng)計分析如表1。

表1 精度及效率統(tǒng)計分析表

根據(jù)上表統(tǒng)計分析結(jié)果，在該項目實施上，利用無人機航空攝影測量技術(shù)完全可以滿足礦山地質(zhì)災(zāi)害治理工程復(fù)核的要求，其各項精度指標(biāo)和限差均達到國家規(guī)范所要求的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

運用無人機航空攝影技術(shù)對礦山地質(zhì)災(zāi)害治理工程進行復(fù)核，該作業(yè)方法不但節(jié)約了時間成本和人工成本，而且作業(yè)人員的安全生產(chǎn)和作業(yè)的速度也明顯得到了提升。數(shù)學(xué)精度方面，現(xiàn)場隨機均勻?qū)ΦV區(qū)的復(fù)核單元數(shù)據(jù)采集、檢查、比對和分析，并進行了精度的統(tǒng)計分析，數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)精度方面完全符合國家和行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求。

通過本次實驗，說明了無人機技術(shù)在該項目的實施中完全可以采用，并且在工作中靈活便捷和可靠，不但論證了無人機航空攝影測量技術(shù)在該項目應(yīng)用的可行性，而且還為礦山應(yīng)急測繪提供了新的技術(shù)手段。