無人機航測在礦山地形測繪中的精度分析與應用研究

姚鵬程

礦山地形測繪對于礦業(yè)行業(yè)的規(guī)劃和管理至關重要，而無人機航測作為一種新興技術，為此領域提供了全新的可能性。通過分析無人機航測的特點，深入探討其在高程模型、點云數(shù)據(jù)生成方面的應用，通過借助先進的傳感器技術、數(shù)據(jù)處理與分析算法的改進以及飛行計劃與管理策略的優(yōu)化，無人機航測可以實現(xiàn)更高精度的地形測繪。

礦山地形測繪中無人機航測特點

高程模型的生成。高程模型（DEM）生成在地理信息科學和測繪工程行業(yè)起著重要作用，為了能全面了解高程模型的生成全過程，表1將從不同的方法和數(shù)據(jù)源來顯示其多元性和復雜性，高程模型的生成可以借助光學遙感、雷達測高、激光掃描等幾種技術，每一種技術都有其獨特的優(yōu)勢與應用領域。光學遙感能夠提供高分辨率的圖像，適用平整區(qū)域的高程模型生成，雷達測高在森林和山區(qū)地帶表現(xiàn)優(yōu)異，可穿透自然植被和云層獲得地面高程信息內容，激光掃描因其高精密和相對密度被廣泛用于城市建設和地形測繪。

表1 高程模型生成方法和數(shù)據(jù)源對比

方法 數(shù)據(jù)源 優(yōu)勢 應用領域

光學遙感 高分辨率衛(wèi)星影像 易獲取，適用于平坦地區(qū) 城市規(guī)劃，農業(yè)監(jiān)測

雷達測高 SAR影像，LIDAR點云數(shù)據(jù) 能穿透植被，適用于山區(qū)和森林 森林監(jiān)測，地質勘探

激光掃描 LIDAR點云數(shù)據(jù) 高精度，高密度，適用于城市和復雜地形 建筑設計，地質測繪

高程模型的生成不僅僅是數(shù)據(jù)采集和處理問題，還要考慮到坐標系統(tǒng)、精密度評估和模型驗證等，種種因素的綜合考慮直接決定了最后高程模型的可信度和適用性，高程模型的生成涉及多種方法和數(shù)據(jù)源的綜合運用，應該根據(jù)具體內容與環(huán)境選擇適合自己的對策，該過程不僅有著多樣性和多元性，并且需要嚴格的數(shù)據(jù)庫管理和質量控制以保證生成的高程模型可以滿足不同應用需要。

點云數(shù)據(jù)采集與處理。點云數(shù)據(jù)的收集與處理在無人機航測中是至關重要的，特別是在礦山地形測繪行業(yè)，點云數(shù)據(jù)是由激光雷達或攝影器材獲得的很多點三維坐標信息，能夠準確反映地面和物體的形態(tài)，無人機航測通過點云數(shù)據(jù)的收集與處理為礦山地形測繪帶來了高精密、高分辨率的地形模型，點云數(shù)據(jù)采集的關鍵是感應器技術的選擇和數(shù)據(jù)的獲取，當代無人機配置了前沿的激光雷達和照相機設備，能夠實現(xiàn)快速準確的點云數(shù)據(jù)采集，在礦山地形測繪中激光雷達一般用于獲得地面的高程信息，而照相機設備用以獲得地面的線條和色彩信息，這類傳感器數(shù)據(jù)的整合使點云數(shù)據(jù)更豐富和廣泛。點云數(shù)據(jù)的處理方法涉及數(shù)據(jù)信息清洗、配準、濾波和切分等，數(shù)據(jù)清洗用以清除采集過程的噪音和極端值以提高數(shù)據(jù)質量，配準過程將不同位置與時間采集的點云數(shù)據(jù)對齊以建立完整的地形模型，濾波和切分操作用以分離地面和物體點便于進行后續(xù)的解讀和建模。在礦山地形測繪中點云數(shù)據(jù)的處理方法還可用于定量分析地貌轉變、發(fā)掘地區(qū)體積計算、地質特征的提取和礦床資源評估等領域，無人機航測根據(jù)點云數(shù)據(jù)的收集與處理為礦山地形測繪帶來了高效率、精確、數(shù)據(jù)可視化解決方案，為礦業(yè)產業(yè)發(fā)展和資源優(yōu)化配置提供了強有力的適用，點云數(shù)據(jù)采集處理工藝的不斷完善與創(chuàng)新，將進一步推動無人機航測在礦山地形測繪中的運用，為科研和工程實踐帶來更多機遇與挑戰(zhàn)。

正射影像圖的生成與應用。正射影像作為礦山地形測繪中無人機測量測繪的重要成果之一具備廣闊的應用前景，正射影像是一種將地面紋理和土地類型特點投影到平面上的圖像，具有高度地理空間尺度幾何校正，不僅能給予直觀的地形信息還能夠用于地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感分析、資源優(yōu)化配置、環(huán)保監(jiān)測等行業(yè)。在正射影像圖的生成中無人機航測技術能通過高分辨率傳感器精準的GPS手機定位系統(tǒng)捕獲地面小細節(jié)包含房屋建筑、路面、植物群落，通過改進數(shù)據(jù)處理方法與分析算法優(yōu)化，能夠實現(xiàn)正射影像圖的一鍵生成，降低人工控制并提升形成效率和精確性。正射影像圖的運用都是多元化的，正射影像圖可用于礦山整體規(guī)劃、資源評估和環(huán)保監(jiān)測，礦山企業(yè)可以通過這些圖像準確測量礦區(qū)的地形特征，掌握礦產資源的分布和品質以推動管理決策資源開發(fā)利用，伴隨著技術的不斷進步和算法提升，正射影像圖將再次發(fā)揮重要作用，為礦山地形測繪給予最準確、更可靠的數(shù)據(jù)支撐。

礦山地形測繪中無人機航測存在的問題

精度與誤差分析。在學術研究領域精度和誤差分析是一個不可忽視的核心問題，研究人員既需要追求高精度的檢測與分析，還要深入了解誤差的源頭影響來保證研究的靠譜性和準確性，以地理信息系統(tǒng)領域（GIS）為例可以看到誤差分析的必要性，在GIS中地圖設計和空間分析一般涉及自然地理數(shù)據(jù)收集整理與處理，但是地球曲率、空氣影響感應器精度等各種因素都有可能導致誤差，研究人員需要充分考慮這種誤差并使用統(tǒng)計方法與數(shù)學分析模型來進行準確評估誤差大小和分布并提升高程實體模型準確性。在地理數(shù)據(jù)的時空研究中也要仔細斟酌誤差的疊加效應，小誤差很有可能在一次次研究中逐漸積累造成可變性提升，因而在研發(fā)繁雜的時空建模和信息處理系統(tǒng)時要嚴格解決與分析誤差傳播影響，精度和誤差分析在學術研究中是至關重要的，這類細致的誤差分析是研究領域對數(shù)據(jù)可靠性和可信度的堅持不懈，是科學方法不可或缺的一部分。

數(shù)據(jù)處理與存儲挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)處理與存儲在當代學術研究中是至關重要的，但是伴隨著數(shù)據(jù)規(guī)模的不斷增長而面臨著巨大的挑戰(zhàn)，數(shù)據(jù)處理與存儲包含數(shù)據(jù)清理、分析、模型訓練等各個環(huán)節(jié)，而數(shù)據(jù)存儲則應該考慮容量、速率和可靠性等多方面，不一樣項目的數(shù)據(jù)處理時間以及存儲需求存有顯著性差異，主要取決于數(shù)據(jù)的種類、規(guī)模和研究內容，如表2所示。

表2 不同項目中數(shù)據(jù)處理時間與存儲需求的比較

項目 數(shù)據(jù)種類 數(shù)據(jù)處理時間（小時） 數(shù)據(jù)存儲需求（TB） 主要挑戰(zhàn)

項目A 遙感影像數(shù)據(jù) 36 10 大規(guī)模數(shù)據(jù)清理和特征提取

項目B 生物信息學數(shù)據(jù) 72 5 復雜的數(shù)據(jù)分析和模型訓練

項目C 社交媒體文本數(shù)據(jù) 24 2 文本挖掘和情感分析

項目D 大氣科學模擬數(shù)據(jù) 120 50 大規(guī)模數(shù)據(jù)模擬和模型驗證

表2展示了在不一樣項目中數(shù)據(jù)處理時間存儲需求的差別會受到數(shù)據(jù)多元性和規(guī)模的影響，比如項目A的大規(guī)模遙感影像數(shù)據(jù)需要大量時長來清理和特征抽取，而項目D中大氣科學仿真模擬數(shù)據(jù)的復雜性造成了長久的數(shù)據(jù)仿真模擬和驗證過程，不一樣項目的數(shù)據(jù)存儲需求也因為數(shù)據(jù)規(guī)模的不同而不同，數(shù)據(jù)可靠性和可訪問性需要綜合考慮。數(shù)據(jù)處理與存儲廣泛用于學術研究中，其多樣性和多元性要求科研人員不但要具有數(shù)據(jù)科學專業(yè)技能，還需要靈活應對不一樣項目的需求以保證數(shù)據(jù)的有效處理和加密存儲，從而推動學術研究領域發(fā)展與創(chuàng)新。

礦山地形測繪中無人機航測的優(yōu)化對策

傳感器技術與設備升級。在礦山地形測繪行業(yè)，無人機航測作為一種關鍵技術手段，其性能和質量的提高一直備受關注，其中傳感器技術及設備升級起著關鍵作用，對無人機航測的改善尤為重要，傳感器技術的升級代表著更高分辨率的數(shù)據(jù)采集、更大范圍的參數(shù)監(jiān)控和更精準的測量，以高程模型的形成為例，新一代感應器能夠捕獲地貌小細節(jié)，包含地表的細微波動和地形特點進而提高地形模型的精度，除此之外，多譜段傳感器的應用促使地面溫度、植被指數(shù)等幾種數(shù)據(jù)信息在同一航線上獲得，進一步豐富了地形數(shù)據(jù)內容，這類升級不但提高了基礎數(shù)據(jù)并且拓展了無人機航測的應用范圍。在系統(tǒng)升級層面無人機的穩(wěn)定性和航行性能才是關鍵參考標準，更有效的新型電池和機身設計可延長飛行時間并提高數(shù)據(jù)收集效率。與此同時，先進的自動校正和故障檢測功能能夠降低數(shù)據(jù)誤差和航行風險性提高航行安全系數(shù)，此設備升級不但提高了無人機的穩(wěn)定性并且減少了技術難度使更多的行業(yè)得益于無人機航測技術。

數(shù)據(jù)處理與分析算法改進。數(shù)據(jù)處理方法與分析算法對礦山地形測繪行業(yè)無人機航測技術的改善尤為重要，這一領域包含地貌多元性、海量數(shù)據(jù)和高精度標準，因而要不斷改進算法來滿足這些要求，一方面，無人機航測所獲得的數(shù)據(jù)信息通常包括大量點云數(shù)據(jù)和圖像信息，這就需要合理的數(shù)據(jù)處理算法來獲取有價值的地貌信息，為了達到更高精密度，科研人員持續(xù)改進點云數(shù)據(jù)處理算法，包含點云配準、特征提取和三維模型形成，這種改進有利于提升地形模型準確性，為礦山地形測繪提供更可靠的數(shù)據(jù)支撐。另一方面，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析算法的改進是關鍵的一步，礦山地形測繪往往需要規(guī)模性數(shù)據(jù)分析以獲取傾斜度、容積、傾斜度分布等核心地貌信息，改進數(shù)據(jù)分析算法可以更快地建立模型，提升測繪工程高效率以及降低人工干預的需求，這一點在礦山規(guī)劃和資源優(yōu)化配置方面有著巨大的潛力。

飛行計劃與管理策略。飛行計劃和管理模式在礦山地形測繪中是至關重要的，其優(yōu)化對保證任務成功完成和高品質的數(shù)據(jù)采集尤為重要，這一領域包括從飛行路徑規(guī)劃到數(shù)據(jù)傳輸和管理的各個方面，飛行路徑規(guī)劃是飛行計劃的關鍵，在復雜的礦山開采地貌中無人機需要避開地貌阻礙物以確保覆蓋所有測繪工程地區(qū)，優(yōu)化路徑規(guī)劃優(yōu)化算法能夠幫助無人機選擇最佳的飛行途徑，降低飛行時間與燃料消耗以保證數(shù)據(jù)收集的全方位性和準確性。另一個重要的方面是數(shù)據(jù)傳輸及管理，規(guī)模性地形測繪一般會產生大量數(shù)據(jù)信息，所以需要高效的數(shù)據(jù)傳輸存儲對策，根據(jù)數(shù)據(jù)編碼、實時傳輸和云存儲技術能夠確保數(shù)據(jù)的及時和易用性，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和解決給予支持。

無人機航測在礦山地形測繪中展現(xiàn)出巨大的潛力和優(yōu)勢，通過充分利用先進的傳感器技術、改進的數(shù)據(jù)處理與分析算法以及優(yōu)化的飛行計劃與管理策略可以實現(xiàn)更高精度的地形測繪，這不僅有助于提高礦山規(guī)劃和資源管理的效率，還為礦業(yè)行業(yè)帶來了新的可能性。但需要注意的是無人機航測在不同的環(huán)境條件下面臨著不同的挑戰(zhàn)，因此，需要綜合考慮多種因素來優(yōu)化飛行任務，研究將繼續(xù)探索無人機航測技術的潛力以進一步提高其在礦山地形測繪中的應用價值。

（作者單位：甘肅智廣地質工程勘察設計有限公司）