無人機技術在數字礦山中的應用

王有業

(山西省地球物理化學勘查院，山西 運城 044004)

隨著無人機低空遙感系統的推出，已快速發展為當前大比例尺地形圖測繪的重要技術手段之一。而通過大比例尺地形圖航測試驗分析表明［1，2］，其精度完全滿足要求。同時，無人機在應急測繪［3］、小城鎮、新農村建設測繪和困難地區測繪中都發揮著重要的作用。這些小區域無人機技術的應用，使得采用無人機低空遙感系統進行礦山地形圖快速更新就成為可能。張太鵬等人［4］就無人機在礦山測量中的應用做出了探討，但僅僅是從思路和可行性上進行了探討，并沒對具體的應用做分析。山西作為我國的產煤大省，數字礦山建設已經取得了階段性成果，探討無人機技術在數字礦山中的應用，提供礦山基礎信息數據更新技術，對保障山西省煤炭經濟的可持續發展具有重要意義。

1 無人機低空遙感系統

1.1 技術特點

1)快速響應。無人機是低空飛行，可在短時間內完成升空準備，操作簡單，空域申請便利，同時降低了對天氣條件的要求。無人機系統可迅速到達指定工作區，完成測繪任務。對時間要求較高的測量工作無人機體現出無可比擬的優勢。

2)高分辨率影像數據獲取能力。無人機可獲取超高分辨率數字影像數據，并可針對特殊監測目標搭載全色波段、單波段、多波段等傳感器，并可進行多角度攝影。

3)成本低廉，易于維護。相對于載人大飛機航攝系統，無人機低空遙感系統購置費用較低，且其運營成本、維護成本和操作成本都遠遠低于載人機系統。

4)多樣化數字產品。主要的數字產品包括全景影像圖(將幾十km2測區的影像拼接成一幅全景影像圖，并可以逐級放大任意漫游)、數字高程模型、數字正射影像、數字線劃圖、影像地形圖 、三維影像地圖、三維景觀圖等。

1.2 應用領域

1)應急測繪領域。近些年，我國自然災害頻繁發生，平均每年因各類地質災害所造成的直接經濟損失近2 000億元。無人機的快速響應能力使其廣泛應用于地震災害應急測繪;地質災害應急測繪;洪水災害應急測繪和雪災應急測繪等災害應急工作中。

2)小城鎮、新農村建設測繪。目前，我國擁有約3萬個小城鎮、65萬個行政村、257萬個自然村。這些村莊分布廣、面積較小，基本都在幾km2以下。采用傳統的大飛機航空攝影測量顯然成本太高，而無人機所獲取的高分辨率影像在制作大比例尺地形圖方面優勢明顯。

1.3 無人機低空遙感系統

基于小型無人機遙感平臺構建的攝影測量系統主要由以下幾部分組成:1)小型無人機飛行平臺;2)飛行控制系統;3)影像獲取設備;4)通信設備;5)遙控設備;6)地面信息接收與處理設備。國產Quickeye(快眼)系列無人機見圖1，圖2。

2 無人機在數字礦山建設中的應用

數字礦山建設中，礦區大比例尺地形圖、正射影像圖、DEM、三維景觀圖等是數字礦山的重要基礎數據。采用傳統方法進行這些數據獲取效率較低，費用高，而大飛機從成本上考慮不能在礦區這樣的小范圍內進行相應的航空攝影。隨著固定翼輕型低空無人飛機技術的發展和GPS自動駕駛技術的運用，以及基于無人機低空影像生產DEM和DOM的技術不斷成熟，利用無人飛機進行大比例尺地形圖測繪和航空攝影成為現實。無人機所體現的低成本、高效率，且所獲取的數據具有很強的現勢性等特點，對數字礦山建設和礦山災害應急支持均具有重要的意義。

山西某礦區地處呂梁山脈南端，山嶺重疊，溝壑縱橫，總體地勢東北高，西南低，最高點標高為1 618.5 m，最低點標高為1 083.3 m，最大相對高差535.2 m。礦界面積為:22.981 4 km2，外擴 200 m 面積為:28.668 3 km2，取正后面積為:52.644 6 km2。為實現礦山數字化建設，采用無人機低空遙感系統進行了礦區大比例尺地形圖測繪工作和正射影像圖生產。技術流程見圖3。

圖3 生產技術流程圖

2.1 技術流程

1)像片控制測量。像片控制點測量是航測內業加密和測圖的依據，是影響成圖精度的主要因素。野外像片控制點的布設按照《1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖航空攝影測量外業規范》中區域網布點要求進行布設。

像片控制點的選刺是航測外業工作的重要環節，實地選刺目標大都是較小的地物，并在相關像片上影像清晰，考慮到易于內業轉刺，刺點后在現場編繪點位文字說明和略圖，準確表述了點位與周圍相關地物的關系。

2)內業數據采集與地形圖編輯。地物、地貌測繪作業方法采用以人工作業為主的三維跟蹤立體測圖方法，作業方式為外業調繪、采編一體化的測圖方式。按規范要求分層進行地貌和地物要素的數據采集，生成*.DXF標準格式的地形圖數據文件。完成后導入南方CASS7.1軟件，加上外業調繪內容進行地形圖編輯，編輯時均按照圖式規定進行。

3)數字正射影像圖制作。對每個像對按5 m格網間距生成DEM，分別編輯。另根據航空像片的內外方位元素和DEM對數字化的航空像片進行數字微分糾正得到正射影像，不同像對的正射影像經鑲嵌、圖廓裁切、色彩平衡處理、圖廓整飾等步驟，完成礦區數字正射影像圖DOM制作，見圖4，圖5。

2.2 精度分析

1)數字化測圖精度分析。礦區地形全部為山地地形，所以對通訊線、低壓電力線、管線的平面位置圖上中誤差放寬到地物點對附近野外控制點的平面位置中誤差的1.2倍。內業加密點對最近野外控制點的圖上點位中誤差為0.55 mm，實地計1.1 m;地物點對最近野外控制點的圖上點位中誤差為0.8 mm，實地計1.6 m。

內業加密點對最近野外控制點的高程中誤差為0.8 m;內業高程注記點對最近野外控制點的高程中誤差為1.2 m;等高線對最近野外控制點的高程中誤差為1.5 m。

2)數字正射影像圖質量分析。所生成的礦區正射影像圖數據覆蓋范圍符合要求;對左、右正射影像進行零立體觀測檢查，沒有出現明顯的地形起伏;整景正射影像圖色彩均衡、色調一致，反差適中，完全滿足遙感影像平面圖的質量要求。

3 結束語

近年來，基于無人機低空遙感系統的 DEM、DOM、大比例地形圖快速生產技術不斷成熟，這為小范圍基礎地理數據快速獲取及應用提供了支持。對比各種測圖技術、數字化測圖技術已完全取代傳統測圖技術，而基于無人機低空遙感系統的大比例地形圖測繪技術是數字化測圖的重要組成部分。作為數字礦山建設中的重要基礎數據，大比例尺地形圖和正射影像生產需要高效、低成本。而無人機技術完全可以滿足這些要求。因此，本文對無人機技術在數字礦山建設中的應用做了探討，以期對推廣無人機技術在礦山領域的更廣泛應用。

［1］何 敬，李永樹，徐京華，等.無人機影像制作大比例尺地形圖試驗分析［J］.測繪通報，2009(8):24－27.

［2］王志豪，劉 萍.無人機航攝系統大比例尺測圖試驗分析［J］.測繪通報，2011(7):18－20.

［3］楊瑞奇，孫 健，張 勇.基于無人機數字航攝系統的快速測繪［J］.遙感信息，2010(3):108－111.

［4］張太鵬，宋會傳.無人機技術在現代礦山測量中的應用探討［J］.礦山測量，2010(3):44－46.