無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在礦山測(cè)繪中的應(yīng)用分析

張寧寧，顧利紅，董丹丹

（1.淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223005；2.安徽省（水利部淮河水利委員會(huì)）水利科學(xué)研究院，安徽 合肥 230088）

1 概述

通過(guò)位置、地形、資源及其利用狀況等信息的實(shí)時(shí)勘查與測(cè)量，以此獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息為礦山測(cè)繪的主要目的，其意義在于全面掌握礦山資源的基本信息與利用狀況，以此實(shí)現(xiàn)礦山資源的合理配置。但是，基于傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)的分析，人工效率低、測(cè)量精度也較低，已無(wú)法滿足現(xiàn)代測(cè)繪發(fā)展的需求[1]。故此，引進(jìn)高科技測(cè)繪技術(shù)，實(shí)施礦山測(cè)繪改革對(duì)于現(xiàn)代測(cè)繪事業(yè)的發(fā)展已經(jīng)勢(shì)在必行。數(shù)據(jù)處理、高分辨數(shù)碼傳感器、微型無(wú)人機(jī)平臺(tái)與導(dǎo)航定位系統(tǒng)為無(wú)人機(jī)航測(cè)的主要組成，即是通過(guò)影像處理、遙感傳感、遙測(cè)遙控、無(wú)人機(jī)操控、數(shù)據(jù)通信及GPS定位等新興技術(shù)的運(yùn)用，以無(wú)人飛行器為載體，利用數(shù)字遙感設(shè)備（如數(shù)碼攝錄機(jī)、數(shù)碼相機(jī)）對(duì)遙感數(shù)據(jù)以影像的形式實(shí)施采集、記錄、處理以及（同步）傳輸，以此將礦山的地理信息（環(huán)境、資源、地形）快速而精準(zhǔn)的獲取，從而實(shí)現(xiàn)遙感信息數(shù)據(jù)的分析、處理、建模與應(yīng)用。

2 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

（1）影像數(shù)據(jù)分辨率高。無(wú)人機(jī)航測(cè)以低空飛行為主，加之其所配影像設(shè)備為高分辨率傳感器，因此所獲影像數(shù)據(jù)分辨率高，可精確至厘米級(jí)。與傳統(tǒng)人工測(cè)繪技術(shù)相比，無(wú)人機(jī)航測(cè)所獲數(shù)據(jù)信息精度高、人為主觀影響較小，從而使測(cè)繪結(jié)果更能反映真實(shí)狀況，進(jìn)而可更好的服務(wù)于礦山資源的后期規(guī)劃與開采工作。同時(shí)，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的高分辨率優(yōu)勢(shì)可以更好的滿足礦山測(cè)繪過(guò)程中各種比例尺的測(cè)圖和監(jiān)測(cè)等實(shí)際性需求，表現(xiàn)出其他技術(shù)無(wú)法比擬的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

（2）數(shù)據(jù)獲取效率高。對(duì)于信息數(shù)據(jù)的獲取，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)快速而準(zhǔn)確的表現(xiàn)使其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)得到了進(jìn)一步加大。基于無(wú)人機(jī)航測(cè)特性的分析，其在運(yùn)用現(xiàn)代軟、硬件技術(shù)的基礎(chǔ)上因飛行狀態(tài)處于低空而有效規(guī)避了空域申請(qǐng)的各種限制。一般情況下，只要天氣良好，飛行條件允許，無(wú)人機(jī)只需注冊(cè)后便可起飛作業(yè)，進(jìn)而對(duì)信息數(shù)據(jù)采集及時(shí)性與連續(xù)性的有效保障而表現(xiàn)出顯著的高效性[2]。

（3）經(jīng)濟(jì)實(shí)用性強(qiáng)。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在礦山測(cè)繪應(yīng)用過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，主要以對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高科技技術(shù)的應(yīng)用為體現(xiàn)。在現(xiàn)代新興技術(shù)的綜合作用下，使得無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)表現(xiàn)出簡(jiǎn)單、靈活且易于操控的特點(diǎn)，因此在現(xiàn)代礦山測(cè)繪工作中彰顯出了獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而使其迅速得到了推廣。在人類生活與生產(chǎn)節(jié)奏日益加快的當(dāng)下，具有人工智能特性的無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)以其極高的自動(dòng)化優(yōu)勢(shì)高效、高質(zhì)、及時(shí)的為礦山測(cè)繪工作提供了必要性助力，實(shí)現(xiàn)了測(cè)繪數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)收集、分析以及決策，同時(shí)降低了成本投入，使現(xiàn)代礦山測(cè)繪工作表現(xiàn)出極強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 測(cè)區(qū)簡(jiǎn)介

礦區(qū)地處某山體北段山間盆地，屬中山山地。本次測(cè)區(qū)位于礦區(qū)西北方向，其長(zhǎng)寬尺寸分別為4225m與3677m，待測(cè)面積15.54km2。該測(cè)區(qū)地勢(shì)呈中間高南北低走勢(shì)，最高點(diǎn)海拔1232.54m，最低海拔912.67m，最大相對(duì)高差約320m；測(cè)區(qū)交通不便，基本為植被覆蓋，且無(wú)建筑物，人工測(cè)繪難度較大。

3.2 項(xiàng)目任務(wù)

為適應(yīng)現(xiàn)代礦山企業(yè)發(fā)展建設(shè)不斷加快的形勢(shì)，滿足加強(qiáng)安全生產(chǎn)，加大對(duì)煤礦規(guī)劃管理力度的需要，對(duì)礦山進(jìn)行航空數(shù)碼測(cè)繪。內(nèi)容包括1:2000及1:5000數(shù)字線劃圖（DLG）采集、數(shù)字正射影像圖（DOM）、礦區(qū)地形地質(zhì)圖，以及驗(yàn)證無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)用于礦山地形數(shù)據(jù)采集的測(cè)量精度。該測(cè)區(qū)采用Quickeye（快眼）Ⅱ型無(wú)人機(jī)搭載非量測(cè)型數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行攝影作業(yè)，又布置大量的地面控制點(diǎn)。

然后對(duì)航飛數(shù)據(jù)通過(guò)區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量的自檢法來(lái)計(jì)算全部系統(tǒng)誤差根源對(duì)像點(diǎn)位置坐標(biāo)的綜合改正值。從而確定內(nèi)方位元素和物鏡的光學(xué)畸變值，實(shí)現(xiàn)相機(jī)的高精度標(biāo)定；并將標(biāo)定結(jié)果用于測(cè)繪產(chǎn)品生產(chǎn)，以此來(lái)對(duì)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)在小區(qū)域大比例尺地形圖立體采集中所能達(dá)到的精度水平進(jìn)行評(píng)估和驗(yàn)證。

3.3 項(xiàng)目實(shí)施情況

（1）航線設(shè)計(jì)。以測(cè)區(qū)地形條件、測(cè)繪面積、形狀規(guī)劃及成圖比例為參照，本次航測(cè)共設(shè)航線9條，均為東西方向航飛。旁向與航向重疊度分別大于35%與65%，設(shè)定航高1068m，18cm的分辨率，每條航線獲取航片16張，定點(diǎn)曝光采用GPS飛控管理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

（2）地面控制。地面控制是由內(nèi)業(yè)布點(diǎn)，外業(yè)人員野外刺點(diǎn)。本測(cè)區(qū)野外像片控制點(diǎn)的布設(shè)按照《1:500，1:1000，1:2000地形圖航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》中區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)要求進(jìn)行布設(shè)。像片控制點(diǎn)布設(shè)在航向及旁向至少3片或4片重疊的范圍內(nèi)，共布設(shè)39個(gè)平高點(diǎn)，布設(shè)的像片控制點(diǎn)均可公用。采用GPSCORS網(wǎng)，其是通過(guò)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線數(shù)據(jù)播發(fā)網(wǎng)，向各類需要測(cè)量和導(dǎo)航的用戶以國(guó)際通用格式提供碼相位/載波相位差分修正信息，可實(shí)時(shí)解算出流動(dòng)站的精確點(diǎn)位。平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用CGCS2000國(guó)家大地坐標(biāo)系，高程基準(zhǔn)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

（3）加密結(jié)果精度及采集精度評(píng)定分析。利用Inpho軟件實(shí)施空三加密，它有著強(qiáng)大的粗差檢測(cè)與平差計(jì)算功能。對(duì)于測(cè)區(qū)內(nèi)所有加密點(diǎn)的地面坐標(biāo)與影像的外方為元素，均可以利用少量地面控制點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。

3.4 成果精度分析

依據(jù)《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》（CH/Z 3003―2010），通過(guò)平差結(jié)果的分析可知，本測(cè)區(qū)由無(wú)人飛行器搭載普通數(shù)碼相機(jī)以1068m的相對(duì)航高進(jìn)行航攝作業(yè)，通過(guò)檢校加密糾正后，立體像可以滿足地形圖測(cè)圖的1:2000的平面精度要求，進(jìn)一步表明處于云下低空飛行的無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)所得到的影像數(shù)據(jù)具有極高的分辨率，且其精度也是有人飛機(jī)與衛(wèi)星系統(tǒng)無(wú)法比擬的。因此，對(duì)于小區(qū)域大比例尺地形圖測(cè)繪數(shù)據(jù)的獲取，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)表現(xiàn)出極強(qiáng)的可行性。分析采集結(jié)果可知，本次所獲數(shù)據(jù)的絕對(duì)與相對(duì)定向及加密中的各項(xiàng)限差全部滿足要求，雖然判別誤差會(huì)影響到平面精度，但對(duì)高程精度不會(huì)形成較大改變，同時(shí)還可得知，在平面成圖精度提升方面，該系統(tǒng)潛力表現(xiàn)較大，通過(guò)地面分辨率的適當(dāng)放寬以及航高的增大，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)還可實(shí)施小比例尺的地形圖測(cè)繪。例如在成1：500與1：1000地形圖時(shí)，設(shè)計(jì)地面分辨率分別為7.5cm和10cm，并且均以全野外布點(diǎn)或區(qū)域網(wǎng)空三加密為運(yùn)用。

4 結(jié)語(yǔ)

基于以上論述，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在礦山測(cè)繪中的應(yīng)用對(duì)操作人員的專業(yè)技能與經(jīng)驗(yàn)要求較高，其過(guò)程復(fù)雜而又系統(tǒng)，只有做到實(shí)施過(guò)程的全動(dòng)態(tài)化控制，方能實(shí)現(xiàn)測(cè)量成果的精度化與準(zhǔn)確化。