礦山測量中無人機航測的應用實踐

田永欣 馬順明

摘 要：無人機航測遙感系統是繼衛星遙感和有人駕駛飛機遙感之后的一種新型航空遙感數據獲取系統，是航空、信息、自動化控制、微電子、計算機、通訊、導航、傳感器以及“3S”等多學科高新技術的集成應用，具有機動、快速、靈活、影像分辨率高等特點，適合在條件極為復雜的高寒地區和無人區開展測繪工作，成為世界各國爭相研究的熱點。文章通過實例分析，主要以無人機航測技術為主線，對于礦山測量方面的問題進行的探討

關鍵詞：礦山測量；無人機航測；應用

無人機航測技術作為一項空間數據獲取的重要手段，具有續航時間長、影像實時存儲傳輸、分辨率高、機動靈活、相對于載人機來說，運輸維護、作業成本等都較低等優點。目前大量應用于地質環境監測、高海拔礦區的測量工作中。

1 無人機航攝系統

無人機航攝系統是以無人機為飛行平臺，利用高分辨率相機系統獲取遙感影像，利用空中和地面控制系統實現影像的自動拍攝和獲取，同時實現航跡規劃和監控、信息數據壓縮和自動傳輸、影像預處理等功能，是具有高智能化程度、穩定可靠、作業能力強的低空遙感系統。該系統包括①無人機飛行平臺。為DBⅡ型無人機，由機體、操縱系統、動力系統三部分組成。②傳感器。配備佳能5DmarkⅡ定焦數碼相機，焦距為35mm。相機像素大小為6.41μm，像幅大小為5616像素×3744像素（2100萬像素）。③飛控系統。飛控采用自動駕駛儀UP30，該駕駛儀集成了GPS接收機、氣壓傳感器、空速傳感器、飛行控制系統等部件，可以穩定控制各種氣動布局的中低速無人機，實現導航、定位和自主飛行。④地面監控系統與遙控器。包括DELL便攜式工作站、UP30飛控軟件、電臺和天線。其中，在UP30飛控軟件中設計編輯航線和航路點，實時修改無人機的飛行姿態和目標航點，并實時顯示無人機的各種飛行參數和電池電壓。所有數據均通過電臺和天線與無人機進行通訊。遙控器是手動控制無人機飛行的遠程控制設備，技術嫻熟的操控手利用遙控器可以實現無人機滑跑起飛和降落。⑤地面運輸與保障系統。配有一輛四驅依維柯汽車，可長距離裝載運輸無人機設備。另外還配有警示筒、警示繩等安全保障設備。⑥配套軟件：包括航攝質量快速檢查軟件、影像預處理軟件、影像處理軟件PixGrid等。

2 項目任務

為適應現代礦山企業發展建設不斷加快的形勢，滿足加強安全生產，加大對煤礦規劃管理力度的需要，對礦山進行航空數碼測繪。內容包括1∶2000及1∶5000數字線劃圖（DLG）采集、數字正射影像圖（DOM）、礦區地形地質圖，以及驗證無人機航攝系統用于礦山地形數據采集的測量精度。該測區采用Quickeye（快眼）II型無人機搭載非量測型數碼相機進行攝影作業，又布置大量的地面控制點，然后對航飛數據通過區域網空中三角測量的自檢法來計算全部系統誤差根源對像點位置坐標的綜合改正值，從而確定內方位元素和物鏡的光學畸變值，實現相機的高精度標定；并將標定結果用于測繪產品生產，以此來對無人機攝影測量系統在小區域大比例尺地形圖立體采集中所能達到的精度水平進行評估和驗證。

3 航攝系統組成

本測區采用的航攝系統組成部分有：無人機飛行平臺、飛行控制系統和非量測型面陣CCD數碼相機；以及地面站、遠程無線通信裝置；地面數據處理系統等輔助設施。飛行平臺采用Quickeye（快眼）II型無人機，控制系統采用NCG―1微型無人機控制系統。攝影搭載CanonEOS5DMarkII高分辨率數碼單反相機，像素為5616×3744pixel，像元大小為6.41um。飛行過程中采取飛控系統控制快門定點曝光，將對焦環固定在無窮遠處鎖定相機的內方位元素，并采用固定光圈以保證統一物鏡畸變參數。

4 項目實施情況

4.1航線設計

測區總面積為21.6km2，地處青海高原東北部，屬中低山區。地勢東南高，西北低，中部平坦，為灘地草原，海拔3660m，最低點位于西北部，海拔約2800m，最大相對高差約860m，植被覆蓋率較高，有少量建筑物，交通便利。參照測區地形條件、成圖面積、形狀規劃及成圖比例等要求，此次航飛方向為南北方向，共設計八條航線。航向重疊度>65%，旁向重疊度>35%，航高為3693m，分辨率為0.18m，采用GPS飛控管理系統進行定點曝光，每條航線獲取15張航片。

4.2地面控制

地面控制是由內業布點，外業人員野外刺點。本區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。共像片控制點布設在航向及旁向3片或4片重疊的范圍內，共布設39個平高點，布設的像片控制點均可公用。采用山西省測繪局工程測繪院建立的GPSCORS網。它是通過現有的數據通信網絡和無線數據播發網，向各類需要測量和導航的用戶以國際通用格式提供碼相位/載波相位差分修正信息，可實時解算出流動站的精確點位。平面坐標系統采用1980西安坐標系，高程基準采用1985國家高程基準。

4.3加密結果精度及采集精度評定分析

空中三角測量采用DATMatrix+ATMatrix+PATB進行，該系統是由航天遠景公司自主研發的空中三角測量系統。該系統主要針對小數碼影像，利用少量地面控制點來計算一個測區中所有影像的外方位元素和所有加密點的地面坐標，并集成PATB光束法區域網平差軟件，所以粗差檢測功能和平差計算功能都很強大。

成果精度分析：

參照《低空數字航空攝影測量內業規范（CH/Z3003——2010）》，由平差結果可知，本測區采取普通數碼相機，以無人飛行器為平臺進行相對航高為1124m航攝作業，通過檢校加密糾正后立體像對結果可以滿足1∶2000地形圖測圖的平面精度要求。表明無人機航攝系統可以云下低空飛行，能夠獲取衛星和有人飛機無法得到的高分辨率影像數據，并且針對小區域大比例尺的地形圖測繪，可以采用無人機航攝作為其獲取影像數據的基本方法之一。由采集結果可知：其相對定向與絕對定向及加密中的各項限差均符合規定及設計，平面精度會因為辨認誤差而有所降低，但高程精度不會有大的改變，還可以看出，采用該系統成圖的平面精度還有較大的潛力，適當地放寬地面分辨率，增加航高，還可以進行小比例尺地圖的測量工作，例如成1∶1000圖時，設計地面分辨率為10cm，采用全野外布點或區域網空三加密。成1∶500圖時，設計地面分辨率為7.5cm，采用全野外布點或區域網空三加密。

參考文獻

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