低空無人機航攝測量在礦區變化監測中的應用研究

顧建峰

（江蘇省有色金屬華東地質勘查局，江蘇 南京 210007）

礦區測量是獲取礦區地形數據的重要手段，礦區變化監測產作為安全生產的重要任務，對時效性的要求也隨之提高，無人機技術的發展為礦區快速變化監測提供了技術支持。

1 礦區變化監測的設計方案

1.1 礦區概況

本文礦區是位于安徽省淮南市的一大型煤礦，礦層平均厚度20m，具有分布集中、可開采礦層多的特點。在長期開采后出現了沉陷現象，且范圍廣、深度大，影響到了該地區居民的居住生活和礦區的生產安全，因此礦區變化監測的時效性顯得尤為重要[1-3]。

1.2 無人機平臺及載荷

本方案選用的是大疆四旋翼無人機平臺，最大飛行高度500m，平臺載荷1.8KG。搭載“Zenmuse X3”的數碼相機裝置，有效像素4000X3000，滿足1:500至1:2000比例尺的DOM成像分辨率要求。

1.3 航線設計與規劃

無人機設備航拍的重疊和旁向重疊范圍分別為80%和50%，設計50m、75m、100m三個相對航高，同時可以形成正射影像和立體正射影像對。

影像拍攝設計11條航線，傾斜影像設計20條航線（見圖1），航線自北向南，航向自西向東。

圖1 無人機航線設計

圖2 平面坐標誤差分布

1.4 對比輔助數據的獲取

在無人機航拍之后，需要在重疊區域內有已知控制點來對像片進行糾偏處理，同時與地面坐標系連接。這部分控制點坐標需要通過野外實測獲取，布設時要選擇在影像上成像清晰，容易判別的點位。

2 航測數據處理結果分析

2.1 影像數據預處理

無人機在航拍的過程中，由于地形起伏、氣溫變化、光照強度不一等因素的影像，獲取的圖像會有噪聲干擾。同時鏡頭畸變也會對影像質量造成影像。為此，我們需要對影像進行圖像校正、圖像增強等預處理，同時進行輻射校正、幾何校正。

2.2 基于數字攝影測量網格系統的內業出數據處理

完成影像預處理后，通過Pix4d mapper軟件，選取像控點11個，進行初始化處理，然后點云和紋理，再進行DSM和正射影像，輸入約束條件即可得到符合精度要求的三維重建模型（DSM、DOM），由于軟件處理方法、步驟等前人討論較多，本文不再詳述。

2.3 精度分析

由于我們在設計方案中加入了控制點，模型精度顯著提高，本文精度分析參照的是《遙感影像平面圖制作規范》（GB/T 15968-2008）和《1:500 1:1000 1:2000地形圖航空攝影測量內業規范》（GB/T 7930-2008）等國家規范，且在分析時結合礦區原有同比例尺地圖。

對于平面精度的評價，本文選取11個像控點為平面位置的真實值，通過分析成圖分辨率、均方根誤差及坐標誤差值，將平面的點位坐標誤差展到對應坐標系中（見圖2），對應相應航高，平面點的中誤差最小的是相對航高50m的0.098m，最高的為相對航高100m的0.122m，均符合設計中的國家規范。

對于高程精度的評價，由于礦區地表植被覆蓋茂密，且處在臨近水域的位置，高程精度誤差相對較高，但在無植被覆蓋的地區，誤差顯著縮小。具體對比結果（見表1）。此次的試驗結果符合前人的研究結論：影像獲取的是地表覆蓋物頂部的高程數據，而我們實際測量需要獲取的是地表本身的高程數據，由此導致此手段在地表覆蓋物較多的區域測繪制圖的高程數據誤差較大。

表1 高程點誤差最大值/最小值（中誤差）統計

3 無人機遙感在礦區變化監測中的應用

礦區的變化監測對安全生產安全，及礦區居民的居住生活安全至關重要，通過對不同時間段內的同一區域或物體進行觀察來進行變化檢測，能最大程度的發現潛在的危險因素。在礦區的安全生產管理部門，只要通過定期的無人機遙感拍攝，就可以獲得最新的礦區地形圖像，通過專業軟件處理后，同前期數據對比，即可以直接檢測地形的變化，提早發現危險，制定應急預案。在遇到突發事件時，如地震、洪水等自然災害及其帶來的次生災害時，無人機體積小，方便攜帶，且響應速度快，能替代人工直接進入危險區域，確保第一時間獲得相應地形數據，評估災害損失，制定搶救計劃。

4 結語

本研究利用無人機獲取礦區的影像數據，通過專業軟件處理來生成三維重建模型，驗證了模型結果的平面和高程精度，得到了以下結論：①低空無人機攝影測量在礦區變化監測方面能提供符合國家規范要求的數據，可作為今后礦區日常變化監測的測量手段。②驗證了前人關于無人機攝影測量在高程測量方面精度不夠的論點，進一步揭示攝影測量在高程精度提高方面的難點，為今后的無人機遙感在高程測量方面的改進提供借鑒。③無人機作業極大提高了作業效率，且成本低、響應速度快，且在面對突發情況時能避免人員進入危險區域，與傳統作業方法相比，在對精度要求不高的地質礦產測量領域優勢明顯。