免像控無人機航測新技術在露天礦開采監測中的應用

黃 軍，李 濤，朱俊利

(1. 山東省國土測繪院，山東 濟南 250102； 2. 山東魯邦地理信息工程有限公司，山東 濟南 250101)

近年來，隨著國民經濟水平的不斷提高，生態環境保護成為當前熱點話題，“共抓大保護，不搞大開發”“綠水青山就是金山銀山”，這給環境監管、土地執法、礦山監測等行業管理部門帶來巨大壓力和挑戰。由于監管執法過程中難免存在監管不到位或被執法者晝伏夜出躲避執法，偷采、盜采現象仍然存在，為解決被動執法難題，急需探尋一種新手段，從根本上杜絕礦山違法開采現象，讓違法者無所遁形。

目前無人機航拍等手段已經逐步應用于執法管理中，在工作效率和管理模式上也取得了較大突破[1]。但是由于航測專業性較強，如像控點布設、采集與糾正、影像空三加密等關鍵工序通常需要專業的測繪技術人員完成，普通無人機獲取的影像主要用來還原現場，對于精確量算和分析還存在一定難度[2]。本文以濟南市某露天采石場執法監測為例，采用操作簡便、安全性高的免像控無人機航測，作業人員無需進入危險的施工現場，不用布設和采集像控點，只需要采集一個基站坐標即可通過空三處理軟件制作高精度航測成果[3]。結合LubSpace實景三維管理系統，可以直觀查看是否存在越界開采與違法開采現象[4]。通過周期性數據比對與矢量數據疊加分析，能夠快速定位違法開采位置并能準確量算破損山體面積、開挖方量，為相關執法部門提供權威數據支持和執法依據。

1 天狼星無人機概述

天狼星無人機自從引入國內便對高程精度要求較高的測繪領域工作模式帶來較大轉變。該設備屬于高精度、智能化化的測量型無人機，安全性高，手拋式起飛、俯沖式降落，起降場地易于選擇，具有優秀的飛控和姿態調整能力，能夠自適應地表以超低空方式飛行，在起伏較大的測區也能保證相同的重疊度；精度高，機身內置高精度IMU和100 Hz實時差分GPS RTK，在飛行拍照的同時完成相片空間定位，每張照片相位中心都具有厘米級GPS RTK固定解精度的定位坐標；作業機動、靈活，特別適用于位置分散、人員難以進入的礦山監測項目。

1.1 免像控技術

像控點是聯系影像與實地位置的橋梁和紐帶，傳統航測空三加密離不開地面像控點。在復雜的礦區環境下進行像控點布設與采集通常存在諸多困難，不僅測繪外業勞動強度較大，作業效率低，而且在某些困難區域作業人員難以進入現場或無特征地物用于采集，在無足夠控制點情況下進行影像空三加密勢必會影響影像和數字高程模型質量[5]。因此減少像控或免像控技術一直是科研人員不懈努力的方向，隨著無人機高精度慣導和實時差分技術的融入，以天狼星無人機為代表的免像控無人機已經成功應用于生產領域，其高程精度也經過測繪行業檢驗機構鑒定并逐步被測繪工作者認可[6]。

1.2 智能化的一鍵空三加密技術

空三加密一直是傳統航測數據處理的核心技術，因為航測的專業性和復雜性，傳統航測通常是綜合性測繪單位的專屬業務，多數中小規模測繪單位對傳統航測業務望而卻步，制約了航測手段的普及和應用。但是天狼星無人機智能化的空三加密技術無需掌握專業復雜的航測知識，只需要簡單設定坐標系統、基站坐標與航測參數即可實現無人值守方式空三加密，一步獲取正射影像、數字高程模型、原始影像匹配點云、瓦片模型等成果，大幅降低了航測的門檻準入性[7]。

1.3 優秀的姿態調整與控制技術

天狼星無人機具有多項獨特的技術，優秀的姿態調整與控制技術是其最大亮點。除了固定航高平行航線模式，還有根據工程類型定制的螺旋狀、井狀、帶狀等多種飛行模式，實現無人機航測作業效率最大化。其中最具代表性的自適應地表飛行模式，任意一張航片拍攝高度均不相同，但是通過計算機特征點地物匹配技術，將這些看似無序的照片組合快速制作形成高精度無人機航測成果[8]。

2 實景三維應用推動行業管理創新

無人機影像分辨率高、數據量大，成果樣式豐富，但是受計算機處理速度影響，快速展示與匯報仍然存在困難。特別是實景三維模型，需要在Acute3D Viewer等專業軟件下瀏覽，便捷性和實用性明顯不足。

基于Web GIS技術的實景三維地理信息管理系統的出現恰好彌補了這一缺點，實現了互聯網環境下無人機影像大數據的快速發布、瀏覽與管理功能。目前實景三維管理系統已成功應用于公共事業單位、企業和科研機構并取得良好效果，如圖1所示。

圖1 露天礦開采在線監測地理信息管理平臺

3 工程實施

3.1 工程概況

本試驗案例位于濟南市歷城區，屬于典型的丘陵山區地形，測區附近存在多處露天采石場。相關行業管理部門為治理多年來存在的礦山無序開采引發的礦山地質環境問題，已經關停多處采石場，但是仍然存在違法開采現象。為堅決治理這一現象并責任落實到人，本文擬使用無人機航測與三維地理信息管理平臺等新技術手段，使用可量化的手段解決執法難與取證難的問題[9]。

3.2 實施方法

無人機航測過程為：使用天狼星免像控無人機，在飛控系統中導入KML格式測區范圍線，設定坐標系統、高程基準、GSD地面影像間隔、航向重疊度和旁向重疊度等相關參數。精度要求如下：經過噪點剔除后的無人機影像匹配地面點云成果精度要求優于±15 cm，兩期數字高程模型對比能探測出±25 cm高差地表變化。

3.3 工作流程

工作流程如圖2所示。

3.4 高精度DEM獲取的關鍵措施

與傳統航測相比，無人機航測存在以下缺點：抗風、抗氣流能力差，飛行姿態不穩定，飛行高度、旋偏角、重疊度都不容易控制。無人機精度不穩定，特別是高程精度不穩定已經成為行業共識。在外界環境不容易改變的情況下，為提高無人機航測精度和成果可靠性，采取了如下措施：

(1) 提高精度冗余：根據設備廠商建議和相關工程精度統計，天狼星無人機基本能達到平面精度約2GSD，高程精度約3GSD。為實現±15 cm的高程精度，其GSD最佳設定為不大于5 cm，考慮到精度冗余和數據處理工作效率，本次航測GSD設定為3 cm，飛行相對地面航高120 m。

圖2 礦山監測工作流程

(2) 提高影像重疊度：在航向80%、旁向60%的基礎上采用井字形飛行計劃，相當于測區按縱向與橫向飛行兩遍，不僅提高了航測成果精度可靠性，也提高了數字表面模型(DSM)的精細程度和實景三維模型展示效果，如圖3所示。

圖3 高重疊度井字形飛行計劃

3.5 檢測方法

(1) 外業檢測。為保證數據成果的可靠性，使用GPS RTK設備隨機抽檢了42處檢測點，在不考慮儀器設備采集誤差的情況下，分別取得了平面±5.4 cm和高程±8.7 cm精度。從精度檢測對照表(表1)中可以看出，16號與38號點高差偏離較大。通過DSM影像檢查，16號點位于陡坎邊緣，無人機影像匹配點云構建的DTM模型略有變形；38號點附近有樹木遮擋，影像發生畸變。

表1 實測坐標與點云解析坐標較差 cm

(2) 與既有矢量地形圖套合檢驗。在立體環境下，從地貌貼合地表程度可以直觀地檢驗航測DEM精度，在圖4中矩形框內等高線與立體影像不吻合，實際為礦山開采地表發生了變化。

圖4 矢量數據套合檢驗

4 成果應用與發布

無人機航測可以帶來豐富多樣的測繪成果，除了常規的地形圖，實景三維管理逐漸成為行業新寵[10]。利用LubSpace專用影像切片發布工具，制作LRP格式影像與地形數據，將成果導入礦山實景三維監測平臺，在手機等智能終端即可直觀瀏覽礦區開采現狀。通過二維碼在線分享功能，輕松解決無人機影像數據量大、展示難、匯報難的問題[11]，如圖5、圖6所示。

在PC端可以進行專業的定性與定量分析。基于影像和高精度數字高程模型，在實景三維模型中可以獲取任意位置空間三維坐標。人性化的雙屏聯動功能可以輕松比較兩期影像變化，結合兩期DEM疊加分析，可快速定位地表變化區域，如圖7所示。

圖5 實景三維模型在線虛擬顯示

圖6 實景三維環境下定量分析

圖7 開挖土石方量量算

5 結 語

基于“互聯網+”的大數據、云平臺應用是行業管理、技術創新的主流趨勢。與傳統執法手段相比，免像控無人機用于露天礦執法監測安全性高、三維展示效果逼真直觀，不定期航測與精確的量算分析可以有效制止和震懾違法開采行為，有助于片區管理和責任劃分，實現了從被動執法到主動執法的轉變。在數據共享機制下，跨行業、多部門還可以對航測成果進一步挖掘利用，做到一圖多用，讓測繪成果發揮更大價值。