無人機航測在礦區周邊土地資源測繪中的應用

魏亞峰

（河北省煤田地質局第二地質隊，河北 邢臺 054000）

隨著科技的進步和社會的發展，我國攝影測量技術得到了大幅提高。鑒于無人機輕型化、便捷化和智能化的特點，無人機航測在地形復雜區域和飛行困難地區高分辨率影像快速獲取小區域地形測量方面具有高效、直觀等顯著優勢[1]。

1 概述

無人機航測是指采用多旋翼、固定翼的無人飛行器平臺，搭載單鏡頭、多鏡頭的相機傳感器，以及小型機載雷達等，進行無人機測量的一種先進測繪技術手段。無人機航測是對傳統航空攝影測量、攝影測量與遙感等測繪手段的有力補充，具有機動靈活、作業成本低、適用范圍廣、生產周期短等特點，在飛行困難礦區高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優勢。無人機與航空攝影測量相結合使得“無人機數字低空遙感”成為航空遙感領域的一個嶄新發展方向，在基礎測繪、土地利用動態監測、智慧城市建設等方面具有廣闊前景。無人機航測產品主要包括：航測4D 產品、傾斜攝影測量等。近年來，與傳統測量方式相比無人機航測作業成本更低、效率更高、時效性更強，深受測繪行業的歡迎，在礦區周邊土地資源測繪中應用也越來越廣泛[2]。

2 精度提高的方法與影像匹配

2.1 提高數據采集精度的經驗性做法

無人機航測的精度取決于很多方面，其中原始照片的好壞將決定項目能達到的最好效果。在外業采集過程中，選擇較好的天氣、做好相機的調校尤為重要。

2.2 減小投影誤差增強航片幾何屬性

航攝相片為地面景物的中心投影構像，而地圖是地面景物的正射投影，當地面和相片均嚴格水平時，兩種投影結果是等效的；但地球表面起伏將引起像點位移，無人機平臺飛行過程中的波動會引起相片傾斜。因此，盡量選擇天氣條件良好的情況下進行航拍，以增強相片的判讀性和保證飛行姿態的穩定性，從而提高相片坐標系下的像素點平面精度；在高差大于1/4 相對航高的測區需分區進行航線設計，以減少由投影參考面變化造成的投影誤差。

2.3 像控布設優化提高平差精度

空中三角測量是基于地面像控點坐標，利用后方交會原理計算得到相片的內方位元素和外方位元素；再基于立體像對中的內外方位元素和像點坐標，利用前方交會原理計算得到對應的地面坐標。因此，平坦地區應均勻分布像控點，高差大的測區要加密像控點，這樣區域網約束平差后的坐標值更趨近于實際值，從而提高像點對應的地面坐標精度[3-5]。

2.4 外業調查舉證

無人機系列技術中的傾斜攝影測量技術所提供的準確信息，為外業調查舉證工作的開展發揮了積極效應，通常來說，我國所開展的外業調查舉證活動都會充分使用互聯網技術和3s 技術，在這些技術的支持下對具有差異性的圖斑進行二次拍照舉證，在準確技術信息的引導下，舉證人員會對不同的舉證照片的角度、時間和坐標進行具體記錄，通過關聯系列照片信息和圖班信息完成一系列舉證活動。例如，在系列外業舉證活動中，地質情況復雜使得舉證人員的調查工作受到了阻礙，不合格的舉證照片往往會造成一系列重復舉證工作，但傾斜攝影測量技術支持系列調查人員清晰地分辨出不同區域測量點的特征，那么外業人員就不需要再重復進行一系列舉證工作，外業舉證的工作效率和作業準確性也將大幅度提升[6]。

3 無人機航測技術在礦區周邊地資源勘測中的應用

3.1 無人機航空影像數據獲取

礦區周邊土地資源勘測以“細化”“信息化”和“精準化”為標準，因此，快速的獲取分辨率高的航空影像資料是地質調查能否成功的基礎。礦區周邊土地資源利用現狀較其它地區土地利用狀況相比較為單一，主要為耕地、林地、荒地等，相對面積較大，易于識別，因此礦區周邊土地資源勘測選用1m 分辨率航空遙感資料，對礦區周邊土地資源利用現狀進行調查；出現相對面積小，較難識別情況，因此礦區周邊土地資源勘測選擇優于0.2m 分辨率的航空影像資料，其目的在于“細化”、“信息化”和“精準化”。無人機航測技術具有時效性強、機動靈活、分辨率高等優勢，能夠精準的獲取礦區周邊土地資源利用現狀信息，因此可以作為土地調查的基礎底圖圖件。

3.2 高分辨率航拍影像DOM 制作及圖斑獲取

數字正射影像（DOM）在礦區周邊土地利用和規劃中起到了重要作用。在土地資源調查中，采用的是2.5m 分辨率的衛星遙感影像，影像分辨率較低，因此所獲得的DOM、圖斑等誤差較大。根據蔡玉軍對不同分辨率下的航空影像數據誤差分析，其中分辨率為2.5m 的影像圖斑誤差約為4.2%，分辨率為0.5m 的影像圖斑誤差為0.6%。因此，礦山國土資源勘測過程中獲得的DOM 和圖斑信息完全能夠滿足現階段的精度要求和細化要求。

3.3 無人機傾斜攝影測量

無人機傾斜攝影測量是近年興起的一項高新技術，獲取的傾斜影像，可快速制作測量區域三維模型、TIN 模型等產品。傾斜影像數據作為測量區域的空間載體，以其高度創新的數據展示方式帶動整個區域時空信息服務平臺數據更新換代，以高精真的數據為礦區周邊土地規劃管理決策者提供有效的決策依據。傾斜攝影測量通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體更為完整準確的信息。垂直地面角度拍攝獲取的影像稱為正片，鏡頭朝向與地面成一定夾角拍攝獲取的影像稱為斜片。拍攝相片時，同時記錄航高、航速、航向和旁向重疊、坐標等參數，然后對傾斜影像進行分析和整理。在一個時段，飛機連續拍攝幾組影像重疊的照片，同一地物最多能夠在3 張相片上被找到，這樣內業人員可以比較輕松地進行建筑物結構分析，并且能選擇最為清晰的一張照片進行紋理制作，提供更加真實直觀的實景信息。影像數據不僅能夠真實地反映地物情況，而且可通過先進的定位技術，嵌入地理信息、影像信息，獲得更高的用戶體驗，極大地拓展遙感影像的應用范圍。

圖1 采用傾斜攝影測量獲取的斜片

3.4 促進礦山地質災害監測與治理

通過傾斜攝影測量技術建立的三維模型與傳統正射影像疊加DEM 建立的偽三維模型相比具有明顯的優勢，為地災點監測提供了直觀、真實的三維模型。水平方向上，由于傾斜相機垂直方向的鏡頭是正射的，與傳統的正射影像一致，能清晰地展示水平地表面上的地物詳細信息。垂直方向上，由于傾斜相機前視、后視、左視、右視4 個方向都能拍攝，通過數據處理后能獲得清晰的地物側面信息，通過傾斜攝影測量構建的三維模型真實地反映了礦體側面的信息，能從各個角度觀察危巖的巖體特征，而傳統正射影像疊加DEM 建立的偽三維模型只能精確地顯示出水平方向的地物信息，垂直方向上基本無信息顯示。如要獲得清晰的側面紋理特征，需對地物進行拍照，獲取地物的結構和紋理特征，進行貼紋理處理，從而使得建模時間加長、成本增加，并且導致數據量大且冗余、紋理失真等各種缺陷。通過傾斜攝影測量獲取地災點的現狀數據，構建地災點的真實三維模型，可以實現對地質災害發生地點進行排查，及時發現地質災害隱患點。對于地災點尤其是坡度較大、人員難以到達的地災點的監測具有重要意義。此外，基于傾斜攝影測量成果，可以實現地災體（點）距離、表面積和體積的量算，可以為地質災害治理工程設計與工程量估算、災后搶險和災后災情評估提供基礎數據和決策支撐。

4 結語

無人機具有機動靈活、高效快速、精細準確、作業成本低、適用范圍廣、生產周期短等優點。無人機與航空攝影測量的結合，使得無人機數字低空航空攝影測量成為大比例尺航測流行的技術解決方案。數字航空攝影測量通過算法的改進可有效提高影像匹配和模型連接的精度，為后期DOM 制作提供了幾何精度更高、效果更清晰、地理信息更完整的模型數據。傳統地形測量需要投入大量人員，耗時長、效率低，且由于其對作業員經驗的要求較高，經驗少的作業員在地形外業測量時容易漏測，成果整理時容易記錄不完整。無人機航測可實現全覆蓋采集、數字化成圖，既保證了質量，又能大幅提高效率，優勢明顯。隨著無人機航測技術的不斷進步，續航能力、飛行精度和穩定性、智能規劃航線和開發專題應用軟件等技術的提高，將進一步提高無人機航測的精度，并能在交互式巡查、智能化抓取、動態檢測等領域不斷延伸和擴展[7]。