無人機在露天采場大比例尺地形測繪中的應用分析

張楨哲

（寶雞西北有色七一七總隊有限公司，陜西 寶雞 721012）

無人機攝影測量技術是一種比較熱門的測量技術，目前應用比較廣泛。它改變了人們以往常規測量的工作模式，能更為快速便捷地對作業區實施測繪工作，其應用范圍非常廣泛，尤其在礦山露天采場的治理、土地復墾、泥石流滑坡等地質災害的前期勘察工作中使用得越來越頻繁。通過無人機進行前期的地形測繪，可以節省大量野外作業的時間。

在近幾年的發展過程中，無人機的類型和技術發展比較迅速，通過在無人機攝影平臺上安裝較高分辨率的相機，可以應用在測圖精度1∶1000和1∶2000等大比例尺的地形圖測繪中。和常規測量相比，無人機測量有著時間短、操作方便、效率高、成本低等一系列特點，尤其是在地形陡峭復雜等地區具有明顯的優勢。無人機分多旋翼和固定翼兩種，多旋翼機對起飛場地的起飛要求不高但是飛行時間短，固定翼的機型對起飛場地起飛要求相對較高但是飛行時間長。不管是哪種機型都能獲取高分辨率的影像，而且可以實時分析作業區的地形狀況、排查地質災害點并進行調查。

1 無人機攝影測量工作原理

無人機測量的原理是在飛行過程中通過底部安裝的多鏡頭相機，從各個角度實時、快速地采集地面影像，然后通過相應的數據處理軟件對數據進行處理，生成各種測量成果并應用于生產。

2 無人機攝影測量的特點

無人機航空攝影測量除了可以制作數字線化圖、數字高程模型，還可以通過一些三維建模軟件快速可靠地生產三維模型，主要是采集框架數據、紋理數據和屬性數據，然后通過影像定向、校正和平差等集合運算進行處理，生成點云數據，建立TIN模型，再將紋理貼合在建好的模型上，并對模型進行編輯建立立體真實的三維模型，具有高效、高精度、真實感等特點。文章主要以某座礦山的露天采場的土地恢復治理工程作業前期勘察為例，介紹了無人機在1∶2000地形圖測繪方面的應用分析。

3 項目介紹

陜西省鳳縣地區某個礦山露天采場關閉后需要進行礦山恢復治理工作，在前期的地形和地質災害點的勘察中，如果采用常規測量方法，由于采場陡峭，地形復雜，難以及時完成測繪任務，無法給后期的勘察工作節省時間；再加上測區存在崩塌、滑坡隱患，給野外測量工作帶來極大的不安全性。針對以上問題，作業組通過比較分析決定采用無人機測量方法采集數據并繪制作業區的地形圖。

3.1 無人機參數介紹

該項目主要采用的是賽爾M600電動六軸無人機，具有高可靠性、飛行性能好、使用便捷等特點。整機重量9.1kg，工作飛行重量15.1kg，可工作時間35min，可以承受風速8m/s的影響，在無風環境中速度可以達到18m/s，巡航時間30min。無人機選擇搭載SHARE-100 五鏡頭相機，焦距為35min。

3.2 作業前準備

作業前收集測區附近的高等級控制點、地形地質圖、氣候條件以及飛行區域的空域條件，對無人機的各項工作指標和性能進行詳細檢查，并且進行了作業場地的試飛。攝影測量工作根據天氣情況選擇在攝區晴天、大氣透明度較好的這幾天，因為這樣可以使得光照充足而且避免了過大的陰影，將來也便于影像的判讀和刺點。

航攝作業前還應確定工作區是否要進行分區，一般根據測區面積的大小、比例尺和最小跨度等確定。如果要進行分區的話，還應在滿足各項參數的情況下盡量少分區，同時各分區在進行影像連接時重疊度也應滿足規范要求。

3.3 無人機飛行要求

無人機在具體的操作過程中，可以直接通過相應的軟件來對飛行航線進行設計。在具體的作業過程中對于作業飛行路線設計時應參照規范《1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖航空攝影測量外業規范》的飛行要求盡量東西飛行，特別注意在工作區的最高點處要保證和圖廓吻合。為了滿足數據處理的要求，在重疊度的設置上，航向不低于80%，旁向不低于60%。首末航線應該位于作業區的界線上或之外，旁向覆蓋超越界線應該不少于相幅的50%，最少不少于30%，按圖幅中心線或相鄰公共圖廓敷設航線或者分區時，超出的航線界線或分區界線不少于相幅的12%；航向兩頭要超出工作區各不少于一條基線；航線上相鄰兩張像片高差不大于30m，同航線最大最小航高差不大于50m。

3.4 相控點測量

相控點的布設是在實地釘木樁，然后在周圍灑上白石灰，做成十字形狀，這樣做的好處是便于將來影像的判讀和觀測。像控點按規范要求應該選在旁向重合的中線附近，離開方位線的距離應大于像幅寬的20%，距影像邊緣不應小于0.1cm或50個像素。像控點的目標信息應清晰，易于判讀、刺點，可以選在線狀地物交點、明顯地物拐角點以及高程起伏較小或者一直相對固定且易于準確定位和量測的地方，但是弧線地物及暗影處不能作為點位目標。因為工作區面積小，所以相控點的量測采用GPS-RTK作業的方法按照精度要求測量平面坐標和高程，平面采用四參數，高程采用擬合高程。

3.5 航攝內業數據處理

根據無人機采集的照片數據、地面相控點和POS數據來進行定向、空三加密、平差、點云數據處理，構建TIN紋理貼圖、創建三維模型然后輸出建模成果。建立的三維模型要能夠準確、精細地表達出建模主體的真實情況和具體細節的表現。裸眼旋轉三維模型確認地物類型和位置，勾繪地物，再進行少量外業調繪，最終繪制1∶2000地形圖。

3.6 三維模型制作

制作三維模型采用ContextCapture Master軟件。ContextCapture Master是市場上較為成熟的無人機數據影像處理軟件，可以自動配準影像、畸變改正，自動生成抽稀的三維點云，自動生成三維模型并進行紋理貼合。在軟件實際操作中，可以將攝區分割成多個模型單元進行處理，處理完后可以使用相關的軟件進行拼接，提高工作效率。

3.7 地形數據采集

基于清華山維EPS平臺三維測圖模塊，加載實景三維模型，采用一體化測圖模式進行高程點數據的采集，然后基于南方CASS平臺，加載正射影像圖，完成地物屬性信息采集，利用高程數據生成等高線、編繪地形圖。另外，對于樹葉遮擋大、影像陰影區域及影像模糊地區等要在野外配合常規測量方法進行補償，屬性信息難以判讀的要在野外進行調繪。最后，對制作好的地形圖進行檢查，無誤后提交成果。

4 精度分析

為了檢驗地形圖的精度和三維模型的精度是否符合規范和項目的要求，在工作區均勻的采集點位進行檢測，一共選取了14個檢測點，且位置明顯，利用全站儀配合RTK進行了實地測量并且對點位進行了檢查，計算了平面位置中誤差和高程中誤差。各檢查點精度如表1所示。

表1 檢查點精度統計表

規范要求城鎮建筑區、工礦區圖上地物點的點位中誤差小于圖上0.6m，高程中誤差應小于2/3基本等高距。通過上表中數據可以根據中誤差計算公式計算得到平面點位中誤差為0.46m（實地為1.2m的要求）；抽查的高程中誤差為0.47m，小于2/3基本等高距（實地1.3m），說明成果精度均滿足規范要求。

5 結束語

通過分析可以知道，無人機應用于大比例尺的地形圖測繪完全可以滿足工程建設的需要。由于野外地形陡峭復雜，采用無人機可以快速提高數據采集獲取的速度，大大節省項目人員在野外測量作業的時間，還可以節約野外成本。無人機的三維建模可以很直觀地在電腦上發現作業現場的不利因素和地質災害，方便了地質人員對這些問題進行分析處理，然后根據這些問題提出更好的設計方案，從而及時地處理各種礦山地質環境問題。但是不足之處仍然比較多，如：（1）無人機在進行作業時由于電池容量小，運行時間比較短，而且受天氣溫度變化影響大，如氣溫低會降低飛行時間；（2）山區地形復雜高差大而且植被覆蓋密集地區無人機攝影一般難以達到預期的精度；（3）受到地形、建筑布局等因素的影響會存在一些盲區，這部分盲區需要在野外利用儀器實地測量和調匯。隨著無人機航攝系統的軟硬件不斷改善，其測量的精度也會越來越高，應用的范圍也會越來越廣，也能更好地服務于各個工程建設項目。