無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)在礦山測(cè)量中的應(yīng)用

陳端祥

(福建省121地質(zhì)大隊(duì)，福建 龍巖 364021)

現(xiàn)階段，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展、成熟，其在民用領(lǐng)域的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，尤其是與各行業(yè)領(lǐng)域的融合發(fā)揮出了巨大的優(yōu)勢(shì)作用。無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)是遙感技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)之一，因其數(shù)據(jù)獲取及處理靈活快速、成本較低等特點(diǎn)，在遙感數(shù)據(jù)獲取方面展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)礦山測(cè)量主要是利用衛(wèi)星和大飛機(jī)作為遙感平臺(tái)的航空航天測(cè)量，受天氣因素影響較大，工作效率不高。無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)在礦山測(cè)量中的應(yīng)用，利用其技術(shù)自身優(yōu)勢(shì)，在獲取符合要求的高分辨率影像的同時(shí)，還可以有效避免不利因素影響，提高工作效率[1]。因此，無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)在礦山測(cè)量中的應(yīng)用價(jià)值值得進(jìn)一步探討。

1 無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

相對(duì)于航天遙感技術(shù)，無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪獲取數(shù)據(jù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

①數(shù)據(jù)獲取周期短。采用無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)，多是低空飛行獲取影像數(shù)據(jù)，避免了衛(wèi)星航空遙感技術(shù)受天氣條件的限制，以及常規(guī)航空遙感技術(shù)需要辦理空域飛行申請(qǐng)的客觀條件限制，能夠有效保證數(shù)據(jù)采集的時(shí)效性，極大縮短數(shù)據(jù)獲取周期[2]。

②數(shù)據(jù)分辨率高。無(wú)人機(jī)低空飛行一般不高于地面1000m，甚至還可以在距離地面200m左右飛行，通過(guò)機(jī)身攜帶的高分辨率數(shù)碼相機(jī)，可以獲取較高分辨率的影像數(shù)據(jù)，并且提高數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，滿足比例尺測(cè)圖精度及監(jiān)測(cè)要求[3]。

③獲取危險(xiǎn)區(qū)數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)在危險(xiǎn)區(qū)域下飛行，最大限度地保護(hù)了工作人員的人身安全，并且能夠獲取到實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，既保證工作效率，又實(shí)現(xiàn)了安全最大化[4]。

④機(jī)動(dòng)靈活。無(wú)人機(jī)機(jī)身具有體積小、重量輕等特點(diǎn)，從而保證無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪能夠?qū)崿F(xiàn)在天氣強(qiáng)干擾、地形復(fù)雜的區(qū)域機(jī)動(dòng)、靈活地獲取數(shù)據(jù)[5]。

⑤飛行控制自動(dòng)化。現(xiàn)階段，無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)已經(jīng)可以做到根據(jù)遙感圖像上指定點(diǎn)位飛行，并且在電量低于預(yù)設(shè)值或達(dá)到用戶自行設(shè)置的電量值時(shí)自動(dòng)返航，實(shí)現(xiàn)全程飛行自動(dòng)化[6]。

2 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)

2.1 影像畸變校正

通過(guò)對(duì)數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，能夠獲得相機(jī)的準(zhǔn)確定位以及相關(guān)參數(shù)，然后利用數(shù)學(xué)模型設(shè)置對(duì)相機(jī)的改正模型，對(duì)數(shù)碼相機(jī)成像進(jìn)行畸變校正，經(jīng)過(guò)畸變校正后的影像可以為數(shù)據(jù)的后期處理做好準(zhǔn)備[7]。

2.2 快速正射糾正

GPU的并行處理能力非常強(qiáng)大，并且還可以實(shí)現(xiàn)高寬帶的數(shù)據(jù)傳輸。無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)在正射影像糾正中，可以借助GPU進(jìn)行數(shù)字影像正射糾正，極大提升糾正速度，并有效提高數(shù)據(jù)處理效率，從而保證無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)處理的快速性[8]。

2.3 大范圍正射影像自動(dòng)拼接

成像經(jīng)過(guò)快速正射糾正后，可以對(duì)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的正射影像進(jìn)行拼接，保證其完整性。同時(shí)，對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，確定其重疊度等各項(xiàng)飛行指標(biāo)滿足要求，保證測(cè)繪工作的順利高效完成[9]。

2.4 幾何糾正

為了滿足礦山測(cè)量對(duì)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的要求，在數(shù)字正射影像完成后，需要進(jìn)行幾何糾正，確保控制點(diǎn)擬合精度、地物點(diǎn)誤差在精度要求范圍之內(nèi)，從而保證無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪影像成果精度滿足礦山測(cè)量需求[10]。

3 無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)在礦山測(cè)量中的應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目主要是在福建1∶5萬(wàn)滸州幅456km2的范圍內(nèi)開(kāi)展較系統(tǒng)地礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查工作。調(diào)查區(qū)主要位于福建省北部，南部屬建陽(yáng)區(qū)管轄、東北部屬浦城縣管轄、西北部屬武夷山市管轄。工作區(qū)范圍：東經(jīng)118°15′～118°30′，北緯27°30′～27°40′，屬1∶5萬(wàn)滸州幅(G50E003018)，面積456km2，如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目測(cè)區(qū)地理位置

測(cè)區(qū)地處武夷山脈北段，地勢(shì)東、西高，中間低。最低點(diǎn)(滸州)海拔159.5m，最高點(diǎn)(營(yíng)盤(pán)崗)1157.7m，相對(duì)高差一般在500m以上。測(cè)區(qū)居民點(diǎn)分散，村莊小路十分稀少，給礦調(diào)工作增加了困難。因此，利用無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)，獲取測(cè)區(qū)高分辨率影像，并對(duì)影像進(jìn)行處理，為礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查提供參考依據(jù)，能有效減少調(diào)查難度和提供調(diào)查效率。

3.2 技術(shù)路線

本次項(xiàng)目實(shí)施首先收集完成礦區(qū)數(shù)據(jù)資料，然后對(duì)無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)與規(guī)劃，歷時(shí)30天，獲取完成礦山影像數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)人機(jī)影像處理后獲得1∶1000地形圖，為礦區(qū)開(kāi)展礦產(chǎn)檢查及資源勘測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。主要技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 技術(shù)路線圖

3.2.1 無(wú)人機(jī)及數(shù)碼相機(jī)選擇

本項(xiàng)目選用固定翼“UV-Ⅱ”無(wú)人機(jī)，機(jī)身搭載Sony RX1RII高端數(shù)碼相機(jī)，數(shù)碼相機(jī)像素為4240萬(wàn)，最高分辨率7952×5304，全機(jī)重量1.5kg。

3.2.2 技術(shù)參數(shù)設(shè)置

由于礦山地區(qū)地形、地表差異較小，無(wú)人機(jī)航攝進(jìn)行分區(qū)；航線設(shè)計(jì)主要按照方向，由西向東布設(shè)；地面分辨率在0.08m；設(shè)置航向重疊度在80%，旁向重疊度在65%，相對(duì)航高320m。

3.2.3 飛行質(zhì)量控制與補(bǔ)重?cái)z

無(wú)人機(jī)飛行質(zhì)量控制有效性直接關(guān)系到無(wú)人機(jī)遙感影像數(shù)據(jù)質(zhì)量。飛行質(zhì)量的控制內(nèi)容主要包括：①控制無(wú)人機(jī)升降飛行速度，上升及下降都須低于10m/s；②飛行過(guò)程中，無(wú)人機(jī)轉(zhuǎn)彎需要控制坡度在20°以內(nèi)，以防止衛(wèi)星信號(hào)失鎖；③拍攝區(qū)域的邊界覆蓋率應(yīng)當(dāng)高于像幅二成；④飛行過(guò)程中，航向及旁向的重疊度應(yīng)當(dāng)保持在設(shè)計(jì)重疊度；⑤同一航線上相鄰像片航高差不高于30m，整體航高差最大值不超過(guò)50m；⑥控制最大旋偏角像片數(shù)量，不能多于總數(shù)的4%。

無(wú)人機(jī)飛行質(zhì)量控制不佳，或者受到各方面因素影響而導(dǎo)致飛行質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的，需要進(jìn)行重?cái)z；對(duì)于局部缺陷，如云影等，或相對(duì)漏洞，則需要進(jìn)行補(bǔ)攝，補(bǔ)攝航信超度需要比漏洞長(zhǎng)出一條基線。

3.3 影像數(shù)據(jù)處理

首先對(duì)數(shù)字影像數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，內(nèi)容包括對(duì)影像質(zhì)量的檢查、數(shù)據(jù)異常檢查、重疊度檢查等。然后要確保像控點(diǎn)與最近基礎(chǔ)控制點(diǎn)平面位置、高程的誤差均不高于0.1m。最后對(duì)影像畸變情況進(jìn)行糾正，具體來(lái)說(shuō)(如圖3)：選擇GPU糾正快速測(cè)繪影像圖，對(duì)其中存在的主點(diǎn)偏移、畸變等情況進(jìn)行糾正，同時(shí)進(jìn)行勻色處理；根據(jù)飛行影像建立DOM(即數(shù)字正射影像圖)，主要是利用DEM(即數(shù)字高程模型)對(duì)經(jīng)過(guò)掃描處理的單張航片，利用ArcGIS糾正軟件，將影像失真情況糾正過(guò)來(lái)；運(yùn)用數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換影像投影，由中心投影變?yōu)榇怪闭蛲队埃瑥亩@取正射像片；對(duì)像片進(jìn)行編輯操作，最后生成標(biāo)準(zhǔn)分幅正射影像圖。像片糾正完成后，再進(jìn)行幾何糾正，借助ERDAS軟件將地面控制點(diǎn)坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)提取出來(lái)，確保像片精度達(dá)標(biāo)。

圖3 影像數(shù)據(jù)處理流程

4 無(wú)人機(jī)影像成圖精度分析

4.1 數(shù)字正射影像圖質(zhì)量

礦山地形主要以丘陵山地為主，其高低起伏變化情況較大，無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)需要根據(jù)設(shè)置飛行相對(duì)航高，控制飛行質(zhì)量，從而保障影像質(zhì)量。同時(shí)，飛行數(shù)據(jù)覆蓋、重疊度等對(duì)最終數(shù)字正射影像圖質(zhì)量有重要影響。根據(jù)數(shù)字正射影像處理后的成圖質(zhì)量分析，在對(duì)相鄰的正射影像進(jìn)行立體觀察與量測(cè)檢查時(shí)，個(gè)別點(diǎn)位存在誤差，但從整體地形上看并沒(méi)有明顯起伏；正射影像平面圖質(zhì)量符合規(guī)范要求，圖像在色彩和色調(diào)上都滿足均衡要求。

圖4 數(shù)字正射影像圖

4.2 成圖質(zhì)量分析

在礦山測(cè)量項(xiàng)目完成后，可以利用檢測(cè)區(qū)控制點(diǎn)對(duì)檢測(cè)區(qū)外進(jìn)行測(cè)量，對(duì)成圖質(zhì)量進(jìn)行分析。野外踩點(diǎn)共256點(diǎn)，對(duì)踩點(diǎn)數(shù)據(jù)及成圖后在圖上量取的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，得出誤差值，對(duì)成圖質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)和測(cè)試。將實(shí)際測(cè)量野外點(diǎn)位與成圖后在圖上量取的點(diǎn)位進(jìn)行對(duì)比分析，得出結(jié)論為內(nèi)業(yè)加密點(diǎn)、地物點(diǎn)、內(nèi)業(yè)加密高程點(diǎn)、內(nèi)業(yè)高程注記點(diǎn)與實(shí)際測(cè)量野外點(diǎn)位的誤差分別為0.88m、1.01m、0.70m、0.79m。具體情況見(jiàn)表1。

表1 成圖質(zhì)量分析

5 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)是遙感技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)，具有數(shù)據(jù)獲取及處理靈活快速、成本較低等特點(diǎn)，在遙感數(shù)據(jù)獲取方面展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。在礦山測(cè)量中，應(yīng)用無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)礦山資源的勘察、檢測(cè)、監(jiān)管等，滿足礦產(chǎn)檢查，評(píng)價(jià)區(qū)域礦產(chǎn)資源潛力，尋找并圈定找礦靶區(qū)等提供重要、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。本文通過(guò)詳細(xì)介紹利用無(wú)人機(jī)獲取調(diào)查區(qū)高分辨率影像的技術(shù)路線和影像處理過(guò)程，并分析得出影像的質(zhì)量和精度滿足礦產(chǎn)調(diào)查使用要求，為調(diào)查區(qū)礦產(chǎn)測(cè)量提供參考，最大限度地減少調(diào)查難度，并提高了調(diào)查效率，可為其他同類調(diào)查項(xiàng)目提供參考。