無人機攝影測量在礦山地形測量中的應(yīng)用

（云南省有色地質(zhì)局三一七隊，云南 曲靖 655000）

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展與在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，電子科技產(chǎn)品方面創(chuàng)造了各種功能、各種形式、各類形態(tài)的“機器人”。無人機就屬于其中的一種，隨著物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，無人機的應(yīng)用范圍正在日益擴展，除一般的用于航拍之外，它在工業(yè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到重視。本次研究結(jié)合這種背景與無人機的發(fā)展情況，對主題進(jìn)行闡述。

1 無人機攝影測量概述

無人機攝影測量作為一項依托于設(shè)備組合的技術(shù)融合，首先它實現(xiàn)了無人機技術(shù)與航空拍攝技術(shù)，并以此為基礎(chǔ)，增加了測繪功能。它的工作原理相對容易理解，即是利用遠(yuǎn)程遙控操作，對攝影測量對象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并完成實時在線的傳輸。從無人機攝影測量作為設(shè)備的組合方面觀察，它包括了高分辨率的相機設(shè)備，如CCD數(shù)碼相機、光學(xué)相機等；還包括了紅外線或激光掃描儀進(jìn)行輔助性測量。在實際應(yīng)用中，一般要求采用統(tǒng)一比例尺，按照當(dāng)前常用的情況觀察，在礦山測量中應(yīng)用的比例尺通常包括1：1000、1：2000、1：5000。值得注意的是，以無人機攝影測量作為地形測量工作，在本質(zhì)上屬于信息與圖像之間的轉(zhuǎn)換，也是現(xiàn)實與虛擬場景的交互。因此，這種工作方式，也給實際的工作增添了無限樂趣。

2 無人機攝影測量技術(shù)與比較優(yōu)勢

2.1 無人機攝影測量技術(shù)

當(dāng)前的無人機攝影測量方面納入了很多技術(shù)，而且會根據(jù)不同的攝影測量項目，進(jìn)行一些技術(shù)資源之間的優(yōu)化配置。就目前廣泛使用的無人機攝影測量技術(shù)而言，分為：①攝影測量對象鎖定技術(shù)，主要是在選定區(qū)域內(nèi)利用GPS定位系統(tǒng)進(jìn)行范圍限定；②全數(shù)字空中三角測量技術(shù)，可以將進(jìn)行專業(yè)化的二維平面與三維立體圖像測量；③像控點測量技術(shù)，其主要是進(jìn)行同步數(shù)據(jù)解算，是作業(yè)效率的一個關(guān)鍵構(gòu)成環(huán)節(jié)；還包括了空三加密技術(shù)、數(shù)字生成制作技術(shù)（如DLG生成制作、DOM生成制作），以及利用建模工具進(jìn)行EPS三維測圖系統(tǒng)建模等技術(shù)，現(xiàn)階段一些相對復(fù)雜的測量領(lǐng)域也在應(yīng)用實景三維模型OSGB生成建模等[1]。

2.2 無人機攝影測量比較優(yōu)勢

與傳統(tǒng)攝影測量方式相比，無人機攝影測量的比較優(yōu)勢集中表現(xiàn)在六大方面。第一，在勞動強度方面，真正降低了勞動強度；如礦山地形測量中，傳統(tǒng)時期的測量方式，牽涉到設(shè)備的運輸、轉(zhuǎn)移，監(jiān)測點的變換，以及特殊情況的現(xiàn)場人力測量等；而使用無人機攝影測量不僅解決了此類問題，也極大地節(jié)約了野外作業(yè)時間。第二，在野外減少人力資源、工程作業(yè)量的基礎(chǔ)上，大大提升了測量效率。第三，在作業(yè)中的靈活性更大，在形態(tài)方面它屬于微型設(shè)備，在使用方面，它屬于機動設(shè)備，對于客觀環(huán)境的約束性有一定的適應(yīng)性。第四，統(tǒng)一了各類技術(shù)，突出了多元功能，測量精度可以達(dá)到與實景完全匹配。第五，規(guī)避了諸多不可預(yù)測的測量風(fēng)險，如事故風(fēng)險。第六，降低成本的同時，能夠在預(yù)設(shè)的任務(wù)中定向完成測量。

3 無人機攝影測量在礦山地形測量中的應(yīng)用

3.1 工程概況

以云南省曲靖市宣威市某礦山工程項目為例，海拔1850m；為山地地形；地勢相對平坦；測量范圍內(nèi)無大型障礙物。在前期勘察中需要按照工程項目設(shè)計方案先進(jìn)行礦山地形測量。經(jīng)測量方案比較后，認(rèn)為運用無人機攝影測量可以更好的滿足其測量需求。經(jīng)討論決定采用某型無人機開展礦山地形測量工作。要求如下：①采集全礦區(qū)數(shù)據(jù)信息；②繪制地形圖；③比例尺為1：2000。

3.2 應(yīng)用的基本流程

對無人機攝影測量技術(shù)的應(yīng)用，需要根據(jù)工程項目，進(jìn)行相關(guān)設(shè)備資源匹配，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置；針對不同的地理環(huán)境條件，要進(jìn)行一些技術(shù)選擇；針對精度檢測，應(yīng)該滿足無人機傾斜攝影的基本條件限定。為了使本次論述更為清晰具體，下面就結(jié)合某礦山地形測量工程項目的實際案例展開應(yīng)用探討。

（1）應(yīng)用要求及標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置。首先，根據(jù)礦山地形測量需求，對礦區(qū)一般情況進(jìn)行全面而具體的調(diào)研，其中包括客觀因素的攝影面積、周邊環(huán)境、地形地貌、氣候條件；主觀因素方面的測量要求，如測量范圍、測量比例、測量繪圖等。然后，經(jīng)過具體的意見交流與測量方案確定，決定采用華測P700E型無人機類型進(jìn)行測量作業(yè)。其中的數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置與設(shè)備配置及其它要求具體如下。①數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置：有效荷載≤5kg；續(xù)航時間≥2.5h；巡航速度平均值=90km/h。②設(shè)備配置：3500萬像素相機；鏡頭焦距35mm。③要求測量中以礦區(qū)設(shè)計方案規(guī)劃的路線為準(zhǔn)，確保地面分辨率=5cm；傾角≤5°；偏角≤15°。④無人機攝影拍攝任務(wù)完成后，影像效果標(biāo)準(zhǔn)要求滿足清晰、均勻、飽滿。

（2）像片控制測量。該礦山工程項目中的地形測量區(qū)域，山地地形特征突出，經(jīng)分析選擇區(qū)域網(wǎng)布設(shè)方案。具體是在主要航線方面，選取2條或以上平行線作為基礎(chǔ)飛行線路；然后，根據(jù)拍攝測量需求進(jìn)行平高控制點的分布設(shè)置，要求標(biāo)準(zhǔn)點位精準(zhǔn)設(shè)置在每對像控點，間距標(biāo)準(zhǔn)要求在4條基線以內(nèi)。另一方面，考慮到精度要求，為了從技術(shù)層面做到質(zhì)量有效控制，采用強化加密像控點的方法。具體的操作限定在不規(guī)則區(qū)域內(nèi)，針對凹角處進(jìn)行高程點設(shè)置，針對凸角處進(jìn)行平高點設(shè)置[2]。需要說明的是，此次作業(yè)中，對高程控制點的平面左邊進(jìn)行了精準(zhǔn)測量，其目的旨在為加密控制點的質(zhì)量提供安全保障。

（3）全數(shù)字空中三角測量。在無人機攝影測量的高空作業(yè)中，一般都采用“三角定位”，也就是利用三角測量方法，確定數(shù)據(jù)的真值，一般要求匹配的采用帶有影像拍攝及自動化處理功能的軟件，本次所選的3500萬像素相機中匹配的軟件為Pix4D。它比較的優(yōu)勢集中在三角測量應(yīng)用時，航拍數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度快、專業(yè)化處理程度高、無需人工干預(yù)即可進(jìn)行數(shù)量級較大的影像高速處理；尤其是在二維地圖繪制與三維模型建模方面，滿足了專業(yè)化使用要求，精準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)輸出。在該礦山地形測量作業(yè)中，體現(xiàn)了針對原始影像的自動校準(zhǔn)功能。

（4）數(shù)據(jù)采集。本次無人機攝影測量在該礦山地形測量中的數(shù)據(jù)采集，主要選擇了MapMatrix系統(tǒng)，它的主要特點是全數(shù)字?jǐn)z影測量；其屬性具備數(shù)據(jù)采集的自動化處理功能；其中的數(shù)據(jù)采編入庫、數(shù)據(jù)處理，都非常精準(zhǔn)。在該系統(tǒng)的使用中，最主要的部分是完成并建立立體模型，并利用數(shù)字線劃圖與數(shù)字正射影像技術(shù)，實現(xiàn)DLG與DOM數(shù)字影像生成制作。

（6）精度檢測。為了確保在精度檢測方面的精準(zhǔn)性，先將傳統(tǒng)方法-低空遙感礦山地形數(shù)字化測量技術(shù)，與改進(jìn)方法-無人攝影測量技術(shù)進(jìn)行了精度對比，本文參考了“無人機傾斜攝影測量技術(shù)”研究方面的相關(guān)實驗對比成果[3]，并對其數(shù)據(jù)進(jìn)行了錄入校驗，結(jié)果表明在傳統(tǒng)方法中，使用遙感測量的精度，沒有現(xiàn)階段所使用的無人機傾斜攝影測量精度高。而本次研究所采用的傾角與偏角設(shè)置均符合傾斜攝影測量的基本要求。比較效果如下圖1所示。

根據(jù)礦山地形測量工程應(yīng)用的相關(guān)規(guī)范，結(jié)合本次所選的比例尺，實地測量的數(shù)據(jù)均符合CH/9008.1-2010版本，《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1:500、1:1000、1:2000數(shù)字線劃圖》的規(guī)范要求。其中根據(jù)軟件對地形圖進(jìn)行繪制（1：2000），其圖像如下圖2所示。

圖1 遙感測繪精度與無人機攝影測量精度對比

圖2 礦區(qū)地形圖局部（1：2000）

（6）成果提交。在完成精度檢測后，對本次無人機攝影測量結(jié)果進(jìn)行全面的復(fù)審，并組織討論組分析其結(jié)果，確定對該礦山全景測量中，數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、影像完整、繪圖符合設(shè)計方案要求的基礎(chǔ)上，經(jīng)過質(zhì)量審核與驗收，寫定綜合性評估報告，一并提交礦山地形測量管理相關(guān)部門。

4 結(jié)束語

總而言之，在應(yīng)用領(lǐng)域，無人機有其獨特的測量優(yōu)勢。而在它的使用方面，也顯示了獨特的功能屬性與價值屬性。通過以上分析可以認(rèn)識到，無人機攝影測量在礦山地形測量中的應(yīng)用，不僅能夠有效的節(jié)約成本，還可以通過信息的轉(zhuǎn)化，形成對礦山地形的在線模擬，相對于傳統(tǒng)的測繪，它的效率更高，地形繪制速度更快；從遠(yuǎn)景觀察，它的應(yīng)用與當(dāng)前我國“中國制造2025”的目標(biāo)相一致，有利于推動物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步構(gòu)建。