影響低空無人機航測露天礦地質成圖精度的因素分析

魏亞峰

（河北省煤田地質局第二地質隊，河北 邢臺 054000）

因為地理信息數據的變換比較頻繁，諸多大型建設工程均需要及時更新數據信息，而測繪工作在技術性的高要求，生產規范方面的嚴格，所以導致地理數據的采集周期比較長，成本偏高。優化測繪方法，提升測繪作業效率，降低成本，已發展為現實生活中我們急需解決的重要問題。傳統的無人機航測，一般會受到空域申請、航攝時長等因素的影響，在快速回應和大面積精準測繪中是無法滿足行業要求的。低空無人機航測具備一系列優勢，如機動靈活、方便有效、成本低廉、時間短等優勢，這就使其發展了傳統航測[1]。現今為止，伴隨航空技術的迅速發展，無人機逐步被推廣應用，通過無人機對影像資料進行及時的采集，會大幅度降低航拍的作業難度。另外一方面，無人機飛行高度偏低的話，可以采取性價比比較高的數碼相機，其也可以滿足測繪數據的要求，所以就能夠在很大程度上降低工作難度和運營成本，可是因為無人機在飛行時很難保證其姿態的穩定性，利用的相機發生畸變的可能性比較大等問題，怎樣確保測繪產品最終的精度，就需要我們進行有關的研究和實踐。

1 無人機航測高度對露天礦地質成圖精度的影響

無人機航測的高度對露天礦地質成圖成圖精度具備非常重要的影響，高度直接和低空無人機航測過程中獲取的影像像素之間存在極其緊密的聯系，同時高度在上下方向的變動還和影像相幅大小之間存在一定的關聯。一般狀況下，低空無人機在實際飛行中，高度是作為一個從低至高的變化過程，在獲取影像的作業中，像素值實際上是一個從大至小的過程。另外，露天礦地質成圖圖像精度也會隨之降低，這就要求在低空無人機的航測中，有關技術人員必須充分考慮到低空無人機航測露天礦的地形狀況，科學確定其飛行高度，進一步保證地質成圖的精度。

2 相機像素的影響

相機作為測量工具的一種，其自身像素的大小會直接影響到成圖的質量，像素越大，圖像越發清楚，像素越小，圖像就越模糊，所以在無人機起飛時，必須充分考慮到相機自帶的像素對飛行高度進行初步確定。相機聚焦和曝光時間的長短很大程度上也會影響到最終的成圖精度，所以準備工作中也需要對相機進行聚焦，飛行高度設定為500m時，就必須尋找到一個500m的地標物進行對焦。曝光時間的選擇主要是和能見度相關，光線不佳時，需要盡可能延長曝光時間。數碼相機自身就存在畸變的可能性，這會大大影響到成圖的精度，因此航測時必須對其進行有關的參數檢校，使其方位值和畸變參數保持統一。一般，絕大部分情況下是采取低空無人機數據后處理軟件對相機進行自我檢校處理。

3 像片傾角的影響

通常情況下，一個地面設置點在上下兩張相片上，會構成縱點坐標，其差值一般稱之為上下視差值，標準立體相對影像的上下視差值常規情況下是0。一個地面設置點在左、右兩張相片上，會構成橫點坐標，其差值一般稱之為左右視差值，標準立體相對影像的左右視差值常規情況下也是0。兩個地面設置點的左右視差之差即為左右視差較值，左右視差比較值是由兩個像素點之間的實際高度誤差造成的[2]。左右視差值可以借助理想相對影像間的左右視差比較值來表示，從而將其優化為理想相對影像的上下視差比較值。

4 像控點設置的影響

在低空無人機對露天礦進行航測的實際拍攝過程中，像控點的設置會導致最終成圖精度受到很大程度的影響，選取適宜的像控點，能夠有效提高最終的地質成圖精度，否則就會降低成圖質量。

無人機航測在準備環節，就必須合理設定像控點，并保證像控點的布防數目實際應超過6個。因為地形地貌的起伏變化比較大以及植被覆蓋率比較高的時候，像控點非常容易被其部分或完全覆蓋，進而導致低空無人機的航測工作很難開展下去，造成成圖翹曲的出現，且同時伴隨著獲取到的航測數據在精度上不滿足要求，影響到航測的最終成圖精度。所以，一旦遭遇到地形比較復雜多樣的航測任務，就必須全面分析露天礦的實際地形。

5 無人機飛行姿態的影響

無人機的飛行姿態在很大意義上會對最終的航測成圖精度產生不良影響：通常，飛行方向的傾斜角度會對高程產生誤差影響。這是因為一旦飛行方向出現變化，會影響圖像的幅值；而實際作業過程中，獲取的立體圖像出現偏差主要是由于偏向傾斜和正向傾斜在圖像上的疊加，造成圖像上出現一個雙面曲線拋物線。

飛行姿態具體包括飛機航測作業時的俯角、仰角、橫角、滾角以及偏角，簡而言之，航測地質影響成圖的飛行姿態主要是和無人機的飛行狀態、當時環境下的風速、風力等有著莫大的關聯。在飛行器穩定性表現較佳的前提下，影響因素最大的即為風。起風時，會造成飛機為了有效抵達風的影響而作隨之作出恰當的反應，飛機姿態就會產生一定程度的變動，特別是當風向復雜的狀況下，飛機姿態變得更加不穩定。如此極易導致航低空拍攝影像時因為拍攝姿態角過大而造成影像重疊度過低、影像匹配失敗率過高、航攝漏洞過多或連接性不強等問題。同時因為拍攝姿態角太大，非常容易導致最后的航拍影像出現畸變更大，由此帶來最后成圖模型質量較差[3]。低空無人機在航測露天礦地質成圖應用過程中，避免在風速過大或風向復雜的天氣下拍攝。

6 相機放置方式的影響

為了進一步研究相機擺放位置對地質成圖成像精度的影響，這里設定以數碼相機CCD陣面為矩形陣面，為了統一計算，假定CCD矩形陣面的基本像素是5616×3774，像元尺寸一般是6.4um，初始焦距設為35.5093mm，航拍相機的飛行比例尺為1∶23533；同時假設低空拍攝時像素之間的重疊度為70%，那么就能夠按照圖1所示的立體觀測誤差示意圖獲取到影像基線的長度與像點相交角，他們分別為：

上式，Lx代表航測影像片幅面的基本寬度，θ代表像元，f代表飛行角度，b代表比例尺。一般狀況下，為了利于統計，可在對基本航向方向進行測量時，假設作業人員的左右視差誤差值大概是像元的1/3。假若以來代表視差誤差值，那就可以獲得由于人為測量誤差而出現的平面誤差Δx和高程誤差Δh：

式中，m代表航拍比例尺分數的分母。通過計算可知，測得的平面精度和比例尺之間為正比相關，和CCD陣面的擺放位置沒有關聯；CCD陣面的長邊和飛行方向垂直時的高程精度要比短邊和飛行方向垂直時的高程精度要高一些，這就代表當對礦區進行大范圍航測時，CCD陣面的長邊和飛行方向垂直時的獲得的地質作圖要更為精良。

圖1 立體觀測誤差示意圖

7 無人機平臺的影響

無人機航測一般需要搭載非量測型單反設備，其像幅比較小，為了能夠獲取露天礦整體地質圖像，我們可借用改變航向和旁向重疊度的方法，但使用該方法會造成整個航測礦區影像數目的疊加，通常會對測量作業產生一定影響。近年來，國內低空無人機航測技術不管是在實用性還是在穩定性上均有著長足進步，其技術上的改進和創新勢必可以提高航測成圖的質量，有效記錄飛機在航拍時拍攝的各項數據，并利用后期專業軟件對其進行完善加工，進一步保證計算的準確性，如此一來就可以在很大程度上避免低空無人機平臺對航測數據準確度的不良影響。

8 結語

本文對影響低空無人機航測露天礦地質成圖精度的因素進行分析，低空無人機航測技術擁有一系列使用優勢，如實用性、綜合性強等特點，伴隨以后我國科學技術的繼續發展，無人機航測技術勢必會改良諸多缺陷，逐步克服影響成圖精度的不利因素，從而有效實現了我國航測技術的迅猛發展，待其功能完善以后，廣泛應用在社會諸多行業。低空無人機航測技術很大程度上克服了傳統測量方法的缺陷，使其測量精度進一步提升，可以在一定程度上滿足礦山等工程測量的一系列技術要求。希望本文對影響低空無人機航測露天礦地質成圖精度的因素的相關研究可以為航測技術的發展提供一定的理論依據。