無人機(jī)攝影測量技術(shù)在礦山大比例尺地形圖快速更新中的應(yīng)用

郝蘭朋

（甘肅煤田地質(zhì)局一四六隊(duì)，甘肅 平?jīng)?744000）

無人機(jī)攝影測量技術(shù)是航空攝影測量領(lǐng)域最近幾年新興的一種高科技測量技術(shù)。此技術(shù)利用無人飛行器上搭載的一個(gè)或多個(gè)影像傳感器的作業(yè)，從空中不同角度對地面的地物地貌信息進(jìn)行多角度拍攝，從而獲取到地物地貌的高精度紋理數(shù)據(jù)，同時(shí)還能夠通過GPS定位技術(shù)、影像融合技術(shù)、三維建模技術(shù)等，通過影像處理生成實(shí)景3D模型，可以真實(shí)如一的反映出地面的實(shí)際狀況[1]。此技術(shù)在世界范圍內(nèi)不同國家的諸多社會(huì)領(lǐng)域都已獲得廣泛應(yīng)用，最近幾年在國內(nèi)城市基建、考古研究、礦山勘察、城市三維模型等領(lǐng)域也得到快速發(fā)展應(yīng)用。

無人機(jī)攝影測量利用無人機(jī)飛行平臺(tái)搭載影像傳感器，因而其具備一定的便攜性和靈活性，可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)航拍，因此無人機(jī)能夠作為較好的飛行攝影平臺(tái)[2]。同時(shí)無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)還能夠詳細(xì)記錄下飛行攝影時(shí)的高度、方向、重疊度、具體坐標(biāo)等數(shù)據(jù)，有利于構(gòu)建自動(dòng)化無人機(jī)攝影的三維模型，借助對地表影像的拍攝信息恢復(fù)各式景觀，這種手段可以最大限度地降低用于三維建模的經(jīng)濟(jì)成本，同時(shí)還具有高精度、精細(xì)化和實(shí)景虛擬等一系列數(shù)據(jù)優(yōu)勢。無人機(jī)攝影測量獲得的相關(guān)影像數(shù)據(jù)，利用空中三角測量等操作，能夠自動(dòng)生成與實(shí)地地形狀況高度一致的的立體化的三維模型，數(shù)字?jǐn)z影測量工作站可對其進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)的矢量化采集和編輯，從而提高了工作效率、擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，進(jìn)而滿足不同專業(yè)層面對不同地類數(shù)據(jù)的不同需求。通過使用無人機(jī)攝影測量新技術(shù)對礦山大比例尺地形圖進(jìn)行快速更新，即擴(kuò)大了無人機(jī)攝影測量技術(shù)的推廣應(yīng)用范圍，又滿足了礦山開發(fā)建設(shè)中對大比例尺地形圖快速獲取的需求。

1 工作流程

1.1 像控點(diǎn)布設(shè)及測量

無人機(jī)拍攝得到的影像因?yàn)楹较蚝团韵蛑丿B度較大（通常會(huì)大于80%）[3]，像控點(diǎn)在布設(shè)上一般不會(huì)考慮成像要求。為了確保地表物體在平面位置與高程位置上滿足各種規(guī)范要求的精度，像控點(diǎn)在布設(shè)上必須排布緊密，具體遵循以下幾點(diǎn)：首先，對于規(guī)則且面積不大的區(qū)域，可在測區(qū)的四個(gè)角點(diǎn)和中心處各布設(shè)一個(gè)像控點(diǎn)；其次，對于面積較大或不規(guī)則的區(qū)域，除了需要在區(qū)域各個(gè)邊角設(shè)置像控點(diǎn)外，其他地方每隔120m~200m就需要布設(shè)一個(gè)像控點(diǎn)；最后，區(qū)域內(nèi)若出現(xiàn)比較突出的高層建筑或地形變化劇烈的位置，必須在地形變化的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)分別布設(shè)相應(yīng)數(shù)量的像控點(diǎn)。像控點(diǎn)的選擇需要將地標(biāo)物和明顯地標(biāo)物相結(jié)合，平面控制點(diǎn)與高程控制點(diǎn)可選在同一點(diǎn)位，也可分別選擇點(diǎn)位，平面控制點(diǎn)應(yīng)選在影像清晰的明顯地物點(diǎn)、拐角點(diǎn)、線狀地物的交點(diǎn)上，高程控制點(diǎn)應(yīng)選在局部高程變化小且點(diǎn)位周圍相對比較平坦地區(qū)，像控點(diǎn)在相鄰像片上均要清晰可見。像控點(diǎn)布設(shè)完成后可使用GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行坐標(biāo)測量，獲取平面坐標(biāo)和高程坐標(biāo)，若平面控制點(diǎn)和高程控制點(diǎn)為不同點(diǎn)位，需分別標(biāo)注清楚。相控點(diǎn)布設(shè)時(shí)若測區(qū)范圍內(nèi)地物特征點(diǎn)較多，可選用后布設(shè)的方法，即先航飛獲取航片，后選取特征明顯的地物作為像控點(diǎn)，并測量坐標(biāo)；若明顯地物較少，可選用提前布設(shè)像控點(diǎn)的方法，提前布設(shè)時(shí)像控點(diǎn)樣式可采用“L”型，如圖1所示。

圖1 “L”型像控點(diǎn)樣式

1.2 外業(yè)航空攝影

無人機(jī)野外航拍時(shí)需盡可能選用飛行穩(wěn)定、續(xù)航時(shí)間長的飛行平臺(tái)，影像傳感器需進(jìn)行檢校，空間分辨率滿足規(guī)范要求前提下越高越好。航攝時(shí)間選擇時(shí)盡量選擇在地表植被或覆蓋物遮擋影響小，天氣晴朗無云微風(fēng)時(shí)間，每天最佳航攝時(shí)間段為9：00~15：00，此時(shí)間段內(nèi)太陽高度角大，地物陰影小，可較好的減小陰影對后期內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的影響[4]。

1.3 空中三角測量

空中三角測量主要是通過地面上設(shè)置的少數(shù)控制點(diǎn)，利用共線共線方程對影像內(nèi)外方位元素進(jìn)行求解，用于檢驗(yàn)構(gòu)建模型在空間方位上誤差。為了將校正后的影像恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)空間下，就必須在空中三角測量結(jié)果的基礎(chǔ)上，對影像模型的坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行一系列的解算處理。現(xiàn)今無人機(jī)攝影測量得到的數(shù)據(jù)操作通常是以光束法在區(qū)域內(nèi)的聯(lián)合平差為主，以共線方程為模型，以臨近影像同坐標(biāo)相交且目標(biāo)相同、外部控制點(diǎn)和影像控制點(diǎn)相對應(yīng)為平差條件，得到每一幅拍攝影像的外部構(gòu)成元素。

1.4 內(nèi)業(yè)地形圖采集

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)判繪采集系統(tǒng)多采用數(shù)字?jǐn)z影測量工作站進(jìn)行該類工作站多為全軟件化設(shè)計(jì)、功能齊全，智能化程度高，通過調(diào)用空三加密成果和野外像控點(diǎn)聯(lián)測等數(shù)據(jù)文件，進(jìn)行全要素?cái)?shù)據(jù)采集，生產(chǎn)DLG數(shù)字線畫圖。內(nèi)業(yè)判繪時(shí)要對所有能判繪清楚的地物信息按照相應(yīng)的規(guī)范要求進(jìn)行繪制，要求完整、準(zhǔn)確；對于不能夠通過內(nèi)業(yè)判繪完成的地物信息要進(jìn)行標(biāo)注，通過后期野外調(diào)繪對該類地物信息進(jìn)行實(shí)地測量、調(diào)查，從而方便最后的編輯成圖工作。

1.5 野外調(diào)繪

使用無人機(jī)進(jìn)行空中航攝，不可避免的存在樹木、門廊等的遮擋問題，不能全方位獲取地物所以信息，導(dǎo)致部分地物模型變形或模糊不清的情況，所以在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集不能夠獲取到足夠信息時(shí)，就需要到野外實(shí)地對相應(yīng)地物進(jìn)行補(bǔ)測、補(bǔ)調(diào)，具體工作就是對被遮擋或內(nèi)業(yè)采集不全的物體和地貌進(jìn)行實(shí)地補(bǔ)測。該項(xiàng)工作要求將內(nèi)業(yè)采集成果疊加快拼DOM影像上，外業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行 調(diào)繪和補(bǔ)測，工作人員必須認(rèn)真負(fù)責(zé)，除需進(jìn)行必要的補(bǔ)測外，還要對地物屬性信息進(jìn)行調(diào)查記錄，具體工作量主要包括：其一，對門廳、柱房、樓層、建筑物結(jié)構(gòu)、廊房下的支柱等進(jìn)行補(bǔ)測；其二，植被比較茂盛的區(qū)域內(nèi)的路面、墻柵等線狀物體進(jìn)行補(bǔ)調(diào)；其三，對被遮擋物體如路燈、井蓋、風(fēng)箱等地面獨(dú)立設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)測；其四，路面兩邊過于茂盛的樹林會(huì)導(dǎo)致飛行拍攝時(shí)路面發(fā)生變形，造成高程點(diǎn)無法滿足測繪成圖的要求，所以外業(yè)就需要對其高程點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)測；其五，內(nèi)業(yè)采集時(shí)無法準(zhǔn)確判別的地類地物屬性信息等也需要現(xiàn)場調(diào)查記錄。

1.6 地形圖編繪成圖

礦山大比例尺地形圖編繪成圖主要采用RCGIS、CASS等專業(yè)測繪編輯軟件對地形圖進(jìn)行編輯，根據(jù)野外調(diào)繪情況，將地物補(bǔ)測調(diào)查的空間信息、屬性信息按照不同圖層要求進(jìn)行成圖入庫，并對圖上的各類要素進(jìn)行綜合取舍，制作出清晰易讀、符合規(guī)范與工程要求的圖件。

2 案例與分析

為了更加清楚、具體的看出無人機(jī)攝影測量技術(shù)在礦山大比例尺地形圖快速更新中的應(yīng)用效果，特與傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行對比，對其地形圖測繪精確度與成圖效率進(jìn)行比較分析。

2.1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目區(qū)為西北地區(qū)某縣某礦區(qū)，面積大概在2.5平方千米左右，為提高該縣人居環(huán)境，當(dāng)?shù)卣笤诙虝r(shí)間內(nèi)對該縣東北方某礦區(qū)測繪1∶1000地形圖。測區(qū)范圍內(nèi)主要包括礦山設(shè)施、辦公生活區(qū)、礦坑、荒山溝壑等。通過現(xiàn)場踏勘，分析認(rèn)為如果采取傳統(tǒng)GPS搭配全站儀測繪的全野外數(shù)字測量方法，因?yàn)闇y區(qū)地形復(fù)雜、天氣因素影響等，預(yù)計(jì)需安排測量人員15名，工作周期約45天，此方法對測量人員技術(shù)要求高、工期緊、工作強(qiáng)度大，無法滿足對快速測繪的要求。故最終決定采用無人機(jī)攝影測量的方法對該礦區(qū)進(jìn)行地形圖測繪，根據(jù)航飛設(shè)計(jì)飛行高度控制在120m，航向重疊度控制在85%，側(cè)向重疊度在80%，測區(qū)最高點(diǎn)分辨率設(shè)為3.2cm/像素，最低點(diǎn)分辨率設(shè)為5.2cm/像素，使用CORS系統(tǒng)在全礦區(qū)共布設(shè)平高像控點(diǎn)85個(gè)。本項(xiàng)目內(nèi)業(yè)空三加密軟件選用了inpho軟件，數(shù)據(jù)采集選用了航天遠(yuǎn)景全數(shù)字?jǐn)z影測量工作站，地形圖編繪選用了ARCGIS與CASS軟件，野外調(diào)繪安排人員共6人，外業(yè)無人機(jī)航攝用時(shí)3天，內(nèi)業(yè)影像數(shù)據(jù)處理與地形圖采集5天，野外調(diào)繪與地形圖編繪修改用時(shí)7天。

2.2 分析

項(xiàng)目選用的無人機(jī)攝影測量工作方法全部工期共計(jì)16天，滿足了快速成圖的要求；同時(shí)，為進(jìn)一步檢驗(yàn)測區(qū)地形圖是否可以滿足對1：1000地形圖測繪精度的要求，與傳統(tǒng)測量方法的測繪數(shù)據(jù)精確度進(jìn)行對比如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)效果對比圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的基于無人機(jī)攝影測量技術(shù)的礦山大比例尺地形圖快速更新相比于傳統(tǒng)測量方法而言，能夠在滿足測圖精度的前提下最大程度上提高成圖效率，極大的降低了野外工作強(qiáng)度，提高了成圖效率，能夠?yàn)榈V山開發(fā)與建設(shè)提供及時(shí)準(zhǔn)確的基礎(chǔ)工作底圖。

3 結(jié)束語

礦山開發(fā)建設(shè)中對基礎(chǔ)工作底圖要求的不斷提高促進(jìn)并拓展了無人機(jī)攝影測量技術(shù)的應(yīng)用和范圍，同時(shí)無人機(jī)測繪新技術(shù)的不斷發(fā)展也進(jìn)一步促進(jìn)礦山建設(shè)開發(fā)與管理上的智能化進(jìn)程。本文對礦山大比例尺地形圖快速更新方法進(jìn)行了分析，依托無人機(jī)攝影測量新技術(shù)，根據(jù)礦山大比例尺地形圖的測繪要求，結(jié)合相關(guān)行業(yè)規(guī)范，對該方法進(jìn)行了分析與驗(yàn)證。實(shí)踐表明，該方法具備較高的時(shí)效性和準(zhǔn)確性，能夠滿足礦山大比例尺地形圖快速更新的要求。