礦山地質測繪中利用無人機高清攝影測量的精度研究

劉德亮

（吉林省煤田地質局物測隊，吉林 長春 130033）

礦山資源的開采為我國經濟的發展作出了巨大的貢獻，與此同時，礦山資源枯竭、礦山周邊環境惡化、礦山地質災害等環境和資源問題也接踵而來。在傳統的礦山地質測繪中，通常需要測繪人員進入礦山實地勘察，然后使用大比例尺繪圖的方式對整個礦山內的地質環境進行測量。這種作業方式往往具備很長的周期，效率極低，且誤差率極大，以肉眼或小范圍的測量工具測量那些礦山地質，其測繪精度很難保證。但是在科技的不斷發展下，無人機高清攝影測量技術被發現，以往的實際經驗也表明，無人機高清攝影測量技術在對平原、丘陵、湖泊等自然地區進行測繪都擁有精度較高的成果。因此本文嘗試將無人機高清攝影測量引入礦山地質測繪工作，并對其精度進行分析研究。

1 利用無人機攝影測量進行礦山地質測繪的可行性分析

無人機高清攝影測量技術主要由具備高分辨率的數碼攝像傳感器、無人機發射平臺、無人機機身、導航定位裝置、計算機計算系統等相關部分組成。其在礦山地質測繪方面具備的優勢主要體現在以下幾個方面：第一，無人機高清攝影測量能夠拍攝出分辨率極高的影像。無人機在礦山中進行地質測繪時可以在機身上攜帶高分辨率的攝影傳感器，這些傳感器能夠在低空攝影中拍攝出厘米單位的地面影像[1]。這樣程度的分辨率能夠使大多數的測繪工程得到滿足，基本上所有的比例都能通過無人機高清攝影測量的傳感器所拍攝，并按要求進行縮放，這樣能夠自動縮放拉伸且分辨率極高的攝影設備是人工探測所難以匹敵的。第二，無人機高清攝影測量不僅能夠得到高清圖像，其對于圖像數據的處理和傳輸速度也很快。無人機在無人駕駛模式下能夠自動低空飛行并收集影像數據，這些影像數據通過整理能夠變為測繪數據，這樣的空中攝影相對于地面人工測量最主要的優勢就是其對于空間領域的應用。因此，在無人機能夠應用之后，只要天氣允許，就能夠隨時開始進行礦山地質測繪，以確保數據資料更新的實時性和準確性。第三，無人機高清攝影測量技術的成本相對于地面人工測量低廉許多。由于無人機的全自動性，在進行礦山地質測繪的過程中不需要工作人員的參與，無人機自身就能夠及時傳輸回全面的影像數據。只有在無人機傳輸回高清影像之后，才需要后期影像制作人員進行影像數據的處理和解譯。這樣的無人機高清攝影測量操作簡單，節約了大量的人工成本，性價比極高，利用最小的經濟和時間成本解決了問題。因此，在礦山地質測繪中使用無人機高清攝影測量技術具備極大的可行性。

2 無人機在礦山地質測繪中的作業流程研究

圖1 無人機高清攝影測繪流程

使用無人機進行礦山地質測繪需要首先由工作人員進行實地勘探，然后才能放出無人機航空攝影，最后在計算機中進行影像數據的內業處理。具體的測繪流程如圖1所示。

如上圖所示，在使用無人機之前需要首先有工作人員去礦山進行野外地形勘探，并選擇像控點的地址。然后在選定的像控點實地布設并進行像控點的坐標測定。此時應同步計算像控點的攝影區間，判斷無人機的航測范圍是否大于攝影區間，若航測范圍確實大于攝影區間則可以進行下一步，若航測范圍小于攝影區間，則需要重新布設像控點[2]。接著開始特征點和地物信息的補測，標定地物特征點，將電線桿、水井等不易判讀的影像人工拍攝下來并做好標記。此時就可以放出無人機進行礦山地質測繪，需要依據航測范圍的具體地形設定各項無人機飛行數據，調校相機參數，無人機在飛行過程中會自動開始攝影。無人機的飛行參數設置如表1所示。

表1 無人機飛行參數

無人機數據收集完畢之后，就可以開始內業工作。需要測繪內業工作人員利用ArcGis或者南方CASS等專業的繪圖軟件將無人機拍攝的影像資料拼接起來，生成一個完整的云數據正射影像圖。然后經過數字成圖處理，提取云數據并獲取布設點坐標，最后得到礦山地質測繪的地形圖。

3 無人機攝影測繪精度分析

在整個使用無人機高清攝影測量技術進行礦山地質測繪的過程中，由于該過程中使用的是鏡頭拼接的測繪方式，不可避免地會產生誤差，這些誤差主要來自于鏡頭畸變、影像質量、像控布設方案誤差、像片重疊等四個部分。其中不會有誤差的量測相機造價過于昂貴，因此大多數的無人機都是使用非量測誤差，如此就會產生鏡頭畸變問題。因此，為減小礦山地質測繪的誤差，就需要對其進行修正。攝像機的鏡頭畸變主要分為徑向畸變和切向畸變。在徑向畸變中，因為相機中的透鏡組不完善，修正公式如下所示：

式中，Δxd、Δyd為攝像頭切向畸變的坐標點；p1、p2為無人機高清攝像頭的切向畸變參數。

由影像質量產生的誤差主要是由于無人機在空中飛行，由于發動機震蕩、擺動等因素，使得高清攝像頭在曝光時成像模糊，產生了拖尾現象，這樣的影像質量問題又被稱為影像位移[3]。影像位移能夠影響到無人機所拍攝的影像最終的成圖效果，使分辨率降低，加大后期內業圖像拼接的難度。若影像質量過低，不僅浪費時間，還會難以控制最終成型的精度。因此，最好的控制無人機高清攝影測量過程中影像精度的方法，就是減少曝光時間，曝光時間縮短，相對位移的移動距離自然就會減小，其圖像的清晰度就會增加，所得到的影像數據精度就能夠達到標準。

由像控布設方案產生的精度誤差，通常都是在最開始的像控布設階段計算錯誤，導致控制點或平面高程出現錯誤，從而產生精度誤差。目前為止，還沒有能夠完美計算像控布設點的公式，因此現如今的像控布設點基本都是由經驗作為依據。因此，為了保證最終無人機攝影的精度，需要盡量減少工作人員的人工工作項目，增大無人機的自動運行機制，這樣既可以增大工作效率，也能夠減少無人機攝影測量的精度誤差。

由影像重疊度導致的精度誤差，一般是由相鄰的兩幅影像資料所重疊的地物景觀引起的。為了不漏算礦山地質信息，在無人機進行攝影測量之前，需要設置好參數信息中的飛行速度和攝影間距，防止信息錯漏，但是這樣一來又會導致信息重疊過大，從而產生精度誤差。因此，需要嚴格把控兩者之間的平衡。

無人機攝影測繪的精度可以由檢查點、定向點、公共點的最大限差來計算得到，其具體數值如表2所示。

表2 定向點、檢查點、公共點的最大限差

上表中的數據均是通過空中無人機坐標點加密與礦山地形分析時所測得的檢查點、定向點、公共點的誤差所計算得到。基本定向點的限值通常為連接點誤差的0.85倍，檢查點限值通常為連接點誤差的1.3倍。表中各點的限差均為定向點的限差，公共點不參與計算，而是存在于多區域的控制點中。

4 結束語

綜上所述，利用無人機高清攝影測量技術能夠在礦山地質測繪方面擁有更好的效果。本文對無人機高清攝影測量技術在礦山地質測繪的作業流程進行了研究，并且分析了無人機數據設備制圖過程中的精度問題，為更加精確的礦山地質測繪工程提供了理論參考。