無人機遙感測繪技術在礦山地質測繪中的應用效果分析

陳子豐

（江西都昌金鼎鄔鉬礦業有限公司，江西 九江 332600）

由于地質對象具有復雜性、不確定性和分布離散性，其他學科中已經成熟的建模方式不能應用于地質學，需要結合傳統的地質勘探學、計算機技術、地理信息系統等多學科的成果進行輔助，進行綜合分析和解釋。進入新世紀以來，國外對立體地質建模的應用進行了廣泛的研究[1]。立體地質建模的概念提出以來，這項技術已經被研討了將近五十年，形成了一系列的理論成果和建模技術。很多研究人員也對數學建模的方式、立體地質數學建模和可視化方法等方面進行了研究。遙感飛行平臺分為衛星遙感和航空遙感，航空遙感平臺過去主要是載人飛機。無人機的優點主要體現在它的高機動性，也就是說在電機轉速、電機范圍、電機狀況等方面加起來是任何載人飛機都無法比擬的，具有較強的環境適應性，有專門設置的起降場，對氣象條件的要求較低，優越的低性能使得線上作業容易，從而大大提高了工作效率。無人機有極高的性價比，飛機的采購價格低，一般公司都能負擔得起，使用成本很低，并且無需載人飛行，使操作者的安全壓力大大降低。因此，無人機遙感技術在礦業領域的應用是一個值得研究的課題。

1 無人機遙感測繪技術的實現過程分析

1.1 無人機遙感測繪設備分析

目前，我國對于輕小型無人機在遙感測繪中的應用沒有統一的標準和規范，大部分指標仍是參考傳統航攝系統或現有超輕型載人飛機的技術指標。根據無人機數字遙感測繪的經驗，提出了若干參考指標。車身和底盤的工作條件不同，應采用不同的材料。對于航拍無人機，傳感器設備一般安裝在機體內以便于與控制飛行系統的交互。因此，應預留空間安裝攝影設備，攝影設備應是不受強振動和發動機油煙的影響，實現無遮擋的垂直攝影。

1.1.1 飛行平臺設計

本文以高原航拍為目標，結合目前在我國執行遙感任務的無人機，選擇馬力大、動態性能好的“雙引擎”無人機飛行平臺，配備臥式對置雙缸風冷發動機，單個單位可以輸出馬力轉速。在正常情況下，雙引擎只能以左右兩種動力正常飛行。在單個引擎熄火的情況下，依靠另一個引擎仍然可以保持飛行。飛行器具有較大的有效載荷，機體空間相對較大，可以為旋轉偏差校正頭等輔助設備提供足夠的空間和承載量。該機具有良好的抗風能力，可抵抗7級左右的風，確保在空氣中有無序氣流時不會失速下降。完整機體的比其他無人機更重，因此它在空中飛行更平穩，確保準確的軌跡，保持姿態比其他無人機更好。

圖1 無人機示意圖

樣機交付時，一般不打開拍照窗口，可根據傳感器的尺寸、形狀和一些特殊要求進行修改。無人機傳感器的數字使用遙感測繪都在機身，當轉換器根據鏡頭的大小精確測量第一個景象時，攝影窗口的大小可以根據當時條件下的氣動布局進行調整，盡可能對應攝影需要采用的寬度和高度。用這樣的方式來滿足不同情況下攝影的需要。拍攝窗口應選擇離發動機盡可能遠的，以減少發動機煙霧和振動的影響。另外在窗口邊緣安裝了8根垂直金屬棒。在要求不同的寬窄圖像的情況下對航拍的情況——對應，頭部支架可以固定在機身上。

1.1.2 控制設備設計

控制模塊是無人機數字遙感測繪的核心之一。一般來說，飛行控制模塊主要由機載飛行控制部分和地面監控部分組成。主要包含機載自動駕駛系統、地面監測站、通信設備等。本文選擇的飛行控制在中國得到了廣泛的應用，包括自動駕駛儀和地面監測站。系統可以穩定的控制各種布局無人機，易于使用，高控制精度，導航自動飛行功能強，可以設置飛行速度、飛行高度，和有多種任務界面，方便用戶使用各種設備的任務[2]。起飛后可立即關閉遙控器，進入自動導航模式，在地面站可任意設置飛行路徑和飛行點，支持飛行過程中對飛行點和飛行目標點進行實時修改。另外，還有多種安全保護方案，最大限度地保障無人機的飛行安全和故障保護。當飛行器在飛行標準航線、整個射擊區域操作完成或飛行計劃臨時改變時，必須給予飛行控制指令，通過地面站將目標點上傳到初始控制器上。完成任務返回著陸點后，可以將飛行控制中記錄的飛行位置和姿態信息下載到云端，并顯示整個飛行軌跡。

1.1.3 適應測繪要求改進分析

一般的數碼相機是非量測攝像頭，圖像容易變形并且結構不穩定。攝影測量中使用數碼相機時，需要描繪數碼相機的誤差源。仔細分析以此確定其內部定向元素和描述中的參數和系統誤差模型，在此基礎上，對數碼相機進行嚴格的檢查和校準，可以考慮畸變差，將直接線性變換公式線性化，然后迭代求解，其初值由直接線性變換的線性解提供。通過空間前方三維圖像的交點得到空間點的平面坐標的精度為：

由上式可知，空間前方交點的高程精度取決于三個因素：基高比越大，高程精度越好，基高比越大，高程精度越好，圖像點坐標的測量精度越好，像點坐標測量精度越大。

1.2 無人機遙感測繪設備工作流程分析

1.2.1 航線設計

與傳統航拍一樣，無人機低空數字航拍也需要航路設計、航拍、質量檢測等步驟。所不同的是，由于無人機數字遙感測繪的航路設計面積較小，不需要考慮地球曲率的變化。航拍質量檢查可在航拍網站完成，無需打印照片。在一定條件下的圖像控制必須首先制作出整個區域的快速拼接地圖。例如雪域高原縣的城市地區數字航拍必須使用快速拼圖和電子圖像穿刺。路線設計完成后，必須對設計條件進行檢查，即主要檢查測量區域最高點與最低點的地面分辨率的重疊程度。在設計時，在不超過最大分辨率的情況下，適當提高基準面，保證航向和橫向重疊。

1.2.2 影像獲取

航拍完成后，現場記錄圖像數據，并根據飛行過程中記錄的曝光點坐標重新命名。通過不同路徑存儲，使圖像名稱一一對應曝光點坐標，便于通過轉移曝光點，進行航拍質量檢驗。本文開發了航空攝影質量檢測軟件，用于檢測圖像的航向和橫向重疊度以及旋轉角度，并通過日常視覺判斷圖像的顏色。通過軟件隨時查看檢查進度和不合格的重疊位置。合格和不合格重疊之間的照片用不同顏色的連接線顯示。通過表格的分類功能，記錄各航空公司，相鄰照片之間的重疊和兩個相鄰航空公司，之間的橫向重疊，并顯示圖像編號，方便快速查找重疊不合格圖像。定點曝光后，所有重疊部分滿足攝影測量的要求，自旋偏差校正后，圖像之間的所有旋轉和偏移角基本滿足攝影測量的處理要求。

1.2.3 控制點測量

無人機航拍得到的圖像相位小，照片數量多，一般不適合用顯影照片進行圖像控制測量。特別是在應急測繪條件或航空攝影條件惡劣的高原雪縣市區，條件都比較困難，不能滿足照片打印的要求，甚至打印，都必須使用現有的筆記本電腦進行圖像控制測量。航空攝影領域團隊可以進行快速的拼圖后當場所有的檢查都合格，檢查該地區的人員通過使用簡單的馬賽克圖像區域，選擇控制點，滿足需求和計劃旅游路線測量控制點，整體形象映射到保證控制點的平滑測量。雪域高原作為主要控制區，在實施過程中，除了一個小縣城，以單一的，基于植物的懲罰和整個無人區，山區，道路，不能滿足傳統航拍作為控制測量位置分布，我們根據實際情況選擇了在測量區域的四個角布平部分高，布平部分在測量區域的四周[3]。插入點方案，要保證每個試驗區至少有一個控制點和多個檢查點。

2 礦山地質測繪實例驗證

2.1 實驗準備

試驗區地形相對陡峭，臺地前緣坡度陡峭，溝壑眾多，地形復雜。從山谷到河岸頂部的相對高度差約600m。岸坡位于庫區，與對岸岸坡距離近2公里。岸坡由于平臺分散變形，岸坡山體表面松動，山體上部加固施工，坡面石料滑落、崩塌現象時有發生，另外，由于高陡邊坡大部分地區難以到達，傳統的測量方法存在很大的安全隱患。

利用無人機遙感技術獲取岸坡空間圖像的點云數據。坡度上采樣點之間的間隔小于10cm。利用邊坡變形監測點對坐標系統進行標定。對獲取的點云數據進行去噪處理，人工去除結構和少量植被。經過處理后，在三維點云數據中只保留了地表高程點。在保證地形精度和地物的前提下，提取重要的地貌特征數據，用最小距離提取地表高程數據，得到地形圖的測點和地物點坐標。掃描點云數據生成數字高程模型，通過數據處理生成1∶1000地形等高線圖。利用高密度三維點云數據，提取坡面房屋、建筑、水電結構的外等高線，提取運河、道路的邊界，將這些地物邊界疊加在等高線上，繪制高程保留點，得到地形圖。地形圖精度測試主要檢查其平面和高程點精度。

2.2 結論

由上文可知，影響高程精度的是基高比、像點坐標的量測精度和地面分辨率，因此在測量時要著重注意這些變量。為了完成檢驗工作，采用GPT-3002LN全站儀，現場測量地物點平面位置與高程注記點高程值，檢查點主要位研究區的頂部人員可以到達區域，其高程中誤差的具體統計分別見下表。

表1 統計表

由上表可知，使用無人機遙感測繪數據生成的該1∶1000地形圖測量精度滿足測量規范要求，應用效果良好。

3 結語

本文中，完成了一套無人機數字遙感測繪操作設備的集成以及應用技術方案和工作流，并通過無人機遙感技術對復雜地形研究區航空攝影和快速拼圖并行處理，證明了這套操作設備的可行性。無人機數字遙感測繪設備的運行方式不再局限于等距曝光，實現了其指定曝光，但本文沒有研究相應的地面軟件傳感器，監測其曝光和指揮臺。后期人員可以研究通過監控相機曝光的地面站，掌握異常實時飛行，確定輔助飛行路線，上傳補充條件下的飛行路線的方式，提高數據采集的效率，減少的鏈接地面檢查。