旋翼無(wú)人機(jī)傾斜航空測(cè)量在礦山測(cè)量中的應(yīng)用

鄧 毅

(安徽省地質(zhì)測(cè)繪技術(shù)院，安徽 合肥 230022)

我國(guó)北斗系統(tǒng)的成功應(yīng)用推動(dòng)了我國(guó)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)的發(fā)展，加快了動(dòng)態(tài)定位技術(shù)的廣泛應(yīng)用，如無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)、車載定位技術(shù)以及手機(jī)導(dǎo)航定位技術(shù)等。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)提高了無(wú)人機(jī)航測(cè)精度，尤其在大比例尺地形圖測(cè)量方面。傳統(tǒng)的地形測(cè)量以二維測(cè)量為主，對(duì)建設(shè)“三維礦山”、“立體礦山”和“智慧化礦山”不利，但無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)避免了二維測(cè)繪的弊端，實(shí)現(xiàn)了三維測(cè)繪的目的[1-2]。旋翼無(wú)人機(jī)具有機(jī)身小、機(jī)動(dòng)靈活的優(yōu)勢(shì)，因此常用于礦山測(cè)量中。本文應(yīng)用旋翼無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)安徽省某露天礦山進(jìn)行了1∶2000大比例尺地形圖測(cè)量，分析其在礦山測(cè)量中的應(yīng)用效果。

1 旋翼無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量概況

1.1 旋翼無(wú)人機(jī)基本概況

本次大比例尺地形測(cè)量使用的無(wú)人機(jī)型號(hào)為廣州南方測(cè)繪科技股份有限公司生產(chǎn)的HO1300型無(wú)人機(jī)，主要由飛行器、遙控器、云臺(tái)相機(jī)以及配套使用的South Ground Control地面站等組成(圖1)。同時(shí)，在該無(wú)人機(jī)上搭載南方測(cè)繪數(shù)字傾斜航攝儀和高精度防抖云臺(tái)以及2 430萬(wàn)像素圖像傳感器，配備2塊22 000 mAh的高能量密度動(dòng)力電池和高效率的動(dòng)力系統(tǒng)，其最大平飛速度可達(dá)10 m/s，最大續(xù)航時(shí)間可達(dá)50 min。南方測(cè)繪數(shù)字傾斜航攝儀以能夠同時(shí)獲取多方位、多角度的航空影像數(shù)據(jù)而區(qū)別于傳統(tǒng)的垂直航測(cè)技術(shù)，即該技術(shù)通過(guò)配置傾斜方向上的攝影相機(jī)，獲得不同側(cè)面的航空影像數(shù)據(jù)，降低了影像數(shù)據(jù)的“留白”問(wèn)題，提高了地形測(cè)量的精度。HO1300型無(wú)人機(jī)在礦山測(cè)量中具有良好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在：①HO1300型無(wú)人機(jī)能夠搭載單鏡頭相機(jī)、全景相機(jī)、多光譜相機(jī)、三維激光掃描儀等儀器，可根據(jù)測(cè)量需求靈活變動(dòng)，進(jìn)而滿足礦山測(cè)量需求；②無(wú)人機(jī)采用碳纖復(fù)合材料，機(jī)身輕，強(qiáng)度大，剛度高，確保了無(wú)人機(jī)飛行的穩(wěn)定性；③支撐雙飛控系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)飛行安全度高，同時(shí)減輕了操作難度；④便于攜帶，無(wú)人機(jī)安裝簡(jiǎn)單，同時(shí)機(jī)臂折疊后內(nèi)收角度增大，大幅降低包裝收納體積，機(jī)身設(shè)計(jì)抗震防摔，使運(yùn)輸更便捷。

圖1 H01300型八旋翼無(wú)人機(jī)硬件組成圖

1.2 傾斜航空測(cè)量技術(shù)基本原理

傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)以垂直測(cè)量為主，僅能獲取垂直方向的航空影像數(shù)據(jù)，導(dǎo)致影像數(shù)據(jù)無(wú)法更細(xì)致地反映測(cè)繪區(qū)域的真實(shí)面貌。傾斜航空測(cè)量技術(shù)通過(guò)搭載多角度、多方位的攝影相機(jī)而實(shí)現(xiàn)了從不同方向獲取測(cè)繪區(qū)域面貌的目的，有效避免了垂直攝影技術(shù)無(wú)法從側(cè)面獲取測(cè)繪區(qū)域信息的缺陷，不僅能對(duì)三維建模、立體礦山和智慧化礦山建設(shè)有利，而且顯著提升了測(cè)量精度[3]。傾斜航空測(cè)量技術(shù)在礦山測(cè)量中的應(yīng)用主要包括航飛參數(shù)設(shè)計(jì)、預(yù)處理、空中三角加密和地形圖制作等步驟，其應(yīng)用流程見(jiàn)圖2。

圖2 旋翼無(wú)人機(jī)傾斜航測(cè)技術(shù)應(yīng)用流程示意圖

2 旋翼無(wú)人機(jī)傾斜航空測(cè)量在礦山測(cè)量中的應(yīng)用

2.1 原始數(shù)據(jù)采集

根據(jù)安徽省某露天礦山所在區(qū)域的氣候狀況以及地形地貌，選擇數(shù)據(jù)采集時(shí)間為每年的5—8月份上午10時(shí)至下午3時(shí)。由于礦山地形地貌起伏變化相對(duì)較小，故本次將測(cè)繪區(qū)域劃分為1個(gè)飛行區(qū)，設(shè)置飛行高度為300 m，設(shè)計(jì)航向重疊度和旁向重疊度均為65%～70%。

2.2 像控點(diǎn)布設(shè)

像控點(diǎn)測(cè)量是提高測(cè)量成果精度的基礎(chǔ)，本次像控點(diǎn)的布設(shè)以及測(cè)量遵循以下6個(gè)原則：(1)像控點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)根據(jù)測(cè)繪區(qū)域的地形地貌確定其密度，在地形地貌變化較大的區(qū)域可適當(dāng)加密布設(shè)，在地形地貌變化小的區(qū)域可適當(dāng)抽稀布設(shè)，由于測(cè)繪區(qū)域的地形地貌變化相對(duì)較小，故本次采用的像控點(diǎn)密度為2.5點(diǎn)/km2；(2)像控點(diǎn)一般布設(shè)在旁向大于100 m，且航向基線不少于1條的區(qū)域[4]；(3)像控點(diǎn)的位置應(yīng)選擇在容易識(shí)別的地形地貌中，且不應(yīng)存在爭(zhēng)議，如房屋的房角、田坎的田角以及地形較高的山頭處等部位；(4)像控點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)盡可能避開高大建筑物或者植被發(fā)育的區(qū)域，該區(qū)域容易因遮擋而造成航空影像數(shù)據(jù)中識(shí)別不清晰或者完全被遮擋，對(duì)整體測(cè)繪精度影響較大；(5)像控點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)盡可能避開較大水域區(qū)域，這是由于水域的水面變化較大，對(duì)測(cè)量精度影響較大；(6)像控點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)以重復(fù)利用為基本原則，故一般布設(shè)在交通條件相對(duì)較好、容易保護(hù)的區(qū)域，便于作為校正點(diǎn)。

2.3 空中三角加密處理

雖然傾斜航空測(cè)量有效避免了垂直航空測(cè)量?jī)H能從垂直方向獲取影像數(shù)據(jù)的弊端，顯著減少了影像數(shù)據(jù)中的“留白”，但是通過(guò)該技術(shù)獲得的影像數(shù)據(jù)中不可避免地存在因高大建筑物、植被等遮擋而出現(xiàn)的“留白”，導(dǎo)致局部區(qū)域的影像質(zhì)量無(wú)法達(dá)到精度要求，此時(shí)可通過(guò)空中三角加密處理解決該問(wèn)題。空中三角加密處理是借助無(wú)人機(jī)航拍過(guò)程中定位系統(tǒng)自動(dòng)存儲(chǔ)的POS數(shù)據(jù)文件對(duì)其進(jìn)行方位元素的預(yù)測(cè)處理，將高大建筑物、植被等影響因素剔除，能夠有效提高測(cè)繪精度。在完成空中三角加密處理后輸出成果圖件，自動(dòng)生成DSM、DOM等成果。

2.4 地形圖制作

在完成空中三角加密測(cè)量后，使用MapMatrix全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)采集地形數(shù)據(jù)，自動(dòng)化生產(chǎn)出1∶2000地形線劃圖，并對(duì)自動(dòng)生成的DLG數(shù)字線劃圖進(jìn)行核查。若存在問(wèn)題，應(yīng)及時(shí)檢查測(cè)量數(shù)據(jù)的正確性，直至數(shù)據(jù)無(wú)誤后生成最終的DLG數(shù)字線劃圖。完成后，通過(guò)手動(dòng)處理的方式增加其他地理信息，如水系、高程以及房屋等信息，其稀疏稠密應(yīng)按照相應(yīng)比例尺合理布局，避免各類標(biāo)記點(diǎn)過(guò)于稠密或者稀疏。

2.5 精度對(duì)比

為對(duì)比分析旋翼無(wú)人機(jī)傾斜航空測(cè)量技術(shù)在礦山測(cè)量中的精度，本文以礦山范圍內(nèi)的像控點(diǎn)和水準(zhǔn)點(diǎn)為參考點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，應(yīng)用旋翼無(wú)人機(jī)傾斜航空測(cè)量所獲特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)與全站儀所獲的三維坐標(biāo)相比，其平面位置中誤差平均值為±0.24 m，中誤差最大值為0.31 m，高程位置中誤差平均值為±0.103 m，中誤差最大值為±0.161 m，誤差符合1/2000礦山大比例尺地形圖測(cè)量的精度需求。

表1 旋翼無(wú)人機(jī)傾斜航空測(cè)量與全站儀測(cè)量精度對(duì)比表(m)

3 結(jié)論

綜上所述，旋翼無(wú)人機(jī)傾斜航空測(cè)量技術(shù)在礦山測(cè)量中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，不僅提高了測(cè)量工作效率，降低了測(cè)繪成本，而且所獲成果圖件精度高，完全滿足礦山建設(shè)對(duì)大比例尺地形圖精度的基本要求。