無人機遙感技術在北洺河鐵礦地形圖測量中的應用*

孫茂春 郭 嘉 李建虎 崔 杰 劉 驥

（五礦邯邢礦業有限公司北洺河鐵礦）

近年來，隨著無人機飛行航攝系統的快速發展和應用，無人機航測技術在礦山地形圖測量領域發揮的作用非常重要。無人機遙感測量技術具有機動性好、實時性強、構成單元數量少、價格低廉、安全系數高、效率高等優點，已經成為未來礦山測量的主要技術手段之一［1］。

目前，航空遙感傳感器作為數據采集的關鍵設備，主要包括航空攝影儀（相機）、攝像儀、激光掃描儀、雷達等［2］。無人機遙感技術是高分辨數碼相機搭載在航攝飛機上，獲取高分辨率的影像數據，完成影像的數字獲取和全數字化處理。將無人機遙感系統應用于管理領域，可有效提高管理數據資料的精準性、可靠性和實效性，為管理工作提供可靠的技術支持，為做出決策打下良好基礎［3］。

北洺河鐵礦采用無底柱崩落法采礦，導致采空區塌陷嚴重，部分區域目前已經無法用全站儀等傳統測量方式進行地形圖測量。由于近期要進行塌陷區環境治理和尾礦濃縮塌陷區干排等項目設計，原有地形圖已經不能滿足設計需求，本研究通過利用固定翼無人機遙感系統對河北省武安市北洺河鐵礦塌陷區進行無人機航測，通過測量結果和航測過程等分析，證明了無人機航測技術在礦山地形圖測量中的可行性和優越性［4］。

1 技術架構

通過現場踏勘、航線設計、像控點測量、無人機航攝等測量技術方法獲取航拍數據成果。通過成果分析，為北洺河鐵礦塌陷區地質環境綠化治理和尾礦濃縮塌陷區干排等工作提供技術支撐。

1.1 無人機低空航攝數據采集

低空航攝數據采集是無人機航測中的一項關鍵技術，無人機低空遙感測量技術是一種新興的檢測手段，該檢測手段實時性強、機動性好、構成單元少、價格地、安全風險小、效率高等優點。無人機低空航攝數據采集工作主要分為現場勘探、像控點測量、待測區域航線設計、數據采集、航測數據檢查等步驟［5］。

（1）現場勘探。組織測量人員對測量區域進行現場勘探，核實測量項目坐標和測量范圍，并做好起飛前準備。

（2）待測區域航線的方案設計需要滿足測圖的精度要求，綜合考慮測區里面的地形高低變化、分辨率、高山、樓房和影像重疊度等各個因素對測量范圍進行航線設計。

（3）無人機起飛前的安全檢查確認。無人機航測起飛之前需要再次對各個組成單元進行檢查確認，確認一切正常后，可以進行無人機升空起飛。

（4）無人機在工作過程中需對飛行器的運動狀態和每一項機載傳感器的工作情況進行實時監測控制，用來應對有可能發生的異常情況，確保飛行安全和監測數據質量。

（5）數據檢查。無人機安全落地后，操作人員立即檢查拍攝到的影像數據，查看影像數據和各項參數是否符合設計要求。

（6）像控點測量。由于測量范圍大多數情況下的圖形不規則，所以采用區域網布設像控點。像控點的坐標使用RTK進行測量。為了使像控點的精度能夠進一步提高，可以在測量范圍內增加平高控制點，控制點的位置一般選在測量區域的中心位置和邊界附近，并同時在測區內選擇檢查點。

1.2 航測數據的處理

像控點刺點采用無人機低空攝影測量系統進行，采用光束法平差進行空三加密，生成高精度點云。點云數據利用人機交互編輯或者自動濾波，完成測量區域的數字正射模型和數字地表模型。

1.3 監測信息提取

監測信息提取方式可分為以下2類。

（1）人機交互解譯。

（2）目視觀察結合高清正射影像、傾斜模型等數據成果，獲取項目建設進度情況等現場信息。

2 應用實例

2.1 儀器簡介

對北洺河鐵礦礦區、塌陷區進行無人機航攝測量，測圖比例尺為1∶1 000，利用無人機遙感成果對礦區地質環境治理改善和尾礦干排項目進行初步設計。

該項目采用的是華測P330型無人機（圖1），該無人機為電動垂直起降固定翼，可垂直起飛并轉成固定翼，固定翼及旋轉翼模式可自由切換，場地限制小，起降方便；具備實時差分RTK、后差分解算系統PPK，后差分解算系統具備機體坐標改正及姿態修正功能。巡航速度≥75 km/h；最大飛行時間≥150 min；最大航程≥180 km；懸停水平精度為（1+1×10-6）cm，垂直精度為（2+1×10-6）cm。

相機型號為sony a7r2型，全畫幅相機，總像素4 400萬，有效像素4 240萬，傳感器類型為Exmor RCMOS，最大分辨率為7 952×5 304。

2.2 踏勘設計

收集整理測量范圍內的基礎資料、現場踏勘，針對測區地形地貌，將北洺河礦區和塌陷區作為測區，測區面積為3.1 km2；該測區按照飛行高度h=200 m、航向重疊度為75%、旁向重疊度為70%進行航線設計，航線設計見圖2。

2.3 像控點測設

在本測量區域內布設了16個地面控制點，分別分布于測區四周和中心，采用RTK結合cors系統完成像控點野外測量。

2.4 工程完成情況

無人機航測歷時2 d，航行耗時135 min，共采集1 810張影像，航測圖像見圖3。航攝完后把航測的影像數據上傳至電腦，進行重疊度檢查，經檢查大部分像片的切斜角符合要求，所拍攝影像色彩均勻清晰，顏色飽和，無云影和劃痕，層次豐富，反差適中，根據飛行轉彎半徑及保證有效照片，超出成圖范圍等，均滿足設計要求。

2.5 空三加密

因為本次無人機攜帶的照相機為非量測相機，所以在對原始影像進行畸變糾正后再進行空三加密，最后完成自由網平差。在本次北洺河鐵礦數據的自由網平差中，通過粗查挑選與精細匹配，整合同名像點的精度，確保同名像點都小于半個像素值的誤差。同時檢查同名像點在測量區域內的分布情況，使其均勻的分布，并采用手動添加連接點的方法來改進連接不好的區域，確保各模型的連接強度足夠，然后完成該測量區域的平差工作，通過調整像點及像控點，其絕對定向的精度滿足該測區1:1 000測圖比例尺精度要求。

2.6 DOM、DEM生產制作

本次彩色正射影像圖的制作利用CHCNAVControl1.3.9來完成，此系統可以直接利用空三的前期成果自動生成立體模型，完成輸出若干塊狀的正射數字影像，輸出的塊狀影像被均光調整后（確保最后制作完成的DOM影像沒有較大色差和顏色的均勻），像素工程就可以自行生成高分辨率的數字地表模型（DSM），并將DSM自動過濾獲得數字高程模型（DEM），由數字地表模型（DSM）和數字高程模型（DEM）自動生成拼接線，使用數字高程模型（DEM）對原始航測影像進行正射修改，由拼接線對整個測區的正射圖形進行無縫隙和無變形拼接，將前期通過勻色制作的影像塊視圖作為依據，然后對拼接完成的影像自動勻色，最后依據相關標準要求進行出圖。在成圖范圍內采用對保密點的檢測，并計算出單點檢測較差及中誤差，檢測所生成的DOM的精度是否達到要求。本次測量共用到84個檢查點，單點較差最大為78#點，較差為0.734 m。

全數字立體測圖采用適普的VirtuoZo NT全數字攝影測量軟件完成，利用三維成果恢復的三維模型進行測繪，然后進行立體模型重疊抽樣檢查，檢查平面和高程是否存在突變和異常的區域，并返回到立體模型重新采集并核對，對11個控制點進行了原圖平高點與檢測平高點的檢查，檢查結果見表1。根據《低空數字航空攝影測量內業規范》規定，其平面與高程中誤差小于限差，滿足規范要求。

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2.7 成果分析及治理

根據礦區及塌陷區的DOM可以判斷出北洺河鐵礦塌陷區的塌陷面積和塌陷范圍，根據測量結果及時圈定塌陷邊界并安裝塌陷區邊界界樁，為塌陷區區域附近作業人員提供安全保障和阻止外來人員和車輛進入塌陷區。也能夠及時更新塌陷區內塌陷坑的準確位置和塌陷趨勢，將塌陷變化頻繁和變化較大區域通過井上下對照圖確定此區域對應的井下位置，提前對在該區域及區域附近作業的相關單位做好安全預防工作。

根據礦區及塌陷區的DOM成果，可以判斷北洺河鐵礦之前種植的植被成活情況，合理制定綠化設計。北洺河鐵礦已經通過本次測量結果，初步設計了團城段塌陷區二期綠化工程、高村段塌陷區一期綠化工程和塌陷區生態修復治理工程，為北洺河鐵礦建設綠色礦山和美麗礦山提供了詳細的基礎資料。還可以通過DOM成果，查看塌陷區防洪圍墻及其他防洪設施是否存在缺失和損壞情況，通過DOM可以更加宏觀地進行防洪設施的整體設計和調整，為后期制定環境修復規劃和尾礦濃縮塌陷區干排提供基礎數據和相關圖紙。塌陷區恢復治理區域見圖4。

本次航測成果大體上沒有受到地形因素的影響，精度均勻，能夠提高整個地形圖的精度。在該項目中，通過在治理前已經獲取的能夠真實反映地表狀況的影像數據，和計劃在治理工程實施后相同季節和時間分別進行一次飛行和成圖，為治理成效評價提供基礎數據資料。其中治理前已經生成的DEM和DOM數據用于構建該礦區三維場景，DLG數據用于主要地物三維建模工作。在整理以往影像圖、地質地形圖、井下開采和塌陷區地質災害資料等的基礎上，開展遙感解譯以及多元數據疊加分析，綜合選取監測點位和基準點位，監測地質災害的變化趨勢，并能及時進行報警。

3 結論

五礦礦業北洺河鐵礦礦區及塌陷區航測項目，通過現代化的無人機航測，僅經過短短2 d的外業測量就順利地完成了測繪任務，如果本次測量使用傳統的測繪方法——GPS+全站儀方式測繪，保守估計也需1個月以上，并且航測可以測量北洺河鐵礦塌陷區、塌陷嚴重區域等傳統測量方式無法測量的部位。無人機航測相比傳統的測繪方法，大大縮短了工期和成本，但是在實際應用中部分地形復雜的地區高程精度欠佳，不過，相信航測會隨著無人機和拍照等相關技術的不斷進步，將目前存在的缺點慢慢克服。

無人機低空遙感技術具有分辨率高、數據質量好以及快速機動等優勢。通過本課題的研究可以看出，在礦山環境治理中，無人機遙感攝影在獲取礦區地形圖方面具有很大的優勢。礦山治理的變化可以直接通過DOM直觀地看出來，而傳統的映射方法只能提供單一的地形圖，與傳統的測繪方法相比，無人機測量速度較快，不僅減少現場工作人員和成本投入，提供地形圖，還可以提供傳統測量方法無法測量的DOM和DEM數據，效果顯著，可以在以后的礦山環境治理中發揮更大作用。