無(wú)人機(jī)航測(cè)在礦山測(cè)繪中的運(yùn)用分析

孫貞芳

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

近幾年，科學(xué)技術(shù)的完善與應(yīng)用為各行業(yè)智慧化發(fā)展提供了基礎(chǔ)保障，如何建立起科學(xué)技術(shù)與各行業(yè)之間的有效聯(lián)系，使多元化技術(shù)得到針對(duì)性、合理性的運(yùn)用，便成為行業(yè)轉(zhuǎn)型階段重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。礦山開(kāi)采行業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱，隨著時(shí)間的推移，開(kāi)采難度逐漸加大，以往所使用開(kāi)采方法已難以發(fā)揮出應(yīng)有的作用，要想在保證開(kāi)采安全的前提下，對(duì)礦山開(kāi)采速度進(jìn)行提升，關(guān)鍵是要有精準(zhǔn)的測(cè)繪數(shù)據(jù)提供支持。將融合了無(wú)人機(jī)技術(shù)、GPS技術(shù)、圖像處理技術(shù)的無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)用于礦山測(cè)繪，可以最大程度保證測(cè)繪結(jié)果的準(zhǔn)確性，其現(xiàn)實(shí)意義有目共睹。

1 礦山測(cè)繪中無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)應(yīng)用流程與要點(diǎn)

1.1 礦山內(nèi)業(yè)測(cè)繪

要想對(duì)礦山內(nèi)部資源分布實(shí)際情況具有全面了解，關(guān)鍵是要對(duì)內(nèi)業(yè)測(cè)繪方案設(shè)計(jì)工作引起重視，先采集真實(shí)的地面?zhèn)让婕y理，再依托于先進(jìn)技術(shù)統(tǒng)籌各類數(shù)據(jù)并搭建三維立體模型[1]。對(duì)傾斜攝影信息加以運(yùn)用，可以將地物位置、外觀、高程等屬性真實(shí)地反映出來(lái)，使礦山測(cè)繪數(shù)值參數(shù)精確度得到大幅提升。

1.1.1 模型精度控制

為將真實(shí)的礦山面貌呈現(xiàn)于測(cè)繪人員眼前，需要先在內(nèi)頁(yè)處理系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)空的區(qū)塊，再將相應(yīng)的影像信息導(dǎo)入?yún)^(qū)塊中，結(jié)合事先探測(cè)得到的礦山地形條件信息、同機(jī)采集到的有關(guān)參數(shù)，對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整，從而獲得與礦山情況相符的仿真模型。另外，執(zhí)行空三加密前，盡可能建立起影像信息與控制點(diǎn)之間的聯(lián)系，為參考模型的搭建提供便利[2]。

1.1.2 搭建三維模型

為保證所搭建的三維模型能夠切實(shí)反映礦山的整體情況，應(yīng)當(dāng)對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定且功能齊全的網(wǎng)絡(luò)軟件加以使用。現(xiàn)階段，常用的建模軟件均強(qiáng)調(diào)先借助空三加密點(diǎn)對(duì)不規(guī)則的三角網(wǎng)TIN進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，整合計(jì)算結(jié)果，制作出白模的三維模型，確保測(cè)繪人員可以通過(guò)分析、觀察三維模型，找出航測(cè)影像中最合適的紋理，再執(zhí)行紋理的輸出工作，最后對(duì)實(shí)景模擬傾斜三維模型進(jìn)行建立。測(cè)繪人員可以在該模型的幫助下，從不同維度觀察礦山整體地形地貌與內(nèi)部資源具體分布情況，這對(duì)后續(xù)工作的開(kāi)展具有重大意義。

1.1.3 正射影像

待準(zhǔn)備工作告一段落，應(yīng)盡快提交空三任務(wù)，保證無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的作用得到充分發(fā)揮。空三加密計(jì)算結(jié)束后，技術(shù)人員需要根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整模型，確保模型精度能夠達(dá)到礦山測(cè)繪要求。隨后，再根據(jù)礦山測(cè)繪實(shí)際需要轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式，為后期模型搭建提供便利。

1.1.4 矢量化處理

矢量化處理能夠幫助測(cè)繪人員更加細(xì)致、全面地了解礦山整體風(fēng)貌。為保證矢量化處理工作成效，需要將前期模型制作軟件所生成DOM和三維模型作為載體，將繪制的導(dǎo)圖上傳至EPS軟件中，再對(duì)導(dǎo)圖進(jìn)行矢量化處理。在此基礎(chǔ)上，匯總所掌握數(shù)據(jù)，包括但不限于管線、水系、道路交通參數(shù)，劃分礦山內(nèi)部植被范圍，避免礦山開(kāi)采作業(yè)破壞區(qū)域內(nèi)生物多樣性。此外，測(cè)繪人員還需要細(xì)致分析外業(yè)草圖并做好標(biāo)記，在此基礎(chǔ)上，繪制準(zhǔn)確的全要素地形圖，這對(duì)日后各項(xiàng)工作的開(kāi)展同樣具有積極作用。

1.2 礦山外業(yè)測(cè)繪

1.2.1 航線規(guī)劃

礦山多位于偏遠(yuǎn)山區(qū)，地形復(fù)雜，不利于傳統(tǒng)測(cè)繪工作的開(kāi)展，即使測(cè)繪人員使用了無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)，仍然會(huì)受地勢(shì)條件的影響，導(dǎo)致地圖更新速度無(wú)法達(dá)到預(yù)期。為彰顯無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，需在測(cè)繪前科學(xué)規(guī)劃無(wú)人機(jī)飛行航線，采取飛行器定點(diǎn)的方式確定飛行范圍，針對(duì)不同位置設(shè)計(jì)相應(yīng)的參數(shù)，以保證測(cè)繪效率。比如，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，確定飛行高度、飛行時(shí)間、航線總長(zhǎng)度等參數(shù)（如圖1所示）。

圖1 無(wú)人機(jī)飛行航線規(guī)劃

1.2.2 像控點(diǎn)布設(shè)

全方位測(cè)量圖像控制點(diǎn)，能夠大幅提高成圖精度。通常來(lái)說(shuō)，在沒(méi)有特殊要求的情況下，只需按照統(tǒng)一的要求布設(shè)野外像片控制點(diǎn)即可，若待測(cè)繪礦區(qū)較小，則可酌情增加布控密度，保證測(cè)繪數(shù)值完整。在布設(shè)像控點(diǎn)時(shí)，還應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：一是盡量將像控點(diǎn)排放成三角形；二是使用油漆做好點(diǎn)位的標(biāo)記工作，為無(wú)人機(jī)航測(cè)工作的執(zhí)行創(chuàng)設(shè)有利條件；三是為保證所采集數(shù)據(jù)具有良好的準(zhǔn)確性、即時(shí)性，應(yīng)將在較空曠或平坦的區(qū)域設(shè)立PPK基站，并科學(xué)設(shè)置文件名與采樣率，以此提高測(cè)繪數(shù)據(jù)精確程度。

1.2.3 執(zhí)行飛行計(jì)劃

待設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)飛行路線的工作告一段落，需在第一時(shí)間對(duì)無(wú)人機(jī)自動(dòng)系統(tǒng)下達(dá)飛行指令，確保無(wú)人機(jī)能夠嚴(yán)格按照事先規(guī)劃的線路飛行。與此同時(shí)，憑借無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)自帶的精準(zhǔn)校驗(yàn)功能，動(dòng)態(tài)化糾正采集到的數(shù)據(jù)信息，若發(fā)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)存在偏差，無(wú)人機(jī)將及時(shí)發(fā)布預(yù)警，由工作人員判斷數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差的原因并對(duì)該問(wèn)題加以解決。無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中，操控人員可利用后臺(tái)控制系統(tǒng)跟蹤監(jiān)視無(wú)人機(jī)飛行情況，實(shí)時(shí)了解地面站有關(guān)信息，防范無(wú)人機(jī)發(fā)生故障，導(dǎo)致其作用無(wú)法得到充分發(fā)揮[3]。

1.2.4 外業(yè)草圖繪制

要想快速且準(zhǔn)確地標(biāo)注出與地形圖相關(guān)的各類要素，測(cè)繪人員應(yīng)依據(jù)所掌握的信息繪制外業(yè)草圖，為精準(zhǔn)測(cè)繪圖的設(shè)計(jì)提供參考。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，要想使草圖所具有參考、分析價(jià)值得到充分發(fā)揮，關(guān)鍵要保證圖紙涵蓋道路名稱、礦業(yè)企業(yè)名稱、村莊名、山名等信息，只有這樣才能使礦山位置以及待測(cè)區(qū)域的位置得到直觀展示。

2 礦山測(cè)繪中無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)實(shí)際運(yùn)用

2.1 工程概況

礦區(qū)位于山體北段山間盆地，整體為中山山地地形，交通條件較差，測(cè)區(qū)內(nèi)種植有大量植被，無(wú)法利用傳統(tǒng)方法進(jìn)行測(cè)繪。在對(duì)多方面因素加以考慮后，最終決定使用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)對(duì)礦山西北方向的實(shí)際情況進(jìn)行全方位勘測(cè)。測(cè)繪面積約15.56km2，測(cè)區(qū)整體呈長(zhǎng)方形，寬為3677m、長(zhǎng)為4225m，礦區(qū)走勢(shì)為中間高、南北低，最高、低海拔分別為1233m、913m。

2.2 測(cè)繪內(nèi)容

為達(dá)到航空數(shù)碼測(cè)繪礦山的目的，開(kāi)展測(cè)繪工作前，先組織全體工作人員細(xì)致、全面分析測(cè)繪內(nèi)容，明確項(xiàng)目任務(wù)，并優(yōu)化設(shè)計(jì)礦山測(cè)繪方案。該階段需要完成以下工作：首先是按照1∶2000和1∶5000的比例尺制定數(shù)字線劃地圖，繪制礦區(qū)地形地質(zhì)圖與數(shù)字正射影像圖；其次是依托測(cè)繪作業(yè)對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)所采集數(shù)據(jù)的時(shí)效性與精準(zhǔn)性進(jìn)行驗(yàn)證；最后是使用的無(wú)人機(jī)型號(hào)為快眼Ⅱ型無(wú)人機(jī)，結(jié)合礦區(qū)現(xiàn)場(chǎng)情況科學(xué)布設(shè)測(cè)繪點(diǎn)，確保數(shù)據(jù)可靠、完整。完成測(cè)繪內(nèi)容規(guī)劃后，先借助三角測(cè)量自檢法對(duì)不同測(cè)繪點(diǎn)位置坐標(biāo)綜合改正值進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，提高標(biāo)定結(jié)果精確度，再將該數(shù)值用于測(cè)繪產(chǎn)品生產(chǎn)中，以此驗(yàn)證并評(píng)估無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)綜合測(cè)繪水平[4]。

2.3 航線設(shè)計(jì)

開(kāi)展航測(cè)作業(yè)前，需先安排專業(yè)人員深入現(xiàn)場(chǎng)或使用先進(jìn)測(cè)繪技術(shù)了解測(cè)區(qū)自然環(huán)境，包括測(cè)繪面積、不同區(qū)域海拔、地形地勢(shì)等，以所掌握信息為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出科學(xué)的航線圖。圖紙中應(yīng)包含航線分辨率、航高、方向與數(shù)量等信息，科學(xué)規(guī)劃航線，確保測(cè)繪期間無(wú)人機(jī)所采集參數(shù)精準(zhǔn)且具有實(shí)際意義。本項(xiàng)目中，有關(guān)人員以現(xiàn)場(chǎng)情況為依據(jù)，提出打造9條航線的建議，將東西方向作為無(wú)人機(jī)行進(jìn)方向，分辨率設(shè)置成18cm，航高為1068m。

無(wú)人機(jī)航測(cè)過(guò)程中主要采用自動(dòng)航攝模式獲取航測(cè)區(qū)域影像信息，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，要想在保證影像質(zhì)量合格的基礎(chǔ)上，提高無(wú)人機(jī)航測(cè)效率，關(guān)鍵是要保證無(wú)人機(jī)與無(wú)人機(jī)操作人員之間不存在植物、山丘等外界干擾因素。如果現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較為復(fù)雜，無(wú)法杜絕外界因素對(duì)信號(hào)的干擾，則需要做好補(bǔ)測(cè)準(zhǔn)備，以保證航測(cè)全面、準(zhǔn)確，最大程度滿足數(shù)字高程模型構(gòu)建需求。另外，影像攝取過(guò)程中，無(wú)人機(jī)攝像頭最佳位置為航測(cè)區(qū)域中心地帶，拍攝頻次維持在2min～3min一次。圖2為某區(qū)域數(shù)字正射影像圖，圖3為該區(qū)域的三維模型：

圖2 礦區(qū)數(shù)字正射影像圖

圖3 礦區(qū)三維模型

獲得正射影像圖和三維模型后，便可以利用軟件處理正射影像圖，生成相應(yīng)的圖像文件及矢量文件，隨后，將TIF格式、DXF格式文件導(dǎo)入CASS進(jìn)行處理，進(jìn)而生成該區(qū)域的地形圖，如圖4所示：

圖4 礦區(qū)地形圖

2.4 地面控制

現(xiàn)行規(guī)定明確指出，地面控制不僅是內(nèi)業(yè)布點(diǎn)工作的一部分，更是礦山測(cè)繪的重要內(nèi)容，無(wú)論是以傳統(tǒng)技術(shù)手段為支撐的人工測(cè)繪方法，還是依托于先進(jìn)技術(shù)的數(shù)據(jù)航測(cè)，均需依據(jù)礦區(qū)地形特點(diǎn)以及實(shí)際情況開(kāi)展測(cè)繪點(diǎn)的科學(xué)布設(shè)工作。所有點(diǎn)位的設(shè)置均要將無(wú)測(cè)繪死角作為根本目標(biāo)，保證航測(cè)覆蓋率達(dá)到100%。實(shí)際工作中，有關(guān)人員需要以測(cè)繪要求為依據(jù)，嚴(yán)格按照《1∶2000、1∶5000地形圖航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》所規(guī)定測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)地面控制進(jìn)行布設(shè)。本工程共設(shè)置39個(gè)平高點(diǎn)，以現(xiàn)有無(wú)線數(shù)據(jù)播發(fā)網(wǎng)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)為載體，實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳遞與修正，由此保證點(diǎn)位布設(shè)的精確程度。此外，由于項(xiàng)目方未提出特殊要求，因此，本工程的高程基準(zhǔn)與平面坐標(biāo)系統(tǒng)分別采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)和國(guó)家CGCS2000大地坐標(biāo)系。

2.5 模型建立

礦山測(cè)繪中可利用Pix4Dmapper軟件構(gòu)建三維模型，保證所構(gòu)建模型可以滿足測(cè)繪分析需求。在構(gòu)建模型之前，需要對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以提高無(wú)人機(jī)航測(cè)影像質(zhì)量。預(yù)處理流程如下：①篩選高精度影像②檢驗(yàn)影像質(zhì)量是否符合相關(guān)規(guī)定③適當(dāng)調(diào)整影響亮度。隨后，將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的數(shù)據(jù)錄入Pix4Dmapper軟件中，按照“三維模型構(gòu)建項(xiàng)目新建→像控點(diǎn)坐標(biāo)添加→初始化處理→三維模型生成→文件處理”步驟操作，獲得最終結(jié)果。

2.6 空三加密

完成上述工作后，需要對(duì)成果精確度進(jìn)行分析，對(duì)使用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的項(xiàng)目而言，精度分析的側(cè)重點(diǎn)有兩個(gè)，分別是采集精度評(píng)定分析、加密結(jié)果精度分析。現(xiàn)階段，最常用的精度評(píng)定分析方法為空中三角測(cè)量法技術(shù)，使用的測(cè)量設(shè)備為數(shù)碼相機(jī)，本工程借助Inpho軟件進(jìn)行空三加密，依托于軟件自身極強(qiáng)的粗差檢測(cè)能力以及平差計(jì)算功能，以待測(cè)礦山涵蓋的所有加密點(diǎn)地面坐標(biāo)為基準(zhǔn)，對(duì)影像的外方元素加以綜合考量，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化、精確化分析結(jié)果精度的目的。另外，這一分析方法還具有以下優(yōu)點(diǎn)：只需要利用少量的控制點(diǎn)，便可保證分析結(jié)果準(zhǔn)確[5]。

2.7 精度分析

成果精度分析強(qiáng)調(diào)將測(cè)量結(jié)果和通過(guò)計(jì)算確定的相應(yīng)誤差、平差結(jié)果作為依據(jù)，對(duì)礦山測(cè)繪區(qū)域無(wú)人機(jī)飛行高度進(jìn)行綜合分析，通過(guò)系統(tǒng)地檢測(cè)影像結(jié)果的方式，保證測(cè)繪數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。本次無(wú)人機(jī)航測(cè)過(guò)程中，工作人員計(jì)劃在航高200m、600m、1000m的條件下拍攝礦上A測(cè)區(qū)影像，測(cè)區(qū)面積約為1.2km2，現(xiàn)場(chǎng)共布置7個(gè)像控點(diǎn)，要求航向與旁向重疊度分別達(dá)到85%以上、75%以上。與此同時(shí)，利用全球定位系統(tǒng)定位測(cè)定105個(gè)A測(cè)區(qū)內(nèi)高差各異的地物點(diǎn)，根據(jù)全球定位系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果、無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，評(píng)價(jià)無(wú)人機(jī)航測(cè)成圖質(zhì)量。本次檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1：

表1 航高不同下地物點(diǎn)測(cè)量誤差分析

分析表1數(shù)據(jù)能夠發(fā)現(xiàn)，平面誤差會(huì)隨著航測(cè)高度的不斷增加而增大，高程誤差則隨著航測(cè)高度的增加而不斷減小，在200m～1000m的范圍內(nèi)，無(wú)人機(jī)航測(cè)對(duì)地物點(diǎn)測(cè)量的精度能夠滿足相關(guān)規(guī)定與需求。在對(duì)本次航測(cè)成果進(jìn)行系統(tǒng)分析和檢校加密糾正后能夠發(fā)現(xiàn)，航測(cè)所獲得立體影像的繪制精度能夠滿足DLG1∶2000、DLG1∶5000的要求。除此之外，結(jié)合對(duì)比分析結(jié)果還能夠看出，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的精確程度遠(yuǎn)高于衛(wèi)星系統(tǒng)，利用該技術(shù)測(cè)量1∶1000、1∶500的DLG，可進(jìn)一步提高地面分辨率，使地面分辨率達(dá)到7.5cm、10cm。本項(xiàng)目中，工作人員選擇將該技術(shù)與全野外布點(diǎn)、區(qū)域網(wǎng)空三加密相結(jié)合，事實(shí)證明，這樣做能夠使測(cè)繪所得數(shù)值的精確性最大程度接近預(yù)期。但在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的不足也逐漸顯露了出來(lái)，即無(wú)法保證高程測(cè)繪精度。未來(lái)，有關(guān)人員應(yīng)對(duì)其功能進(jìn)行深層次開(kāi)發(fā)與完善，結(jié)合礦山不同測(cè)繪區(qū)域具體情況和地形地標(biāo)，設(shè)計(jì)出多元化的航測(cè)方案，比如，適當(dāng)擴(kuò)大待測(cè)繪礦區(qū)立體影像的覆蓋區(qū)域，增加無(wú)人機(jī)飛行模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山整體情況的全方位測(cè)繪。綜上，與普通航測(cè)形式相比，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在礦山測(cè)繪中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)更為突出。

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，新時(shí)期，將無(wú)人航測(cè)技術(shù)用于礦山測(cè)繪已經(jīng)成為大勢(shì)所趨。事實(shí)證明，在礦山測(cè)繪作業(yè)過(guò)程中合理運(yùn)用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)，充分發(fā)揮技術(shù)操作便捷、可視化程度高、成本低廉、測(cè)繪結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì)，可以使礦山測(cè)繪效率與質(zhì)量得到大幅提高。要想凸顯該技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，需要測(cè)繪人員做到以下幾點(diǎn)：首先是優(yōu)化無(wú)人機(jī)航測(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，明確技術(shù)操作流程與要點(diǎn)；其次是依托于測(cè)繪作業(yè)實(shí)際需要以及整體地形地貌，科學(xué)規(guī)劃無(wú)人機(jī)航線，確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行；最后是設(shè)計(jì)切實(shí)可行的測(cè)繪方案，提高測(cè)繪作業(yè)的全面性及有效性，為后期礦山安全、高效開(kāi)采提供可靠參考。