無人機(jī)遙感技術(shù)在礦山測(cè)繪工程測(cè)量中的實(shí)踐與應(yīng)用

劉戈劍，辛 瑤

（華北地質(zhì)勘查局綜合普查大隊(duì)普冠公司，河北 廊坊 065201）

1 無人機(jī)遙感技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

無人機(jī)是以空氣提供升力、機(jī)上無人駕駛、可重復(fù)使用航空器。無人機(jī)遙感是在無人機(jī)技術(shù)成熟后形成的新型航空遙感系統(tǒng)，無人機(jī)遙感的載體是無人機(jī)，主要構(gòu)件是小型高性能遙感傳感器，如光電傳感器、紅外傳感器等。20世紀(jì)60年代，我國(guó)正式生產(chǎn)出低速遙控靶無人機(jī)，21世紀(jì)后，無人機(jī)遙感技術(shù)開始快速發(fā)展。早期無人機(jī)遙感技術(shù)主要由空中部分、地面部分、輔助部分構(gòu)成，空中部分涵蓋了遙感傳感器、無人機(jī)遙感平臺(tái)、空中遙感控制系統(tǒng)；地面部分涵蓋了無人機(jī)地面控制子系統(tǒng)、航跡規(guī)劃子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接受解壓縮系統(tǒng)、實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)、數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng)；輔助部分涵蓋了定標(biāo)系統(tǒng)等，可以滿足自動(dòng)拍攝獲取遙感圖像、實(shí)時(shí)生成傳輸快視圖、接收地面數(shù)據(jù)等要求。當(dāng)前，無人機(jī)遙感技術(shù)分辨率更高，且呈現(xiàn)出系統(tǒng)化、定量化特點(diǎn)，如基于衛(wèi)星中繼的無人機(jī)遙感、基于北斗的無人機(jī)遙感、基于GPRS的無人機(jī)遙感，可以滿足高速異地實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)自動(dòng)處理、高空地協(xié)同精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)等要求[1]。

2 無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用對(duì)礦山測(cè)繪工程測(cè)量的影響

2.1 提高礦山測(cè)繪工程測(cè)量精度

定量化是無人機(jī)遙感技術(shù)的主要特點(diǎn)，無人機(jī)定標(biāo)場(chǎng)的構(gòu)建，為無人機(jī)遙感提供了高度精準(zhǔn)標(biāo)尺，可以滿足礦山測(cè)繪工程厘米級(jí)高分辨率測(cè)量要求[2]。特別是近幾年基于無人機(jī)定標(biāo)場(chǎng)的航空航天定標(biāo)場(chǎng)的構(gòu)建，可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)、航空航天數(shù)據(jù)融合，在物理空間內(nèi)貫通地學(xué)、光電參量，從源頭消除礦山測(cè)繪工程中地面影像上端光電儀器系統(tǒng)誤差，提高礦山測(cè)繪工程測(cè)量精度。

2.2 提高測(cè)繪工程測(cè)量效率

自動(dòng)化是無人機(jī)遙感技術(shù)的主要表現(xiàn)。基于無人機(jī)遙感通用物理模型可以自動(dòng)完成成像載荷多剛體拼接向單剛體成像的轉(zhuǎn)變，簡(jiǎn)化荷載控制體系的同時(shí)，提高礦山測(cè)繪工程測(cè)量效率。同時(shí)，一體化無人機(jī)遙感操作，可以自動(dòng)依托無人機(jī)搭載的傳感器完成地面成像，并在飛行后地面調(diào)整定標(biāo)數(shù)據(jù)，機(jī)動(dòng)靈活，可以提高礦山測(cè)繪工程測(cè)量效率。

2.3 提高測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)用效率

大尺度是無人機(jī)遙感技術(shù)的特殊優(yōu)勢(shì)。在我國(guó)無人機(jī)遙感技術(shù)發(fā)展規(guī)模逐步擴(kuò)大進(jìn)程中，無人機(jī)遙感適應(yīng)的測(cè)繪目標(biāo)尺寸愈發(fā)多樣，可以滿足不同礦山測(cè)繪工程測(cè)量尺寸要求。足夠的無人機(jī)遙感測(cè)繪尺寸，可以在確保礦山不同尺寸測(cè)繪工程測(cè)量任務(wù)順利完成的同時(shí)，以立體模型方式即時(shí)傳遞礦山測(cè)繪工程測(cè)繪區(qū)域狀態(tài)信息，為礦山測(cè)繪工程測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)用提供依據(jù)[3]。

3 無人機(jī)遙感技術(shù)在礦山測(cè)繪工程測(cè)量中應(yīng)用實(shí)踐

3.1 工程概況

礦山測(cè)繪工程正線全長(zhǎng)101km，總占地面積27.53hm2，其中永久占地19.36hm2，其余為臨時(shí)占地。工程具有線路長(zhǎng)、施工周期長(zhǎng)、擾動(dòng)和破壞植被面積大、廢棄土石方量大的特點(diǎn)。所在地區(qū)為中低山丘陵地貌，相對(duì)高差25m～596m，海拔125m～1056m。區(qū)域土壤成土母質(zhì)為可蝕性較高的沖積物。區(qū)域山坡植被叢生，坡腳植被覆蓋率為15.23%，斜坡植被覆蓋率為32.50%。區(qū)域?yàn)榕瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年均溫為12.9℃，年均降雨量854mm。

3.2 應(yīng)用情況及效果分析

3.2.1 應(yīng)用情況

礦山測(cè)繪工程測(cè)量是通過測(cè)量大地、測(cè)量空間信息進(jìn)行地形圖繪制的作業(yè)，其是大規(guī)模礦區(qū)工程建設(shè)的前期操作，也是工程投資決策與規(guī)劃設(shè)計(jì)的依據(jù)。在礦山測(cè)繪工程測(cè)量中應(yīng)用無人機(jī)遙感技術(shù)的流程包括測(cè)量設(shè)備準(zhǔn)備、測(cè)繪數(shù)據(jù)采集（測(cè)繪影像獲取）、拍攝數(shù)據(jù)處理幾個(gè)步驟。

在測(cè)量設(shè)備準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，測(cè)量技術(shù)人員應(yīng)確定工程范圍與精度要求，準(zhǔn)備設(shè)備并規(guī)劃線路，包括飛行高度、飛行方向、風(fēng)向角度等。根據(jù)《低空數(shù)字航空攝像測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》（CH/Z 3003-2010）、《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》（CH/Z 3005-2010）等規(guī)范要求，工程無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用范圍呈“Z”字形，多數(shù)廢棄渣土長(zhǎng)位于線路兩側(cè)50km直線范圍（以線路為中心線兩端各外擴(kuò)50km）內(nèi)，監(jiān)測(cè)范圍超過19hm2。無人機(jī)遙感在礦山測(cè)繪工程測(cè)量中應(yīng)用成果精度設(shè)定為數(shù)字高程模型高程精度2m～5m，數(shù)字正射影像地面分辨率0.22m，水平精度1m～3m。

根據(jù)成果設(shè)定要求，準(zhǔn)備發(fā)動(dòng)機(jī)引擎、機(jī)身、螺旋槳、起落架、機(jī)翼、降落傘組成的固定翼無人機(jī)以及2110萬像素全畫幅數(shù)碼相機(jī)（含35mm紅圈定焦鏡頭）、機(jī)載飛行和地面站控制系統(tǒng)、精度達(dá)到0.5m～1m的Trimble GEO XT手持GPS（地面控制點(diǎn)采集）、Pix4UAV Desktop 3D（遙感影像后期處理），其中機(jī)載飛行和地面站控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)按照規(guī)劃路線自動(dòng)飛行導(dǎo)航、控制與俯仰角、側(cè)滾角、遠(yuǎn)程控制，在飛行中確定姿態(tài)角、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、坐標(biāo)參數(shù)并輸出。設(shè)備準(zhǔn)備完畢后，測(cè)量技術(shù)人員應(yīng)對(duì)無人機(jī)航拍狀態(tài)進(jìn)行檢查，根據(jù)無人機(jī)作業(yè)指導(dǎo)說明書逐一核對(duì)無人機(jī)相關(guān)配件與影像系統(tǒng)完好性、通信設(shè)備完好性。進(jìn)而根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)試無人機(jī)遙感地面站軟件，確定無人機(jī)航拍過程影片質(zhì)量清晰、色彩效果佳。

測(cè)繪數(shù)據(jù)采集是礦山測(cè)繪工程測(cè)量工作必不可少的一個(gè)步驟，測(cè)繪數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確度、采集速度均會(huì)影響礦山測(cè)繪工程測(cè)量效果。

因此，測(cè)量技術(shù)人員應(yīng)利用控制系統(tǒng)，依據(jù)設(shè)計(jì)方案推進(jìn)無人機(jī)飛行、拍攝，協(xié)調(diào)無人機(jī)垂直傳感器與傾斜傳感器，從多個(gè)角度獲取足夠的原始影像數(shù)據(jù)。根據(jù)測(cè)量規(guī)程遙感范圍設(shè)定、項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)地形地貌，結(jié)合遙感測(cè)量成果精度要求，分測(cè)區(qū)飛行，飛行距離為32km，以E105.25123、N31.251251，H426m為基準(zhǔn)的航高為1156m，單張照片覆蓋面積為1km2（1233.251m×821.365m），拍攝正向影像時(shí)的航線呈“Z”字形，照片拍攝航向間隔159m，航向重疊率超過82%，航帶之間間隔615m，旁向重疊率超過50%，實(shí)際覆蓋空間范圍為197km2。而無人機(jī)航攝系統(tǒng)技術(shù)要求航向重疊度不低于53%、旁向重疊度不低于13%，本次測(cè)量均滿足航空攝影技術(shù)規(guī)范，便于獲得分辨率為5472×3078的高質(zhì)量遙感數(shù)據(jù)。整條線路工拍攝照片562張，去霧處理、篩選姿態(tài)后具備實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的照片為558張（.JPG格式）。

在原始影像數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，測(cè)量技術(shù)人員可以開展地面控制點(diǎn)采集，確保數(shù)據(jù)精度達(dá)標(biāo)。整條線路地面控制點(diǎn)共采集25個(gè)點(diǎn)位，檢查點(diǎn)數(shù)量為9個(gè)，各點(diǎn)位在不同飛行測(cè)段內(nèi)均勻分布，可為整體精度提供保障。

拍攝數(shù)據(jù)處理是基于專業(yè)軟件處理原始影像數(shù)據(jù)的操作，需要在拼接數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上開展高程糾正、幾何糾正，確保DOM、DEM格式的數(shù)據(jù)與精度要求相符。即在去霧預(yù)處理的基礎(chǔ)上，借助Pix4UAV Desktop 3D軟件提取與精度要求相符的DEM、DOM格式影像。同時(shí)，在原始影像中找到控制點(diǎn)，輸入GPS記錄的控制點(diǎn)實(shí)際高程、經(jīng)緯度，提取DOM與DEM影像疊加信息，勾畫工程邊界。進(jìn)而根據(jù)0.22m的地面分辨率要求，以tile（瓦片）形式存儲(chǔ)。

后期測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)用時(shí)，根據(jù)精度要求，在Globalmapper15軟件內(nèi)生成成果數(shù)據(jù)，成果數(shù)據(jù)采樣率、格式均不同，得出結(jié)果見圖1。在高程渲染圖得出之后，可以從DEM上直接觀測(cè)工程情況，或者利用GLobalmapper15軟件自帶的測(cè)量工具，進(jìn)行多邊形創(chuàng)建，提取監(jiān)測(cè)所需長(zhǎng)度（擋渣墻、路基擋墻、截排水長(zhǎng)度）、面積（土地整治、工程護(hù)坡長(zhǎng)度）信息（見表1），或者結(jié)合實(shí)地調(diào)查結(jié)果進(jìn)行體積（挖方量、截排水工程量、擋墻工程量等）數(shù)據(jù)的間接計(jì)算，為工程開展提供數(shù)據(jù)。

表1 測(cè)繪工程面積計(jì)算結(jié)果

圖1 測(cè)繪工程無人機(jī)遙感數(shù)字高程渲染圖

3.2.2 應(yīng)用效果

如圖1所示，工程?hào)|北部邊緣出現(xiàn)小幅度畸變，與實(shí)際情況相符。表明將無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用到測(cè)繪工程中，可以第一時(shí)間全面準(zhǔn)確反映工程進(jìn)程，在大規(guī)模線性工程中優(yōu)勢(shì)較為突出。較之傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感，無人機(jī)遙感機(jī)動(dòng)靈活，時(shí)效性佳，可以根據(jù)礦山測(cè)繪工程測(cè)量需求，由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)人員規(guī)劃遙感范圍、遙感時(shí)間，在短時(shí)間內(nèi)提取遙感影像，滿足工程常規(guī)監(jiān)測(cè)要求。同時(shí)，無人機(jī)遙感可以達(dá)到亞米級(jí)監(jiān)測(cè)要求，并根據(jù)需求進(jìn)行無人機(jī)飛行高度調(diào)整，獲得多精度成果，滿足測(cè)繪工程位置、面積等信息持續(xù)監(jiān)測(cè)判讀要求。除此之外，無人機(jī)遙感成果可以更加全面、直觀地展現(xiàn)測(cè)繪工程當(dāng)前測(cè)量情況，為工程建設(shè)方開展施工布局、施工管理、進(jìn)度控制提供參考。

由表1可知，在計(jì)算面積時(shí)，無人機(jī)遙感技術(shù)輸出的結(jié)果精度不高，各測(cè)區(qū)誤差的差異不顯著，可能是由于初步處理環(huán)節(jié)軟件應(yīng)用不到位，而在獲取DEM、DOM影像后的面積提取技術(shù)較為成熟。加之無人機(jī)成像具有絕對(duì)誤差較大、相對(duì)誤差較小的特點(diǎn)，相當(dāng)于礦山測(cè)繪工程整體在空間中傾斜，各測(cè)區(qū)之間面積計(jì)算結(jié)果受影響程度相當(dāng)，檢查點(diǎn)誤差均值差別較小。

3.3 應(yīng)用反思

第一，在無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用于礦山測(cè)繪工程測(cè)量時(shí)，所操作的無人機(jī)載重相對(duì)較小，操作高度上升時(shí)易受空氣壓力、氣流等多種因素影響出現(xiàn)失穩(wěn)甚至偏離預(yù)先設(shè)定飛行路線情況，影響最終測(cè)量圖像拍攝精確性。特別是在云霧、雨雪等惡劣天氣，檢測(cè)成果難以滿足精度要求。針對(duì)這一問題，根據(jù)外業(yè)實(shí)際測(cè)量的參數(shù)進(jìn)行精度分析。即在拼接而成的DOM影像中尋找地面檢查點(diǎn)并讀取其經(jīng)度、緯度，將讀取數(shù)值作為影像值，以地面GPS實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)對(duì)應(yīng)的經(jīng)緯度為實(shí)測(cè)值，進(jìn)行精度分析，分析公式為：

式1中，mx為X方向精度，cm；xi為地面檢查點(diǎn)影像橫坐標(biāo)，cm；xio為地面檢查點(diǎn)實(shí)測(cè)坐標(biāo)，cm；n為檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)；i為檢查點(diǎn)；yi為地面檢查點(diǎn)影像縱坐標(biāo)，cm；my為Y方向精度，cm；yi0為地面檢查點(diǎn)實(shí)測(cè)縱坐標(biāo)，cm；mxy為影像平面位置精度，cm。在精度計(jì)算的基礎(chǔ)上，測(cè)量技術(shù)人員應(yīng)從測(cè)繪數(shù)據(jù)采集、處理幾個(gè)方面著手，加強(qiáng)無人機(jī)飛行控制，并優(yōu)化內(nèi)業(yè)處理軟件，降低外部因素干擾。比如：在測(cè)繪工程項(xiàng)目區(qū)高度差異處于較高水平時(shí)，因單“z”字形航線拍攝時(shí)，主航線兩側(cè)高程出現(xiàn)了由一側(cè)向另外一側(cè)逐漸減小（或逐漸增大）的趨勢(shì)，可改用雙“z”字形航線，消除精度誤差。

第二，經(jīng)過精度經(jīng)驗(yàn)，礦山測(cè)繪工程無人機(jī)遙感數(shù)字高程渲染圖的高程誤差在2m～5m之間，提取監(jiān)測(cè)所需體積數(shù)據(jù)無法滿足前期精度要求，僅可作為參考數(shù)據(jù)，直接使用價(jià)值較低。為確保無人機(jī)遙感測(cè)量精確度，在礦山測(cè)繪工程測(cè)量之初，測(cè)繪技術(shù)人員可以從實(shí)際測(cè)繪目標(biāo)區(qū)域情況著手，調(diào)整無人機(jī)飛行路線，規(guī)避外在因素對(duì)無人機(jī)飛行的干擾。并借助無人機(jī)遙感攜帶照相設(shè)備自動(dòng)調(diào)整飛行階段鏡頭焦距，規(guī)避獲取圖像重疊等對(duì)清晰圖像獲取的不利影響。同時(shí)利用無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理模型代替基于施工單位計(jì)量值的微分法估算，適應(yīng)測(cè)繪工程特殊的空間尺度（介于坡面尺度、流域尺度之間），快速獲取測(cè)繪工程的高精度測(cè)量數(shù)據(jù)。

第三，礦山測(cè)繪工程無人機(jī)遙感測(cè)量數(shù)據(jù)處理工作量較大，需要技術(shù)人員在熟悉測(cè)繪工程情況的基礎(chǔ)上人工處理提取，時(shí)間成本、人工成本投入量較大。同時(shí)，較之當(dāng)前礦山測(cè)繪工程測(cè)量費(fèi)用，無人機(jī)遙感測(cè)量成本較高，無法實(shí)施長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)，只能根據(jù)礦山測(cè)繪工程情況、遙感測(cè)量必要程度，有計(jì)劃地開展典型區(qū)監(jiān)測(cè)。針對(duì)這一問題，測(cè)量人員可以定期調(diào)查分析國(guó)內(nèi)市場(chǎng)測(cè)繪工程測(cè)量軟件價(jià)格，協(xié)調(diào)無人機(jī)遙感設(shè)備價(jià)格與精度，發(fā)掘無人機(jī)遙感應(yīng)用潛力，為無人機(jī)遙感在測(cè)繪工程中長(zhǎng)期應(yīng)用提供依據(jù)。

4 結(jié)語

綜上所述，無人機(jī)遙感兼具靈活機(jī)動(dòng)、全天候作業(yè)、長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航的特點(diǎn)。在礦山測(cè)繪工程測(cè)量中應(yīng)用無人機(jī)遙感技術(shù)，不僅可以提高礦山測(cè)繪工程測(cè)量效率，而且可以提高礦山測(cè)繪工程測(cè)量精度。

因此，測(cè)繪技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)工程測(cè)量任務(wù)內(nèi)容，科學(xué)應(yīng)用無人機(jī)遙感技術(shù)。根據(jù)無人機(jī)遙感技術(shù)在礦山測(cè)繪工程測(cè)量中的應(yīng)用效果，及時(shí)反思，及時(shí)優(yōu)化，為無人機(jī)遙感技術(shù)在礦山測(cè)繪工程中的有效應(yīng)用提供依據(jù)。