無人機(jī)航測(cè)技術(shù)在礦山工程測(cè)量中的應(yīng)用

黃 洋，晏 迪

在礦山工程當(dāng)中，針對(duì)各類施工地質(zhì)條件、地理坐標(biāo)等參數(shù)的測(cè)量是開展各項(xiàng)礦山工程項(xiàng)目的基礎(chǔ)。當(dāng)前，該領(lǐng)域研究人員逐漸將如何實(shí)現(xiàn)礦山工程的快速、高精度測(cè)量作為研究的主要方向。隨著當(dāng)前現(xiàn)代無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無人機(jī)航測(cè)技術(shù)的推動(dòng)，同時(shí)也擴(kuò)大了在礦山領(lǐng)域當(dāng)中的應(yīng)用范圍。在實(shí)際應(yīng)用中，該技術(shù)由于具備低成本、高精度等優(yōu)勢(shì)，因此被廣泛應(yīng)用于各類工程測(cè)量當(dāng)中，但目前針對(duì)礦山領(lǐng)域當(dāng)中工程測(cè)量應(yīng)用及相關(guān)研究較少。基于此，本文針對(duì)當(dāng)前傳統(tǒng)礦山工程測(cè)量方法在實(shí)際應(yīng)用中存在的精度低，無法為工程實(shí)施提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)依據(jù)的問題，引入無人機(jī)航測(cè)技術(shù)，開展下述相關(guān)研究。

1 基于無人機(jī)航測(cè)技術(shù)的礦山工程測(cè)量方法設(shè)計(jì)

1.1 確定無人機(jī)計(jì)劃航線

在利用無人機(jī)航測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山工程各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)量時(shí)，為了確保獲取到的影響符合后續(xù)使用要求，需要在保障無人機(jī)飛行次數(shù)盡可能低的條件下完成飛行任務(wù)。因此，在無人機(jī)飛行前，首先需要確定無人機(jī)計(jì)劃航線，對(duì)其飛行路徑進(jìn)行布設(shè)。根據(jù)實(shí)際礦山工程所在位置的工況條件，結(jié)合區(qū)域地形地貌、天氣變化以及無人機(jī)攝像頭分辨率等因素，對(duì)航線進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般情況下，測(cè)量區(qū)域應(yīng)當(dāng)構(gòu)成一個(gè)較為規(guī)則的形狀，并且無人機(jī)的飛行航向應(yīng)當(dāng)盡可能朝向一個(gè)方向。根據(jù)實(shí)際礦山工程施工條件，可采用單鏡頭無人機(jī)完成航測(cè)，并且航向始終保持為“井”字形。由于無人機(jī)在飛行的過程中，為了確保測(cè)量精度，其飛行高度通常是保持不變的，因此應(yīng)當(dāng)在滿足精度的條件下，盡可能地提高飛行的高度，避免其在飛行的過程中受到地面障礙物的影響，保障飛行安全。

根據(jù)無人機(jī)航高、測(cè)量樣本采集間隔、攝像頭焦距、像元尺寸，計(jì)算出無人機(jī)航高的最佳范圍，還需要針對(duì)航線大致覆蓋范圍進(jìn)行明確。針對(duì)無人機(jī)的航線設(shè)計(jì)，需要在綜合考慮無人機(jī)航測(cè)的精確數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上開展。以無人機(jī)航測(cè)技術(shù)中常見的航攝比例為1：6000，像幅為0.25m×0.25m 為例，在其各項(xiàng)條件均達(dá)到理想狀態(tài)時(shí)，其覆蓋面積應(yīng)為6000×0.25，進(jìn)一步得出半張像片的有效覆蓋面積應(yīng)為（6000×0.25-90）/2，其中90 是指在航測(cè)過程中其工作邊線距離與航測(cè)像片邊界的實(shí)際距離。根據(jù)上述論述思路，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)無人機(jī)航測(cè)航線覆蓋范圍的確定。上述無人機(jī)計(jì)劃航線的高度和覆蓋范圍都是在理想狀態(tài)下得出，但在實(shí)際情況中，由于受到地理?xiàng)l件和周圍環(huán)境的影響，無法達(dá)到理想航測(cè)狀態(tài)。因此，在確定航線的高度以及覆蓋范圍時(shí)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)地，在明確實(shí)地和環(huán)境條件后，才能夠得到準(zhǔn)確的無人接計(jì)劃航線。在這一過程中，首先確定無人機(jī)航測(cè)需要完成的任務(wù)區(qū)域，并確定該區(qū)域范圍內(nèi)的定性信息以及潛在威脅源的具體分布。其次，引入電子地圖技術(shù)，通過其計(jì)算機(jī)圖形繪制功能和地理信息查詢功能實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)區(qū)域內(nèi)具體地形圖像的展示。結(jié)合數(shù)字地圖，對(duì)初步設(shè)計(jì)的航線進(jìn)行模擬，根據(jù)顯示的飛行過程中可能出現(xiàn)障礙的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，并結(jié)合數(shù)據(jù)對(duì)航線進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)前常見的數(shù)字地圖格式分為兩種，一種為光柵位圖，一種為矢量圖。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)無人機(jī)計(jì)劃航線的不同需要對(duì)其進(jìn)行選擇。在實(shí)際飛行之前，所有級(jí)別上的規(guī)劃都需要通過計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行運(yùn)算，并通過多次長(zhǎng)時(shí)間的完善得出最佳的無人機(jī)航測(cè)路線。當(dāng)前，最常見的一種規(guī)劃算法是啟發(fā)式算法，在具體應(yīng)用中主要時(shí)通過縮小無人機(jī)航測(cè)范圍的方式，將航向規(guī)劃進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，通過問題啟發(fā)對(duì)搜索信息進(jìn)行引導(dǎo)，以此計(jì)算得出最佳的無人機(jī)航測(cè)航線。

1.2 礦山工程航測(cè)外業(yè)布置

完成上述相關(guān)工作后，需要進(jìn)行礦山工程航測(cè)外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的布置工作。在布置時(shí)，結(jié)合上述數(shù)字地圖給出的精準(zhǔn)的地理坐標(biāo)位置，將無人機(jī)計(jì)劃航線數(shù)據(jù)帶入到數(shù)字地圖當(dāng)中，以此確定航線在礦山工程測(cè)量當(dāng)中的具體位置。再次基礎(chǔ)上，通過比較判斷，找出適合設(shè)置控制點(diǎn)的位置號(hào)，并在數(shù)字地圖當(dāng)中將控制點(diǎn)布局結(jié)果字段進(jìn)行顯示。通過這種對(duì)像控點(diǎn)的布置方式能夠不必等待無人機(jī)得到飛行數(shù)據(jù)后再進(jìn)行操作，以此能夠提高礦上工程航測(cè)外業(yè)的布置效率。同時(shí)，將得到的像控點(diǎn)布置數(shù)據(jù)信息上傳到互聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中，幫助礦山工程各個(gè)參與方能夠在第一時(shí)間獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，從而避免后續(xù)測(cè)量計(jì)劃制定時(shí)出現(xiàn)重疊問題，影響工程進(jìn)度。但在實(shí)際應(yīng)用中，這種布置方式也存在嚴(yán)重弊端問題，若通過無人機(jī)航測(cè)技術(shù)得到的圖像不均勻或部分區(qū)域內(nèi)無法得到較強(qiáng)圖像，則需要根據(jù)以往礦上工程測(cè)量經(jīng)驗(yàn)對(duì)像控點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)，這種情況下像控點(diǎn)位置可能會(huì)存在偏差，因此有必要結(jié)合GPS 裝置對(duì)像控點(diǎn)定位精度進(jìn)行提升，從而減小后續(xù)測(cè)量誤差。在具體布設(shè)的過程中，明確此環(huán)節(jié)是外業(yè)的主要環(huán)節(jié)，通過合理地布置外業(yè)像控點(diǎn)，不僅可以提高獲取圖像畫質(zhì)的均勻性，也可以在一定程度上提升畫面的紋理清晰度。在此方面工作中，可使用標(biāo)靶板或在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)撒上水泥灰，確保控點(diǎn)地勢(shì)平緩、水平位置無顯著高度差后，即可完成對(duì)像控點(diǎn)的布置。在此基礎(chǔ)上，引進(jìn)GPS 定位技術(shù)，對(duì)接測(cè)點(diǎn)與通信基站，按照坐標(biāo)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換方法，得到標(biāo)準(zhǔn)的像控點(diǎn)坐標(biāo)。完成坐標(biāo)點(diǎn)的定位后，選擇一個(gè)任意點(diǎn)作為固定點(diǎn)，將坐標(biāo)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)處理，使其成為一個(gè)可與測(cè)點(diǎn)獲取信息匹配的坐標(biāo)體系。完成坐標(biāo)的設(shè)計(jì)后，對(duì)接通信設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)點(diǎn)信息的獲取，在此基礎(chǔ)上，使用無人機(jī)設(shè)備，對(duì)地面進(jìn)行攝像，拍攝過程中，應(yīng)盡量選擇外界環(huán)境較為穩(wěn)定的天氣進(jìn)行。確保風(fēng)速等環(huán)境因素對(duì)測(cè)點(diǎn)獲取信息無影響或無干擾的條件下，在指定區(qū)域內(nèi)架設(shè)航拍設(shè)備，結(jié)合任務(wù)需求設(shè)定設(shè)備的參數(shù)，包括飛行高度、傾斜角度等，以此種方式，確保無人機(jī)可以按照預(yù)設(shè)的線路飛行，保證獲取的信息符合礦山工程測(cè)量作業(yè)需求。完成信息獲取后，對(duì)應(yīng)的信息將通過實(shí)時(shí)傳輸?shù)姆绞剑答伣o地面。

1.3 原始影像處理與平面控制測(cè)量

在完成上述對(duì)礦山工程航測(cè)外業(yè)的布置后，針對(duì)無人機(jī)采集到的原始影像，還需要對(duì)其進(jìn)行處理，并結(jié)合POS 數(shù)據(jù)檢查對(duì)圖像數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，以此判斷其精度是否滿足測(cè)量需要。檢查的內(nèi)容主要包括：影像重疊度、是否存在陰影、是否有大范圍反光等。在處理時(shí)，需要對(duì)原始圖像進(jìn)行分類，大致劃分為傾斜影像和垂直影響兩種，并按照影像數(shù)據(jù)通過統(tǒng)一的格式進(jìn)行存儲(chǔ)。其次為了使影像能夠更好地應(yīng)用到礦山工程測(cè)量當(dāng)中，需要對(duì)影像的亮度和反差參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，確保影像亮度、飽和度等統(tǒng)一，最終將處理好的影像提交，并完成平面控制測(cè)量任務(wù)。圖1 為原始影像處理與平面控制測(cè)量流程示意圖。

圖1 原始影像處理與平面控制測(cè)量流程示意圖

根據(jù)圖1 流程完成對(duì)原始影像的處理和對(duì)平面控制測(cè)量，除此之外由于無人機(jī)航測(cè)技術(shù)的應(yīng)用中獲取到的圖像無法保證其像素的精度，可能存在模擬圖像產(chǎn)生，影響后續(xù)控制測(cè)量。因此，針對(duì)這一問題，完成上述操作后，還需要通過計(jì)算原始影像中特性像素?cái)?shù)量與圖像總像素?cái)?shù)量的比值，判斷原始影像是否存在模糊圖像。在判斷過程中，若得出的比值比例向，例如出現(xiàn)偏高或偏低的問題，則需要對(duì)原始影像進(jìn)行均衡化處理對(duì)其進(jìn)行修正，并將圖像從較窄的灰度范圍當(dāng)中進(jìn)行擴(kuò)散。通過上述方式，能夠時(shí)原本存在模糊圖像問題的原始影像像素灰度映射變換，并而時(shí)圖像當(dāng)中的灰度密度能夠均勻分布，以此確保圖像的利用價(jià)值提升。在進(jìn)行平面控制測(cè)量時(shí)，還會(huì)由于原始影像總的噪聲影響，使得圖像的清晰程度無法滿足平面控制測(cè)量的精度需要。因此，針對(duì)這一問題，還需要通過對(duì)上述處理完畢的圖像進(jìn)行反距離加權(quán)的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)其去噪處理。為了達(dá)到提升圖像細(xì)節(jié)部分清晰度的效果，針對(duì)其整體進(jìn)行噪聲篩選。在去噪處理時(shí)，可人為在圖像當(dāng)中任何一個(gè)需要進(jìn)行檢查的像素點(diǎn)都會(huì)受到周圍相鄰像素點(diǎn)的影響。因此，基于這一特點(diǎn)，明確待檢測(cè)的像素點(diǎn)受到近點(diǎn)的影響程度會(huì)大于受到遠(yuǎn)點(diǎn)的影響程度。按照這一規(guī)律，對(duì)圖像當(dāng)中像素點(diǎn)進(jìn)行掃描，并直到完成對(duì)所有節(jié)點(diǎn)的處理后，認(rèn)為此時(shí)在圖像當(dāng)中不存在噪聲問題，可進(jìn)行后續(xù)的平面控制測(cè)量任務(wù)。由于一般礦山領(lǐng)域當(dāng)中的工程地形結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，因此通過無人機(jī)航測(cè)技術(shù)的應(yīng)用可以針對(duì)人員和儀器無法到達(dá)的區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，在測(cè)量過程中，以無人機(jī)獲取到的影像作為基礎(chǔ)，采用聯(lián)合法將影像當(dāng)中方位角導(dǎo)線與解析幾何相結(jié)合，利用教會(huì)法通過其他已知控制點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量對(duì)象具體坐標(biāo)參數(shù)的測(cè)定。在完成上述所有操作后，為了確保測(cè)量結(jié)果的精度進(jìn)一步提升，還需要完成對(duì)測(cè)量工作的檢查和驗(yàn)收。在檢查的過程中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，則需要對(duì)測(cè)量進(jìn)行修正處理。

2 實(shí)例應(yīng)用分析

結(jié)合本文上述內(nèi)容，從理論方面實(shí)現(xiàn)了針對(duì)礦山工程新測(cè)量方法的設(shè)計(jì)，為了進(jìn)一步驗(yàn)證該方法在實(shí)際工程項(xiàng)目當(dāng)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，選擇以某地區(qū)正在開展的礦山工程作為依托。針對(duì)該礦山工程項(xiàng)目，引入本文提出的結(jié)合無人機(jī)航測(cè)技術(shù)的測(cè)量方法，通過對(duì)應(yīng)用效果分析的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)本文測(cè)量方法的應(yīng)用可行性驗(yàn)證。已知該礦山工程項(xiàng)目位于某村莊附近的鐵礦區(qū)航攝區(qū)域當(dāng)中，該區(qū)域總面積為0.08km2，研究區(qū)域內(nèi)的土壤層較薄，并且大部分以裸巖和碎石結(jié)構(gòu)為主，同時(shí)還有大面積的積水區(qū)域。針對(duì)該研究區(qū)域，利用本文提出的測(cè)量方法對(duì)其進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集，分別選擇五個(gè)不同的像控點(diǎn)，表1 為五個(gè)像控點(diǎn)實(shí)測(cè)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)數(shù)值。

表1 五個(gè)像控點(diǎn)實(shí)測(cè)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)數(shù)值

在表1 中數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，為了驗(yàn)證本文測(cè)量方法的應(yīng)用效果，選擇將測(cè)量精度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用本文提出的測(cè)量方法對(duì)上述五個(gè)測(cè)控點(diǎn)的坐標(biāo)位置進(jìn)行測(cè)量，并分別測(cè)量結(jié)果三個(gè)坐標(biāo)軸上數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)坐標(biāo)數(shù)據(jù)之間的差值，將得出的結(jié)果記錄如表2 所示。

表2 水文測(cè)量方法測(cè)量結(jié)果與實(shí)測(cè)坐標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果

通過表2 中數(shù)據(jù)進(jìn)一步得出，利用本文測(cè)量方法得到的測(cè)量結(jié)果中，其各個(gè)坐標(biāo)軸上的數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)坐標(biāo)數(shù)據(jù)相差均小于1.50mm，滿足礦山工程對(duì)測(cè)量精度提出的誤差小于2.00mm 的應(yīng)用需要。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)用上述提出的測(cè)量方法在具體礦山工程環(huán)境當(dāng)中，測(cè)量的精度不會(huì)受到測(cè)控點(diǎn)上地質(zhì)條件以及環(huán)境因素的影響，得出的坐標(biāo)數(shù)據(jù)具有更高的精度，利用價(jià)值進(jìn)一步提升。通過該測(cè)量方法的合理應(yīng)用，在具備更合理航線規(guī)劃方案的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)礦上工程測(cè)量全局分析和局部重點(diǎn)分析，促進(jìn)礦山工程測(cè)量結(jié)果的進(jìn)一步豐富，為后續(xù)礦山工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)以及實(shí)際開展提供有力數(shù)據(jù)依據(jù)。因此，通過上述實(shí)例應(yīng)用的方式證明，本文在引入無人機(jī)航測(cè)技術(shù)后，能夠進(jìn)一步提高測(cè)量方法的測(cè)量精度，為礦山工程施工提供更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)礦山數(shù)據(jù)資源的高效利用。

3 結(jié)語

通過本文上述研究，在結(jié)合無人機(jī)航測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種全新的工程測(cè)量方法，并通過實(shí)例應(yīng)用的方式證明了該測(cè)量方法的實(shí)際應(yīng)用效果。但由于研究能力有限，在對(duì)測(cè)量方法設(shè)計(jì)過程中，未考慮到無人機(jī)飛行高度對(duì)測(cè)量精度的影響問題，針對(duì)這一問題還有待進(jìn)一步的驗(yàn)證和研究，從而不斷提高本文測(cè)量方法的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，在本文研究過程中得出，針對(duì)不確定環(huán)境當(dāng)中的無人機(jī)航測(cè)計(jì)劃航線的設(shè)計(jì)將是未來無人機(jī)航測(cè)技術(shù)應(yīng)用的重點(diǎn)，因此針對(duì)這一問題，本文也將進(jìn)行更加深入的研究，從而進(jìn)一步促進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)在礦上工程領(lǐng)域當(dāng)中的應(yīng)用適應(yīng)性。