無人機遙感技術在礦山測繪工程測量中的實踐與應用

劉戈劍，辛 瑤

（華北地質勘查局綜合普查大隊普冠公司，河北 廊坊 065201）

1 無人機遙感技術的發展現狀

無人機是以空氣提供升力、機上無人駕駛、可重復使用航空器。無人機遙感是在無人機技術成熟后形成的新型航空遙感系統，無人機遙感的載體是無人機，主要構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60年代，我國正式生產出低速遙控靶無人機，21世紀后，無人機遙感技術開始快速發展。早期無人機遙感技術主要由空中部分、地面部分、輔助部分構成，空中部分涵蓋了遙感傳感器、無人機遙感平臺、空中遙感控制系統；地面部分涵蓋了無人機地面控制子系統、航跡規劃子系統、數據接受解壓縮系統、實時顯示系統、數據預處理系統；輔助部分涵蓋了定標系統等，可以滿足自動拍攝獲取遙感圖像、實時生成傳輸快視圖、接收地面數據等要求。當前，無人機遙感技術分辨率更高，且呈現出系統化、定量化特點，如基于衛星中繼的無人機遙感、基于北斗的無人機遙感、基于GPRS的無人機遙感，可以滿足高速異地實時傳輸數據、數據自動處理、高空地協同精準監測等要求[1]。

2 無人機遙感技術應用對礦山測繪工程測量的影響

2.1 提高礦山測繪工程測量精度

定量化是無人機遙感技術的主要特點，無人機定標場的構建，為無人機遙感提供了高度精準標尺，可以滿足礦山測繪工程厘米級高分辨率測量要求[2]。特別是近幾年基于無人機定標場的航空航天定標場的構建，可以實現無人機遙感數據、航空航天數據融合，在物理空間內貫通地學、光電參量，從源頭消除礦山測繪工程中地面影像上端光電儀器系統誤差，提高礦山測繪工程測量精度。

2.2 提高測繪工程測量效率

自動化是無人機遙感技術的主要表現?；跓o人機遙感通用物理模型可以自動完成成像載荷多剛體拼接向單剛體成像的轉變，簡化荷載控制體系的同時，提高礦山測繪工程測量效率。同時，一體化無人機遙感操作，可以自動依托無人機搭載的傳感器完成地面成像，并在飛行后地面調整定標數據，機動靈活，可以提高礦山測繪工程測量效率。

2.3 提高測量數據應用效率

大尺度是無人機遙感技術的特殊優勢。在我國無人機遙感技術發展規模逐步擴大進程中，無人機遙感適應的測繪目標尺寸愈發多樣，可以滿足不同礦山測繪工程測量尺寸要求。足夠的無人機遙感測繪尺寸，可以在確保礦山不同尺寸測繪工程測量任務順利完成的同時，以立體模型方式即時傳遞礦山測繪工程測繪區域狀態信息，為礦山測繪工程測量數據應用提供依據[3]。

3 無人機遙感技術在礦山測繪工程測量中應用實踐

3.1 工程概況

礦山測繪工程正線全長101km，總占地面積27.53hm2，其中永久占地19.36hm2，其余為臨時占地。工程具有線路長、施工周期長、擾動和破壞植被面積大、廢棄土石方量大的特點。所在地區為中低山丘陵地貌，相對高差25m～596m，海拔125m～1056m。區域土壤成土母質為可蝕性較高的沖積物。區域山坡植被叢生，坡腳植被覆蓋率為15.23%，斜坡植被覆蓋率為32.50%。區域為暖溫帶大陸性季風氣候，年均溫為12.9℃，年均降雨量854mm。

3.2 應用情況及效果分析

3.2.1 應用情況

礦山測繪工程測量是通過測量大地、測量空間信息進行地形圖繪制的作業，其是大規模礦區工程建設的前期操作，也是工程投資決策與規劃設計的依據。在礦山測繪工程測量中應用無人機遙感技術的流程包括測量設備準備、測繪數據采集（測繪影像獲?。?、拍攝數據處理幾個步驟。

在測量設備準備環節，測量技術人員應確定工程范圍與精度要求，準備設備并規劃線路，包括飛行高度、飛行方向、風向角度等。根據《低空數字航空攝像測量內業規范》（CH/Z 3003-2010）、《低空數字航空攝影規范》（CH/Z 3005-2010）等規范要求，工程無人機遙感技術應用范圍呈“Z”字形，多數廢棄渣土長位于線路兩側50km直線范圍（以線路為中心線兩端各外擴50km）內，監測范圍超過19hm2。無人機遙感在礦山測繪工程測量中應用成果精度設定為數字高程模型高程精度2m～5m，數字正射影像地面分辨率0.22m，水平精度1m～3m。

根據成果設定要求，準備發動機引擎、機身、螺旋槳、起落架、機翼、降落傘組成的固定翼無人機以及2110萬像素全畫幅數碼相機（含35mm紅圈定焦鏡頭）、機載飛行和地面站控制系統、精度達到0.5m～1m的Trimble GEO XT手持GPS（地面控制點采集）、Pix4UAV Desktop 3D（遙感影像后期處理），其中機載飛行和地面站控制系統負責按照規劃路線自動飛行導航、控制與俯仰角、側滾角、遠程控制，在飛行中確定姿態角、運動參數、坐標參數并輸出。設備準備完畢后，測量技術人員應對無人機航拍狀態進行檢查，根據無人機作業指導說明書逐一核對無人機相關配件與影像系統完好性、通信設備完好性。進而根據實際情況，調試無人機遙感地面站軟件，確定無人機航拍過程影片質量清晰、色彩效果佳。

測繪數據采集是礦山測繪工程測量工作必不可少的一個步驟，測繪數據采集準確度、采集速度均會影響礦山測繪工程測量效果。

因此，測量技術人員應利用控制系統，依據設計方案推進無人機飛行、拍攝，協調無人機垂直傳感器與傾斜傳感器，從多個角度獲取足夠的原始影像數據。根據測量規程遙感范圍設定、項目現場地形地貌，結合遙感測量成果精度要求，分測區飛行，飛行距離為32km，以E105.25123、N31.251251，H426m為基準的航高為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%，實際覆蓋空間范圍為197km2。而無人機航攝系統技術要求航向重疊度不低于53%、旁向重疊度不低于13%，本次測量均滿足航空攝影技術規范，便于獲得分辨率為5472×3078的高質量遙感數據。整條線路工拍攝照片562張，去霧處理、篩選姿態后具備實際應用價值的照片為558張（.JPG格式）。

在原始影像數據采集的基礎上，測量技術人員可以開展地面控制點采集，確保數據精度達標。整條線路地面控制點共采集25個點位，檢查點數量為9個，各點位在不同飛行測段內均勻分布，可為整體精度提供保障。

拍攝數據處理是基于專業軟件處理原始影像數據的操作，需要在拼接數據的基礎上開展高程糾正、幾何糾正，確保DOM、DEM格式的數據與精度要求相符。即在去霧預處理的基礎上，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，在原始影像中找到控制點，輸入GPS記錄的控制點實際高程、經緯度，提取DOM與DEM影像疊加信息，勾畫工程邊界。進而根據0.22m的地面分辨率要求，以tile（瓦片）形式存儲。

后期測量數據應用時，根據精度要求，在Globalmapper15軟件內生成成果數據，成果數據采樣率、格式均不同，得出結果見圖1。在高程渲染圖得出之后，可以從DEM上直接觀測工程情況，或者利用GLobalmapper15軟件自帶的測量工具，進行多邊形創建，提取監測所需長度（擋渣墻、路基擋墻、截排水長度）、面積（土地整治、工程護坡長度）信息（見表1），或者結合實地調查結果進行體積（挖方量、截排水工程量、擋墻工程量等）數據的間接計算，為工程開展提供數據。

表1 測繪工程面積計算結果

圖1 測繪工程無人機遙感數字高程渲染圖

3.2.2 應用效果

如圖1所示，工程東北部邊緣出現小幅度畸變，與實際情況相符。表明將無人機遙感技術應用到測繪工程中，可以第一時間全面準確反映工程進程，在大規模線性工程中優勢較為突出。較之傳統衛星遙感，無人機遙感機動靈活，時效性佳，可以根據礦山測繪工程測量需求，由現場監測人員規劃遙感范圍、遙感時間，在短時間內提取遙感影像，滿足工程常規監測要求。同時，無人機遙感可以達到亞米級監測要求，并根據需求進行無人機飛行高度調整，獲得多精度成果，滿足測繪工程位置、面積等信息持續監測判讀要求。除此之外，無人機遙感成果可以更加全面、直觀地展現測繪工程當前測量情況，為工程建設方開展施工布局、施工管理、進度控制提供參考。

由表1可知，在計算面積時，無人機遙感技術輸出的結果精度不高，各測區誤差的差異不顯著，可能是由于初步處理環節軟件應用不到位，而在獲取DEM、DOM影像后的面積提取技術較為成熟。加之無人機成像具有絕對誤差較大、相對誤差較小的特點，相當于礦山測繪工程整體在空間中傾斜，各測區之間面積計算結果受影響程度相當，檢查點誤差均值差別較小。

3.3 應用反思

第一，在無人機遙感技術應用于礦山測繪工程測量時，所操作的無人機載重相對較小，操作高度上升時易受空氣壓力、氣流等多種因素影響出現失穩甚至偏離預先設定飛行路線情況，影響最終測量圖像拍攝精確性。特別是在云霧、雨雪等惡劣天氣，檢測成果難以滿足精度要求。針對這一問題，根據外業實際測量的參數進行精度分析。即在拼接而成的DOM影像中尋找地面檢查點并讀取其經度、緯度，將讀取數值作為影像值，以地面GPS實測檢查點對應的經緯度為實測值，進行精度分析，分析公式為：

式1中，mx為X方向精度，cm；xi為地面檢查點影像橫坐標，cm；xio為地面檢查點實測坐標，cm；n為檢查點個數；i為檢查點；yi為地面檢查點影像縱坐標，cm；my為Y方向精度，cm；yi0為地面檢查點實測縱坐標，cm；mxy為影像平面位置精度，cm。在精度計算的基礎上，測量技術人員應從測繪數據采集、處理幾個方面著手，加強無人機飛行控制，并優化內業處理軟件，降低外部因素干擾。比如：在測繪工程項目區高度差異處于較高水平時，因單“z”字形航線拍攝時，主航線兩側高程出現了由一側向另外一側逐漸減?。ɑ蛑饾u增大）的趨勢，可改用雙“z”字形航線，消除精度誤差。

第二，經過精度經驗，礦山測繪工程無人機遙感數字高程渲染圖的高程誤差在2m～5m之間，提取監測所需體積數據無法滿足前期精度要求，僅可作為參考數據，直接使用價值較低。為確保無人機遙感測量精確度，在礦山測繪工程測量之初，測繪技術人員可以從實際測繪目標區域情況著手，調整無人機飛行路線，規避外在因素對無人機飛行的干擾。并借助無人機遙感攜帶照相設備自動調整飛行階段鏡頭焦距，規避獲取圖像重疊等對清晰圖像獲取的不利影響。同時利用無人機遙感數據處理模型代替基于施工單位計量值的微分法估算，適應測繪工程特殊的空間尺度（介于坡面尺度、流域尺度之間），快速獲取測繪工程的高精度測量數據。

第三，礦山測繪工程無人機遙感測量數據處理工作量較大，需要技術人員在熟悉測繪工程情況的基礎上人工處理提取，時間成本、人工成本投入量較大。同時，較之當前礦山測繪工程測量費用，無人機遙感測量成本較高，無法實施長期連續監測，只能根據礦山測繪工程情況、遙感測量必要程度，有計劃地開展典型區監測。針對這一問題，測量人員可以定期調查分析國內市場測繪工程測量軟件價格，協調無人機遙感設備價格與精度，發掘無人機遙感應用潛力，為無人機遙感在測繪工程中長期應用提供依據。

4 結語

綜上所述，無人機遙感兼具靈活機動、全天候作業、長時間續航的特點。在礦山測繪工程測量中應用無人機遙感技術，不僅可以提高礦山測繪工程測量效率，而且可以提高礦山測繪工程測量精度。

因此，測繪技術人員應根據工程測量任務內容，科學應用無人機遙感技術。根據無人機遙感技術在礦山測繪工程測量中的應用效果，及時反思，及時優化，為無人機遙感技術在礦山測繪工程中的有效應用提供依據。