無人機航測在霍爾辛赫煤業地形測繪中的應用

韋云峰

（晉能控股集團晉圣坡底煤業有限公司，山西 晉城 048000）

山西霍爾辛赫煤業有限責任公司井田范圍內近年來已有較多的建（構）筑物新建或擴建，居民區村莊和地形地貌都有了很大的改變，原有地形圖已不能滿足指導礦井建設和井下采掘工程需要。常規地形圖測繪方法包括大平板儀測圖法、小平板儀和經緯儀聯合測圖法、電子全站儀、GPS 測繪等，但這些測繪方法具有耗時長、人工強度大、測繪效率低、易受人為操作及天氣變化因素影響、作業條件及數據精度較差等特點。隨著科技迅猛發展，工程技術領域對于及時準確獲取空間信息提出了更高的要求。無人機作為一種新興的測繪技術，具有獲取空間信息速度快、精度高、數字化程度高、作業安全等優點，并且在小區域大比例尺測圖領域具有比常規測圖不可替代的優勢，不僅具有正射影像、實景三維模型，可以真實反映地物的外觀位置、高程等屬性，還可輸出點云數據、DLG 等多種成果資料，對于生產設計布局都有非常好的應用效果[1]。本文介紹采用無人機測繪霍爾辛赫煤業井田范圍內地形圖的應用效果。

1 工程概況

1.1 礦井概況

霍爾辛赫煤業位于山西省長治市長子縣縣城東南約5 km 處，行政隸屬長子縣丹朱鎮。井田地理坐標為：東經112°53＇21＂～112°57＇17＂，北緯36°04＇39＂～36°12＇07＂。井田東部1.5 km 處有太焦鐵路經過，交通極為方便。本井田位于太行山中段的長治盆地西側，地貌屬沖積平原、河谷平原，地形總體呈西高東低。

1.2 已有資料收集情況

（1）收集到測區范圍內的1∶1 萬地形圖，為原山西省測繪局1995 年10 月航攝，1999 年11 月調繪，2005 年5 月成圖，1993 年版圖式。1∶1 萬地形圖成圖已二十余年，地形、地物變化較大，但可作為布設E 級GPS 點和像控點之用。

（2）收集到測區C 級GPS 點有C02、C03、C05和D 級GPS 點有D07、D25、西張堡、市澤村共7 點。前5 個點為山西省地質測繪院于2016 年6 月所做，后2 個點為山西省測繪工程院所做。通過現場踏勘，各點標石保存完整，測前要經過檢測，如果精度符合規范，則可用于本次測繪起算。

2 地形測繪要求

2.1 技術要求

（1）平面坐標系：CGCS2000 國家大地坐標系。

（2）高程基準：1 985 國家高程基準。

（3）投影和分帶：高斯- 克呂格地圖投影3°分帶，中央子午線114°。

（4）成圖比例尺：1∶2 000，縮編1∶5 000 和1∶10 000。

（5）基本等高距：1∶2 000 地形圖采用1 m 等高距；1∶5 000、1∶10 000 地形圖采用2 m 等高距。

（6）1∶2 000 DOM 地面分辨率：優于0.2 m；1∶5 000 DOM 地面分辨率：優于0.5 m；傾斜攝影影像分辨率：優于0.03 m。

2.2 精度指標

（1）E 級GPS 控制點精度

根據《工程測量規范》及《全球定位系統（GPS）測量規范》等相關規定，精度要求如下：相較于起算點，起平面點位誤差范圍為±5 cm，高程誤差范圍為±5 cm[2]。

（2）數字線劃圖平面位置精度

根據《工程測量規范》，圖中地物點同鄰近控制點的平面位置誤差范圍如表1 所示，最大允許誤差應小于其兩倍。

表1 平面位置中誤差限差

（3）數字正射影像圖精度

①根據《工程測量規范》，數字正射影像圖的平面位置誤差范圍如表2 所示，最大允許誤差應小于其兩倍。

表2 平面位置中誤差限差

②接邊精度：數字正射影像圖影像數據接邊誤差不大于2 個像素；矢量數據應無縫接邊。

3 無人機航測技術的應用

無人機航測技術大致分為五大階段，即準備工作、像控點測試、外業航攝、外業調繪和內業成圖。

3.1 準備工作

（1）飛行空域狀況

測區位于長子縣丹朱鎮以東區域，無人機飛行高度不超過300 m。附近無軍事區域、民用機場等情況，同時無人機飛行路線不與民航航路重疊，空域狀況滿足無人機飛行條件。

（2）攝區基本技術要求

①無人機航拍獲取影像是可進行立體測量的真彩色數字影像。

②根據規范精度要求，本次飛行設計地面分辨率3 cm，相對航高180 m，航向重疊80%，旁向重疊65%，采用D2000 搭載全畫幅SONY a6000五鏡頭數碼相機，共設計13 個區塊進行飛行作業。

3.2 像控點測量

因D2000 所采用GPS 為PPK 后差分技術，可輸出cm 級高精度定位信息，能很大程度上減少像控點的布置.本次作業共布設了435 個像控點，其中40 點做為檢查點。航攝設計范圍用如圖1 所示。

圖1 航攝設計范圍用

3.3 外出航攝飛行

（1）飛行航線規劃

嚴格按照技術設計書設計的參數和要求無偏差執行航拍作業。本次航測采用飛馬D2000 無人機結合D-0P3000 航攝相機作業，該機型具有高精度、長續航、大面積作業等一系列優勢。通過無人機管家，按照規范中對旁向、航向的重疊度的相關要求，綜合考慮區域地質和天氣狀況等因素，對無人機航線進行規劃。

（2）飛行實施

選擇天氣晴朗、微風且能見度高的時段實施作業，正確組裝旋翼無人機和航攝相機，并根據說明書中的檢查步驟對各設備進行逐一檢查。無人機完成作業后，對其所獲取的POS 點數據、影像數據進行及時下載保存、整理備份。無人機部分航線作業規劃如圖2 所示。

本次航飛歷時12 天，共計42.1 小時。每日飛行5～6 個架次，13 個區塊合計飛行64 個架次，所做航片影像清晰，無漏洞，重疊度符合要求。地面分辨率小于3 cm，總片數231 095 張?？紤]到井田四周地形圖的精度，航飛時沿邊界向外擴大0.5 m，實際航測面積為73.20 km2。預計航飛時間32.38 h，因為傾斜攝影每個區塊外擴4 條航線，實際航飛時間42.1 h。

（3）GPS 解算

GPS 解算，即利用相機檢校和改正功能對所獲取的影像數據進行處理[3]。

①由每個像控點的平面坐標和經緯度求取了測區范圍內的七參數。

②通過POS 數據及地面參數對所獲取的每張影像實施后處理解算，從而得出其外方位元素。

（4）空三處理

①通過所獲取的影像數據及空中三角測量加密成果，采用影像密集匹配技術，從而得出影像匹配點云數據。

②通過深度密集點云數據構建TIN 模型。

③利用第五鏡頭的影像資料，通過無人機管家軟件的智能控制點測量、一鍵匹配和空三解算等功能，得到精度報告、點云、DEM、DOM、空三結果及無畸變影像，最后在EPS 中生成模型，導入第三方立測軟件進行內業編輯成圖[4]。

3.4 外業調繪

調繪工作可確保地形圖的地理精度滿足工程使用要求。調繪的內容包括房屋結構、層數，陽臺、飄樓及房檐情況；管線（電力線和通訊線）連線，植被信息，溝渠流向；道路的名稱、鋪設材料；企業單位名稱；耕地為旱地還是水澆地；經濟林品種等，具體工作以規范、設計為準。

3.5 內業成圖

采用EPS 三維測圖構建立體像對和CASS10.1軟件，進行內業的立體采編和繪制。數據采集依照規定的層色進行各要素的采集，根據模型對地形的特征線、斷裂線、等高線、碎部點、散點和所有地物、地貌元素的三維數據進行采集[5]。等高線采集首曲線等高距1 m，碎部點高程測至0.01 m，其密度在圖上每100 cm2內注記10～15 個點，首選地物、地形特征點。如在電線轉折點分岔點及高壓電桿要測注電桿的地面高程，鐵路軌頂（曲線段取內軌項），公路及大車路的路面中心（每隔100～200 m）及交叉轉折處、車行橋面等測注高程注記點。隧道、涵洞測注底面高程。河流、小溪及水塘水涯線上圖上每隔10～15 cm測注一個水位高程點。

4 結論

1）本次測量工作內外業歷時33 天，完成主要工作量包括：

（1）施測E 級GPS 控制點22 個。

（2）航測井田范圍內影像71.394 7 km2，實際影像73.21 km2。測量像控點435 個。

（3）處理正射影像和三維模型各71.394 7 km2。

（4） 施測1∶2 000 數字化地形圖71.394 7 km2?？s編井田范圍1∶5 000、1∶10 000 地形圖各一份。

（5）分幅打印了井田范圍內81 張1∶2 000 地形圖。

2）存在的問題及下一步措施：

（1）該測量區域地形起伏不大，視野開闊，但控制點的選取難度大，衛星信號接受干擾因素較多，因此只有采取延長觀測時間來提高控制點的精度。

（2）測量施工期間雖然為冬季，地表植被稀少，但有些地方仍有荒草，植物秸稈等覆蓋，因此不便于整體提取高程，我們采用鼠標在裸地采集必要的特征點，合計采集高程點84.495 8 萬個，每平方公里平均1.18 萬個高程點，保證了等高線的走向正確性，但弊病是等高線看起來不是很流暢，需要在后期進行處理。

（3）長子縣為農業大縣，井田范圍內涉及到42 個村莊及縣城東部部分居民區，地勢較為平坦，老百姓以種植玉米、蔬菜為主，隨著礦區工作面的回采，塌陷的區域將越來越多，直接影響到當地百姓的種植，因此需要礦方和當地政府注意地形圖的更新和土地生態修復工作。