无人机技术在数字矿山中的应用

王有业

(山西省地球物理化学勘查院，山西 运城 044004)

随着无人机低空遥感系统的推出，已快速发展为当前大比例尺地形图测绘的重要技术手段之一。而通过大比例尺地形图航测试验分析表明［1，2］，其精度完全满足要求。同时，无人机在应急测绘［3］、小城镇、新农村建设测绘和困难地区测绘中都发挥着重要的作用。这些小区域无人机技术的应用，使得采用无人机低空遥感系统进行矿山地形图快速更新就成为可能。张太鹏等人［4］就无人机在矿山测量中的应用做出了探讨，但仅仅是从思路和可行性上进行了探讨，并没对具体的应用做分析。山西作为我国的产煤大省，数字矿山建设已经取得了阶段性成果，探讨无人机技术在数字矿山中的应用，提供矿山基础信息数据更新技术，对保障山西省煤炭经济的可持续发展具有重要意义。

1 无人机低空遥感系统

1.1 技术特点

1)快速响应。无人机是低空飞行，可在短时间内完成升空准备，操作简单，空域申请便利，同时降低了对天气条件的要求。无人机系统可迅速到达指定工作区，完成测绘任务。对时间要求较高的测量工作无人机体现出无可比拟的优势。

2)高分辨率影像数据获取能力。无人机可获取超高分辨率数字影像数据，并可针对特殊监测目标搭载全色波段、单波段、多波段等传感器，并可进行多角度摄影。

3)成本低廉，易于维护。相对于载人大飞机航摄系统，无人机低空遥感系统购置费用较低，且其运营成本、维护成本和操作成本都远远低于载人机系统。

4)多样化数字产品。主要的数字产品包括全景影像图(将几十km2测区的影像拼接成一幅全景影像图，并可以逐级放大任意漫游)、数字高程模型、数字正射影像、数字线划图、影像地形图 、三维影像地图、三维景观图等。

1.2 应用领域

1)应急测绘领域。近些年，我国自然灾害频繁发生，平均每年因各类地质灾害所造成的直接经济损失近2 000亿元。无人机的快速响应能力使其广泛应用于地震灾害应急测绘;地质灾害应急测绘;洪水灾害应急测绘和雪灾应急测绘等灾害应急工作中。

2)小城镇、新农村建设测绘。目前，我国拥有约3万个小城镇、65万个行政村、257万个自然村。这些村庄分布广、面积较小，基本都在几km2以下。采用传统的大飞机航空摄影测量显然成本太高，而无人机所获取的高分辨率影像在制作大比例尺地形图方面优势明显。

1.3 无人机低空遥感系统

基于小型无人机遥感平台构建的摄影测量系统主要由以下几部分组成:1)小型无人机飞行平台;2)飞行控制系统;3)影像获取设备;4)通信设备;5)遥控设备;6)地面信息接收与处理设备。国产Quickeye(快眼)系列无人机见图1，图2。

2 无人机在数字矿山建设中的应用

数字矿山建设中，矿区大比例尺地形图、正射影像图、DEM、三维景观图等是数字矿山的重要基础数据。采用传统方法进行这些数据获取效率较低，费用高，而大飞机从成本上考虑不能在矿区这样的小范围内进行相应的航空摄影。随着固定翼轻型低空无人飞机技术的发展和GPS自动驾驶技术的运用，以及基于无人机低空影像生产DEM和DOM的技术不断成熟，利用无人飞机进行大比例尺地形图测绘和航空摄影成为现实。无人机所体现的低成本、高效率，且所获取的数据具有很强的现势性等特点，对数字矿山建设和矿山灾害应急支持均具有重要的意义。

山西某矿区地处吕梁山脉南端，山岭重叠，沟壑纵横，总体地势东北高，西南低，最高点标高为1 618.5 m，最低点标高为1 083.3 m，最大相对高差535.2 m。矿界面积为:22.981 4 km2，外扩 200 m 面积为:28.668 3 km2，取正后面积为:52.644 6 km2。为实现矿山数字化建设，采用无人机低空遥感系统进行了矿区大比例尺地形图测绘工作和正射影像图生产。技术流程见图3。

图3 生产技术流程图

2.1 技术流程

1)像片控制测量。像片控制点测量是航测内业加密和测图的依据，是影响成图精度的主要因素。野外像片控制点的布设按照《1∶500、1∶1000、1∶2000地形图航空摄影测量外业规范》中区域网布点要求进行布设。

像片控制点的选刺是航测外业工作的重要环节，实地选刺目标大都是较小的地物，并在相关像片上影像清晰，考虑到易于内业转刺，刺点后在现场编绘点位文字说明和略图，准确表述了点位与周围相关地物的关系。

2)内业数据采集与地形图编辑。地物、地貌测绘作业方法采用以人工作业为主的三维跟踪立体测图方法，作业方式为外业调绘、采编一体化的测图方式。按规范要求分层进行地貌和地物要素的数据采集，生成*.DXF标准格式的地形图数据文件。完成后导入南方CASS7.1软件，加上外业调绘内容进行地形图编辑，编辑时均按照图式规定进行。

3)数字正射影像图制作。对每个像对按5 m格网间距生成DEM，分别编辑。另根据航空像片的内外方位元素和DEM对数字化的航空像片进行数字微分纠正得到正射影像，不同像对的正射影像经镶嵌、图廓裁切、色彩平衡处理、图廓整饰等步骤，完成矿区数字正射影像图DOM制作，见图4，图5。

2.2 精度分析

1)数字化测图精度分析。矿区地形全部为山地地形，所以对通讯线、低压电力线、管线的平面位置图上中误差放宽到地物点对附近野外控制点的平面位置中误差的1.2倍。内业加密点对最近野外控制点的图上点位中误差为0.55 mm，实地计1.1 m;地物点对最近野外控制点的图上点位中误差为0.8 mm，实地计1.6 m。

内业加密点对最近野外控制点的高程中误差为0.8 m;内业高程注记点对最近野外控制点的高程中误差为1.2 m;等高线对最近野外控制点的高程中误差为1.5 m。

2)数字正射影像图质量分析。所生成的矿区正射影像图数据覆盖范围符合要求;对左、右正射影像进行零立体观测检查，没有出现明显的地形起伏;整景正射影像图色彩均衡、色调一致，反差适中，完全满足遥感影像平面图的质量要求。

3 结束语

近年来，基于无人机低空遥感系统的 DEM、DOM、大比例地形图快速生产技术不断成熟，这为小范围基础地理数据快速获取及应用提供了支持。对比各种测图技术、数字化测图技术已完全取代传统测图技术，而基于无人机低空遥感系统的大比例地形图测绘技术是数字化测图的重要组成部分。作为数字矿山建设中的重要基础数据，大比例尺地形图和正射影像生产需要高效、低成本。而无人机技术完全可以满足这些要求。因此，本文对无人机技术在数字矿山建设中的应用做了探讨，以期对推广无人机技术在矿山领域的更广泛应用。

［1］何 敬，李永树，徐京华，等.无人机影像制作大比例尺地形图试验分析［J］.测绘通报，2009(8):24－27.

［2］王志豪，刘 萍.无人机航摄系统大比例尺测图试验分析［J］.测绘通报，2011(7):18－20.

［3］杨瑞奇，孙 健，张 勇.基于无人机数字航摄系统的快速测绘［J］.遥感信息，2010(3):108－111.

［4］张太鹏，宋会传.无人机技术在现代矿山测量中的应用探讨［J］.矿山测量，2010(3):44－46.