低空无人机航摄测量在矿区变化监测中的应用研究

顾建峰

（江苏省有色金属华东地质勘查局，江苏 南京 210007）

矿区测量是获取矿区地形数据的重要手段，矿区变化监测产作为安全生产的重要任务，对时效性的要求也随之提高，无人机技术的发展为矿区快速变化监测提供了技术支持。

1 矿区变化监测的设计方案

1.1 矿区概况

本文矿区是位于安徽省淮南市的一大型煤矿，矿层平均厚度20m，具有分布集中、可开采矿层多的特点。在长期开采后出现了沉陷现象，且范围广、深度大，影响到了该地区居民的居住生活和矿区的生产安全，因此矿区变化监测的时效性显得尤为重要[1-3]。

1.2 无人机平台及载荷

本方案选用的是大疆四旋翼无人机平台，最大飞行高度500m，平台载荷1.8KG。搭载“Zenmuse X3”的数码相机装置，有效像素4000X3000，满足1:500至1:2000比例尺的DOM成像分辨率要求。

1.3 航线设计与规划

无人机设备航拍的重叠和旁向重叠范围分别为80%和50%，设计50m、75m、100m三个相对航高，同时可以形成正射影像和立体正射影像对。

影像拍摄设计11条航线，倾斜影像设计20条航线（见图1），航线自北向南，航向自西向东。

图1 无人机航线设计

图2 平面坐标误差分布

1.4 对比辅助数据的获取

在无人机航拍之后，需要在重叠区域内有已知控制点来对像片进行纠偏处理，同时与地面坐标系连接。这部分控制点坐标需要通过野外实测获取，布设时要选择在影像上成像清晰，容易判别的点位。

2 航测数据处理结果分析

2.1 影像数据预处理

无人机在航拍的过程中，由于地形起伏、气温变化、光照强度不一等因素的影像，获取的图像会有噪声干扰。同时镜头畸变也会对影像质量造成影像。为此，我们需要对影像进行图像校正、图像增强等预处理，同时进行辐射校正、几何校正。

2.2 基于数字摄影测量网格系统的内业出数据处理

完成影像预处理后，通过Pix4d mapper软件，选取像控点11个，进行初始化处理，然后点云和纹理，再进行DSM和正射影像，输入约束条件即可得到符合精度要求的三维重建模型（DSM、DOM），由于软件处理方法、步骤等前人讨论较多，本文不再详述。

2.3 精度分析

由于我们在设计方案中加入了控制点，模型精度显著提高，本文精度分析参照的是《遥感影像平面图制作规范》（GB/T 15968-2008）和《1:500 1:1000 1:2000地形图航空摄影测量内业规范》（GB/T 7930-2008）等国家规范，且在分析时结合矿区原有同比例尺地图。

对于平面精度的评价，本文选取11个像控点为平面位置的真实值，通过分析成图分辨率、均方根误差及坐标误差值，将平面的点位坐标误差展到对应坐标系中（见图2），对应相应航高，平面点的中误差最小的是相对航高50m的0.098m，最高的为相对航高100m的0.122m，均符合设计中的国家规范。

对于高程精度的评价，由于矿区地表植被覆盖茂密，且处在临近水域的位置，高程精度误差相对较高，但在无植被覆盖的地区，误差显著缩小。具体对比结果（见表1）。此次的试验结果符合前人的研究结论：影像获取的是地表覆盖物顶部的高程数据，而我们实际测量需要获取的是地表本身的高程数据，由此导致此手段在地表覆盖物较多的区域测绘制图的高程数据误差较大。

表1 高程点误差最大值/最小值（中误差）统计

3 无人机遥感在矿区变化监测中的应用

矿区的变化监测对安全生产安全，及矿区居民的居住生活安全至关重要，通过对不同时间段内的同一区域或物体进行观察来进行变化检测，能最大程度的发现潜在的危险因素。在矿区的安全生产管理部门，只要通过定期的无人机遥感拍摄，就可以获得最新的矿区地形图像，通过专业软件处理后，同前期数据对比，即可以直接检测地形的变化，提早发现危险，制定应急预案。在遇到突发事件时，如地震、洪水等自然灾害及其带来的次生灾害时，无人机体积小，方便携带，且响应速度快，能替代人工直接进入危险区域，确保第一时间获得相应地形数据，评估灾害损失，制定抢救计划。

4 结语

本研究利用无人机获取矿区的影像数据，通过专业软件处理来生成三维重建模型，验证了模型结果的平面和高程精度，得到了以下结论：①低空无人机摄影测量在矿区变化监测方面能提供符合国家规范要求的数据，可作为今后矿区日常变化监测的测量手段。②验证了前人关于无人机摄影测量在高程测量方面精度不够的论点，进一步揭示摄影测量在高程精度提高方面的难点，为今后的无人机遥感在高程测量方面的改进提供借鉴。③无人机作业极大提高了作业效率，且成本低、响应速度快，且在面对突发情况时能避免人员进入危险区域，与传统作业方法相比，在对精度要求不高的地质矿产测量领域优势明显。