无人机在露天采场大比例尺地形测绘中的应用分析

张桢哲

（宝鸡西北有色七一七总队有限公司，陕西 宝鸡 721012）

无人机摄影测量技术是一种比较热门的测量技术，目前应用比较广泛。它改变了人们以往常规测量的工作模式，能更为快速便捷地对作业区实施测绘工作，其应用范围非常广泛，尤其在矿山露天采场的治理、土地复垦、泥石流滑坡等地质灾害的前期勘察工作中使用得越来越频繁。通过无人机进行前期的地形测绘，可以节省大量野外作业的时间。

在近几年的发展过程中，无人机的类型和技术发展比较迅速，通过在无人机摄影平台上安装较高分辨率的相机，可以应用在测图精度1∶1000和1∶2000等大比例尺的地形图测绘中。和常规测量相比，无人机测量有着时间短、操作方便、效率高、成本低等一系列特点，尤其是在地形陡峭复杂等地区具有明显的优势。无人机分多旋翼和固定翼两种，多旋翼机对起飞场地的起飞要求不高但是飞行时间短，固定翼的机型对起飞场地起飞要求相对较高但是飞行时间长。不管是哪种机型都能获取高分辨率的影像，而且可以实时分析作业区的地形状况、排查地质灾害点并进行调查。

1 无人机摄影测量工作原理

无人机测量的原理是在飞行过程中通过底部安装的多镜头相机，从各个角度实时、快速地采集地面影像，然后通过相应的数据处理软件对数据进行处理，生成各种测量成果并应用于生产。

2 无人机摄影测量的特点

无人机航空摄影测量除了可以制作数字线化图、数字高程模型，还可以通过一些三维建模软件快速可靠地生产三维模型，主要是采集框架数据、纹理数据和属性数据，然后通过影像定向、校正和平差等集合运算进行处理，生成点云数据，建立TIN模型，再将纹理贴合在建好的模型上，并对模型进行编辑建立立体真实的三维模型，具有高效、高精度、真实感等特点。文章主要以某座矿山的露天采场的土地恢复治理工程作业前期勘察为例，介绍了无人机在1∶2000地形图测绘方面的应用分析。

3 项目介绍

陕西省凤县地区某个矿山露天采场关闭后需要进行矿山恢复治理工作，在前期的地形和地质灾害点的勘察中，如果采用常规测量方法，由于采场陡峭，地形复杂，难以及时完成测绘任务，无法给后期的勘察工作节省时间；再加上测区存在崩塌、滑坡隐患，给野外测量工作带来极大的不安全性。针对以上问题，作业组通过比较分析决定采用无人机测量方法采集数据并绘制作业区的地形图。

3.1 无人机参数介绍

该项目主要采用的是赛尔M600电动六轴无人机，具有高可靠性、飞行性能好、使用便捷等特点。整机重量9.1kg，工作飞行重量15.1kg，可工作时间35min，可以承受风速8m/s的影响，在无风环境中速度可以达到18m/s，巡航时间30min。无人机选择搭载SHARE-100 五镜头相机，焦距为35min。

3.2 作业前准备

作业前收集测区附近的高等级控制点、地形地质图、气候条件以及飞行区域的空域条件，对无人机的各项工作指标和性能进行详细检查，并且进行了作业场地的试飞。摄影测量工作根据天气情况选择在摄区晴天、大气透明度较好的这几天，因为这样可以使得光照充足而且避免了过大的阴影，将来也便于影像的判读和刺点。

航摄作业前还应确定工作区是否要进行分区，一般根据测区面积的大小、比例尺和最小跨度等确定。如果要进行分区的话，还应在满足各项参数的情况下尽量少分区，同时各分区在进行影像连接时重叠度也应满足规范要求。

3.3 无人机飞行要求

无人机在具体的操作过程中，可以直接通过相应的软件来对飞行航线进行设计。在具体的作业过程中对于作业飞行路线设计时应参照规范《1∶500 1∶1000 1∶2000地形图航空摄影测量外业规范》的飞行要求尽量东西飞行，特别注意在工作区的最高点处要保证和图廓吻合。为了满足数据处理的要求，在重叠度的设置上，航向不低于80%，旁向不低于60%。首末航线应该位于作业区的界线上或之外，旁向覆盖超越界线应该不少于相幅的50%，最少不少于30%，按图幅中心线或相邻公共图廓敷设航线或者分区时，超出的航线界线或分区界线不少于相幅的12%；航向两头要超出工作区各不少于一条基线；航线上相邻两张像片高差不大于30m，同航线最大最小航高差不大于50m。

3.4 相控点测量

相控点的布设是在实地钉木桩，然后在周围洒上白石灰，做成十字形状，这样做的好处是便于将来影像的判读和观测。像控点按规范要求应该选在旁向重合的中线附近，离开方位线的距离应大于像幅宽的20%，距影像边缘不应小于0.1cm或50个像素。像控点的目标信息应清晰，易于判读、刺点，可以选在线状地物交点、明显地物拐角点以及高程起伏较小或者一直相对固定且易于准确定位和量测的地方，但是弧线地物及暗影处不能作为点位目标。因为工作区面积小，所以相控点的量测采用GPS-RTK作业的方法按照精度要求测量平面坐标和高程，平面采用四参数，高程采用拟合高程。

3.5 航摄内业数据处理

根据无人机采集的照片数据、地面相控点和POS数据来进行定向、空三加密、平差、点云数据处理，构建TIN纹理贴图、创建三维模型然后输出建模成果。建立的三维模型要能够准确、精细地表达出建模主体的真实情况和具体细节的表现。裸眼旋转三维模型确认地物类型和位置，勾绘地物，再进行少量外业调绘，最终绘制1∶2000地形图。

3.6 三维模型制作

制作三维模型采用ContextCapture Master软件。ContextCapture Master是市场上较为成熟的无人机数据影像处理软件，可以自动配准影像、畸变改正，自动生成抽稀的三维点云，自动生成三维模型并进行纹理贴合。在软件实际操作中，可以将摄区分割成多个模型单元进行处理，处理完后可以使用相关的软件进行拼接，提高工作效率。

3.7 地形数据采集

基于清华山维EPS平台三维测图模块，加载实景三维模型，采用一体化测图模式进行高程点数据的采集，然后基于南方CASS平台，加载正射影像图，完成地物属性信息采集，利用高程数据生成等高线、编绘地形图。另外，对于树叶遮挡大、影像阴影区域及影像模糊地区等要在野外配合常规测量方法进行补偿，属性信息难以判读的要在野外进行调绘。最后，对制作好的地形图进行检查，无误后提交成果。

4 精度分析

为了检验地形图的精度和三维模型的精度是否符合规范和项目的要求，在工作区均匀的采集点位进行检测，一共选取了14个检测点，且位置明显，利用全站仪配合RTK进行了实地测量并且对点位进行了检查，计算了平面位置中误差和高程中误差。各检查点精度如表1所示。

表1 检查点精度统计表

规范要求城镇建筑区、工矿区图上地物点的点位中误差小于图上0.6m，高程中误差应小于2/3基本等高距。通过上表中数据可以根据中误差计算公式计算得到平面点位中误差为0.46m（实地为1.2m的要求）；抽查的高程中误差为0.47m，小于2/3基本等高距（实地1.3m），说明成果精度均满足规范要求。

5 结束语

通过分析可以知道，无人机应用于大比例尺的地形图测绘完全可以满足工程建设的需要。由于野外地形陡峭复杂，采用无人机可以快速提高数据采集获取的速度，大大节省项目人员在野外测量作业的时间，还可以节约野外成本。无人机的三维建模可以很直观地在电脑上发现作业现场的不利因素和地质灾害，方便了地质人员对这些问题进行分析处理，然后根据这些问题提出更好的设计方案，从而及时地处理各种矿山地质环境问题。但是不足之处仍然比较多，如：（1）无人机在进行作业时由于电池容量小，运行时间比较短，而且受天气温度变化影响大，如气温低会降低飞行时间；（2）山区地形复杂高差大而且植被覆盖密集地区无人机摄影一般难以达到预期的精度；（3）受到地形、建筑布局等因素的影响会存在一些盲区，这部分盲区需要在野外利用仪器实地测量和调汇。随着无人机航摄系统的软硬件不断改善，其测量的精度也会越来越高，应用的范围也会越来越广，也能更好地服务于各个工程建设项目。