矿山地质测绘中利用无人机高清摄影测量的精度研究

刘德亮

（吉林省煤田地质局物测队，吉林 长春 130033）

矿山资源的开采为我国经济的发展作出了巨大的贡献，与此同时，矿山资源枯竭、矿山周边环境恶化、矿山地质灾害等环境和资源问题也接踵而来。在传统的矿山地质测绘中，通常需要测绘人员进入矿山实地勘察，然后使用大比例尺绘图的方式对整个矿山内的地质环境进行测量。这种作业方式往往具备很长的周期，效率极低，且误差率极大，以肉眼或小范围的测量工具测量那些矿山地质，其测绘精度很难保证。但是在科技的不断发展下，无人机高清摄影测量技术被发现，以往的实际经验也表明，无人机高清摄影测量技术在对平原、丘陵、湖泊等自然地区进行测绘都拥有精度较高的成果。因此本文尝试将无人机高清摄影测量引入矿山地质测绘工作，并对其精度进行分析研究。

1 利用无人机摄影测量进行矿山地质测绘的可行性分析

无人机高清摄影测量技术主要由具备高分辨率的数码摄像传感器、无人机发射平台、无人机机身、导航定位装置、计算机计算系统等相关部分组成。其在矿山地质测绘方面具备的优势主要体现在以下几个方面：第一，无人机高清摄影测量能够拍摄出分辨率极高的影像。无人机在矿山中进行地质测绘时可以在机身上携带高分辨率的摄影传感器，这些传感器能够在低空摄影中拍摄出厘米单位的地面影像[1]。这样程度的分辨率能够使大多数的测绘工程得到满足，基本上所有的比例都能通过无人机高清摄影测量的传感器所拍摄，并按要求进行缩放，这样能够自动缩放拉伸且分辨率极高的摄影设备是人工探测所难以匹敌的。第二，无人机高清摄影测量不仅能够得到高清图像，其对于图像数据的处理和传输速度也很快。无人机在无人驾驶模式下能够自动低空飞行并收集影像数据，这些影像数据通过整理能够变为测绘数据，这样的空中摄影相对于地面人工测量最主要的优势就是其对于空间领域的应用。因此，在无人机能够应用之后，只要天气允许，就能够随时开始进行矿山地质测绘，以确保数据资料更新的实时性和准确性。第三，无人机高清摄影测量技术的成本相对于地面人工测量低廉许多。由于无人机的全自动性，在进行矿山地质测绘的过程中不需要工作人员的参与，无人机自身就能够及时传输回全面的影像数据。只有在无人机传输回高清影像之后，才需要后期影像制作人员进行影像数据的处理和解译。这样的无人机高清摄影测量操作简单，节约了大量的人工成本，性价比极高，利用最小的经济和时间成本解决了问题。因此，在矿山地质测绘中使用无人机高清摄影测量技术具备极大的可行性。

2 无人机在矿山地质测绘中的作业流程研究

图1 无人机高清摄影测绘流程

使用无人机进行矿山地质测绘需要首先由工作人员进行实地勘探，然后才能放出无人机航空摄影，最后在计算机中进行影像数据的内业处理。具体的测绘流程如图1所示。

如上图所示，在使用无人机之前需要首先有工作人员去矿山进行野外地形勘探，并选择像控点的地址。然后在选定的像控点实地布设并进行像控点的坐标测定。此时应同步计算像控点的摄影区间，判断无人机的航测范围是否大于摄影区间，若航测范围确实大于摄影区间则可以进行下一步，若航测范围小于摄影区间，则需要重新布设像控点[2]。接着开始特征点和地物信息的补测，标定地物特征点，将电线杆、水井等不易判读的影像人工拍摄下来并做好标记。此时就可以放出无人机进行矿山地质测绘，需要依据航测范围的具体地形设定各项无人机飞行数据，调校相机参数，无人机在飞行过程中会自动开始摄影。无人机的飞行参数设置如表1所示。

表1 无人机飞行参数

无人机数据收集完毕之后，就可以开始内业工作。需要测绘内业工作人员利用ArcGis或者南方CASS等专业的绘图软件将无人机拍摄的影像资料拼接起来，生成一个完整的云数据正射影像图。然后经过数字成图处理，提取云数据并获取布设点坐标，最后得到矿山地质测绘的地形图。

3 无人机摄影测绘精度分析

在整个使用无人机高清摄影测量技术进行矿山地质测绘的过程中，由于该过程中使用的是镜头拼接的测绘方式，不可避免地会产生误差，这些误差主要来自于镜头畸变、影像质量、像控布设方案误差、像片重叠等四个部分。其中不会有误差的量测相机造价过于昂贵，因此大多数的无人机都是使用非量测误差，如此就会产生镜头畸变问题。因此，为减小矿山地质测绘的误差，就需要对其进行修正。摄像机的镜头畸变主要分为径向畸变和切向畸变。在径向畸变中，因为相机中的透镜组不完善，修正公式如下所示：

式中，Δxd、Δyd为摄像头切向畸变的坐标点；p1、p2为无人机高清摄像头的切向畸变参数。

由影像质量产生的误差主要是由于无人机在空中飞行，由于发动机震荡、摆动等因素，使得高清摄像头在曝光时成像模糊，产生了拖尾现象，这样的影像质量问题又被称为影像位移[3]。影像位移能够影响到无人机所拍摄的影像最终的成图效果，使分辨率降低，加大后期内业图像拼接的难度。若影像质量过低，不仅浪费时间，还会难以控制最终成型的精度。因此，最好的控制无人机高清摄影测量过程中影像精度的方法，就是减少曝光时间，曝光时间缩短，相对位移的移动距离自然就会减小，其图像的清晰度就会增加，所得到的影像数据精度就能够达到标准。

由像控布设方案产生的精度误差，通常都是在最开始的像控布设阶段计算错误，导致控制点或平面高程出现错误，从而产生精度误差。目前为止，还没有能够完美计算像控布设点的公式，因此现如今的像控布设点基本都是由经验作为依据。因此，为了保证最终无人机摄影的精度，需要尽量减少工作人员的人工工作项目，增大无人机的自动运行机制，这样既可以增大工作效率，也能够减少无人机摄影测量的精度误差。

由影像重叠度导致的精度误差，一般是由相邻的两幅影像资料所重叠的地物景观引起的。为了不漏算矿山地质信息，在无人机进行摄影测量之前，需要设置好参数信息中的飞行速度和摄影间距，防止信息错漏，但是这样一来又会导致信息重叠过大，从而产生精度误差。因此，需要严格把控两者之间的平衡。

无人机摄影测绘的精度可以由检查点、定向点、公共点的最大限差来计算得到，其具体数值如表2所示。

表2 定向点、检查点、公共点的最大限差

上表中的数据均是通过空中无人机坐标点加密与矿山地形分析时所测得的检查点、定向点、公共点的误差所计算得到。基本定向点的限值通常为连接点误差的0.85倍，检查点限值通常为连接点误差的1.3倍。表中各点的限差均为定向点的限差，公共点不参与计算，而是存在于多区域的控制点中。

4 结束语

综上所述，利用无人机高清摄影测量技术能够在矿山地质测绘方面拥有更好的效果。本文对无人机高清摄影测量技术在矿山地质测绘的作业流程进行了研究，并且分析了无人机数据设备制图过程中的精度问题，为更加精确的矿山地质测绘工程提供了理论参考。