无人机遥感测绘技术在矿山地质测绘中的应用效果分析

陈子丰

（江西都昌金鼎邬钼矿业有限公司，江西 九江 332600）

由于地质对象具有复杂性、不确定性和分布离散性，其他学科中已经成熟的建模方式不能应用于地质学，需要结合传统的地质勘探学、计算机技术、地理信息系统等多学科的成果进行辅助，进行综合分析和解释。进入新世纪以来，国外对立体地质建模的应用进行了广泛的研究[1]。立体地质建模的概念提出以来，这项技术已经被研讨了将近五十年，形成了一系列的理论成果和建模技术。很多研究人员也对数学建模的方式、立体地质数学建模和可视化方法等方面进行了研究。遥感飞行平台分为卫星遥感和航空遥感，航空遥感平台过去主要是载人飞机。无人机的优点主要体现在它的高机动性，也就是说在电机转速、电机范围、电机状况等方面加起来是任何载人飞机都无法比拟的，具有较强的环境适应性，有专门设置的起降场，对气象条件的要求较低，优越的低性能使得线上作业容易，从而大大提高了工作效率。无人机有极高的性价比，飞机的采购价格低，一般公司都能负担得起，使用成本很低，并且无需载人飞行，使操作者的安全压力大大降低。因此，无人机遥感技术在矿业领域的应用是一个值得研究的课题。

1 无人机遥感测绘技术的实现过程分析

1.1 无人机遥感测绘设备分析

目前，我国对于轻小型无人机在遥感测绘中的应用没有统一的标准和规范，大部分指标仍是参考传统航摄系统或现有超轻型载人飞机的技术指标。根据无人机数字遥感测绘的经验，提出了若干参考指标。车身和底盘的工作条件不同，应采用不同的材料。对于航拍无人机，传感器设备一般安装在机体内以便于与控制飞行系统的交互。因此，应预留空间安装摄影设备，摄影设备应是不受强振动和发动机油烟的影响，实现无遮挡的垂直摄影。

1.1.1 飞行平台设计

本文以高原航拍为目标，结合目前在我国执行遥感任务的无人机，选择马力大、动态性能好的“双引擎”无人机飞行平台，配备卧式对置双缸风冷发动机，单个单位可以输出马力转速。在正常情况下，双引擎只能以左右两种动力正常飞行。在单个引擎熄火的情况下，依靠另一个引擎仍然可以保持飞行。飞行器具有较大的有效载荷，机体空间相对较大，可以为旋转偏差校正头等辅助设备提供足够的空间和承载量。该机具有良好的抗风能力，可抵抗7级左右的风，确保在空气中有无序气流时不会失速下降。完整机体的比其他无人机更重，因此它在空中飞行更平稳，确保准确的轨迹，保持姿态比其他无人机更好。

图1 无人机示意图

样机交付时，一般不打开拍照窗口，可根据传感器的尺寸、形状和一些特殊要求进行修改。无人机传感器的数字使用遥感测绘都在机身，当转换器根据镜头的大小精确测量第一个景象时，摄影窗口的大小可以根据当时条件下的气动布局进行调整，尽可能对应摄影需要采用的宽度和高度。用这样的方式来满足不同情况下摄影的需要。拍摄窗口应选择离发动机尽可能远的，以减少发动机烟雾和振动的影响。另外在窗口边缘安装了8根垂直金属棒。在要求不同的宽窄图像的情况下对航拍的情况——对应，头部支架可以固定在机身上。

1.1.2 控制设备设计

控制模块是无人机数字遥感测绘的核心之一。一般来说，飞行控制模块主要由机载飞行控制部分和地面监控部分组成。主要包含机载自动驾驶系统、地面监测站、通信设备等。本文选择的飞行控制在中国得到了广泛的应用，包括自动驾驶仪和地面监测站。系统可以稳定的控制各种布局无人机，易于使用，高控制精度，导航自动飞行功能强，可以设置飞行速度、飞行高度，和有多种任务界面，方便用户使用各种设备的任务[2]。起飞后可立即关闭遥控器，进入自动导航模式，在地面站可任意设置飞行路径和飞行点，支持飞行过程中对飞行点和飞行目标点进行实时修改。另外，还有多种安全保护方案，最大限度地保障无人机的飞行安全和故障保护。当飞行器在飞行标准航线、整个射击区域操作完成或飞行计划临时改变时，必须给予飞行控制指令，通过地面站将目标点上传到初始控制器上。完成任务返回着陆点后，可以将飞行控制中记录的飞行位置和姿态信息下载到云端，并显示整个飞行轨迹。

1.1.3 适应测绘要求改进分析

一般的数码相机是非量测摄像头，图像容易变形并且结构不稳定。摄影测量中使用数码相机时，需要描绘数码相机的误差源。仔细分析以此确定其内部定向元素和描述中的参数和系统误差模型，在此基础上，对数码相机进行严格的检查和校准，可以考虑畸变差，将直接线性变换公式线性化，然后迭代求解，其初值由直接线性变换的线性解提供。通过空间前方三维图像的交点得到空间点的平面坐标的精度为：

由上式可知，空间前方交点的高程精度取决于三个因素：基高比越大，高程精度越好，基高比越大，高程精度越好，图像点坐标的测量精度越好，像点坐标测量精度越大。

1.2 无人机遥感测绘设备工作流程分析

1.2.1 航线设计

与传统航拍一样，无人机低空数字航拍也需要航路设计、航拍、质量检测等步骤。所不同的是，由于无人机数字遥感测绘的航路设计面积较小，不需要考虑地球曲率的变化。航拍质量检查可在航拍网站完成，无需打印照片。在一定条件下的图像控制必须首先制作出整个区域的快速拼接地图。例如雪域高原县的城市地区数字航拍必须使用快速拼图和电子图像穿刺。路线设计完成后，必须对设计条件进行检查，即主要检查测量区域最高点与最低点的地面分辨率的重叠程度。在设计时，在不超过最大分辨率的情况下，适当提高基准面，保证航向和横向重叠。

1.2.2 影像获取

航拍完成后，现场记录图像数据，并根据飞行过程中记录的曝光点坐标重新命名。通过不同路径存储，使图像名称一一对应曝光点坐标，便于通过转移曝光点，进行航拍质量检验。本文开发了航空摄影质量检测软件，用于检测图像的航向和横向重叠度以及旋转角度，并通过日常视觉判断图像的颜色。通过软件随时查看检查进度和不合格的重叠位置。合格和不合格重叠之间的照片用不同颜色的连接线显示。通过表格的分类功能，记录各航空公司，相邻照片之间的重叠和两个相邻航空公司，之间的横向重叠，并显示图像编号，方便快速查找重叠不合格图像。定点曝光后，所有重叠部分满足摄影测量的要求，自旋偏差校正后，图像之间的所有旋转和偏移角基本满足摄影测量的处理要求。

1.2.3 控制点测量

无人机航拍得到的图像相位小，照片数量多，一般不适合用显影照片进行图像控制测量。特别是在应急测绘条件或航空摄影条件恶劣的高原雪县市区，条件都比较困难，不能满足照片打印的要求，甚至打印，都必须使用现有的笔记本电脑进行图像控制测量。航空摄影领域团队可以进行快速的拼图后当场所有的检查都合格，检查该地区的人员通过使用简单的马赛克图像区域，选择控制点，满足需求和计划旅游路线测量控制点，整体形象映射到保证控制点的平滑测量。雪域高原作为主要控制区，在实施过程中，除了一个小县城，以单一的，基于植物的惩罚和整个无人区，山区，道路，不能满足传统航拍作为控制测量位置分布，我们根据实际情况选择了在测量区域的四个角布平部分高，布平部分在测量区域的四周[3]。插入点方案，要保证每个试验区至少有一个控制点和多个检查点。

2 矿山地质测绘实例验证

2.1 实验准备

试验区地形相对陡峭，台地前缘坡度陡峭，沟壑众多，地形复杂。从山谷到河岸顶部的相对高度差约600m。岸坡位于库区，与对岸岸坡距离近2公里。岸坡由于平台分散变形，岸坡山体表面松动，山体上部加固施工，坡面石料滑落、崩塌现象时有发生，另外，由于高陡边坡大部分地区难以到达，传统的测量方法存在很大的安全隐患。

利用无人机遥感技术获取岸坡空间图像的点云数据。坡度上采样点之间的间隔小于10cm。利用边坡变形监测点对坐标系统进行标定。对获取的点云数据进行去噪处理，人工去除结构和少量植被。经过处理后，在三维点云数据中只保留了地表高程点。在保证地形精度和地物的前提下，提取重要的地貌特征数据，用最小距离提取地表高程数据，得到地形图的测点和地物点坐标。扫描点云数据生成数字高程模型，通过数据处理生成1∶1000地形等高线图。利用高密度三维点云数据，提取坡面房屋、建筑、水电结构的外等高线，提取运河、道路的边界，将这些地物边界叠加在等高线上，绘制高程保留点，得到地形图。地形图精度测试主要检查其平面和高程点精度。

2.2 结论

由上文可知，影响高程精度的是基高比、像点坐标的量测精度和地面分辨率，因此在测量时要着重注意这些变量。为了完成检验工作，采用GPT-3002LN全站仪，现场测量地物点平面位置与高程注记点高程值，检查点主要位研究区的顶部人员可以到达区域，其高程中误差的具体统计分别见下表。

表1 统计表

由上表可知，使用无人机遥感测绘数据生成的该1∶1000地形图测量精度满足测量规范要求，应用效果良好。

3 结语

本文中，完成了一套无人机数字遥感测绘操作设备的集成以及应用技术方案和工作流，并通过无人机遥感技术对复杂地形研究区航空摄影和快速拼图并行处理，证明了这套操作设备的可行性。无人机数字遥感测绘设备的运行方式不再局限于等距曝光，实现了其指定曝光，但本文没有研究相应的地面软件传感器，监测其曝光和指挥台。后期人员可以研究通过监控相机曝光的地面站，掌握异常实时飞行，确定辅助飞行路线，上传补充条件下的飞行路线的方式，提高数据采集的效率，减少的链接地面检查。