旋翼无人机倾斜航空测量在矿山测量中的应用

邓 毅

(安徽省地质测绘技术院，安徽 合肥 230022)

我国北斗系统的成功应用推动了我国实时动态定位技术的发展，加快了动态定位技术的广泛应用，如无人机航测技术、车载定位技术以及手机导航定位技术等。实时动态定位技术提高了无人机航测精度，尤其在大比例尺地形图测量方面。传统的地形测量以二维测量为主，对建设“三维矿山”、“立体矿山”和“智慧化矿山”不利，但无人机航测技术避免了二维测绘的弊端，实现了三维测绘的目的[1-2]。旋翼无人机具有机身小、机动灵活的优势，因此常用于矿山测量中。本文应用旋翼无人机倾斜摄影测量技术对安徽省某露天矿山进行了1∶2000大比例尺地形图测量，分析其在矿山测量中的应用效果。

1 旋翼无人机倾斜摄影测量概况

1.1 旋翼无人机基本概况

本次大比例尺地形测量使用的无人机型号为广州南方测绘科技股份有限公司生产的HO1300型无人机，主要由飞行器、遥控器、云台相机以及配套使用的South Ground Control地面站等组成(图1)。同时，在该无人机上搭载南方测绘数字倾斜航摄仪和高精度防抖云台以及2 430万像素图像传感器，配备2块22 000 mAh的高能量密度动力电池和高效率的动力系统，其最大平飞速度可达10 m/s，最大续航时间可达50 min。南方测绘数字倾斜航摄仪以能够同时获取多方位、多角度的航空影像数据而区别于传统的垂直航测技术，即该技术通过配置倾斜方向上的摄影相机，获得不同侧面的航空影像数据，降低了影像数据的“留白”问题，提高了地形测量的精度。HO1300型无人机在矿山测量中具有良好的应用优势，主要体现在：①HO1300型无人机能够搭载单镜头相机、全景相机、多光谱相机、三维激光扫描仪等仪器，可根据测量需求灵活变动，进而满足矿山测量需求；②无人机采用碳纤复合材料，机身轻，强度大，刚度高，确保了无人机飞行的稳定性；③支撑双飞控系统，无人机飞行安全度高，同时减轻了操作难度；④便于携带，无人机安装简单，同时机臂折叠后内收角度增大，大幅降低包装收纳体积，机身设计抗震防摔，使运输更便捷。

图1 H01300型八旋翼无人机硬件组成图

1.2 倾斜航空测量技术基本原理

传统的无人机航测技术以垂直测量为主，仅能获取垂直方向的航空影像数据，导致影像数据无法更细致地反映测绘区域的真实面貌。倾斜航空测量技术通过搭载多角度、多方位的摄影相机而实现了从不同方向获取测绘区域面貌的目的，有效避免了垂直摄影技术无法从侧面获取测绘区域信息的缺陷，不仅能对三维建模、立体矿山和智慧化矿山建设有利，而且显著提升了测量精度[3]。倾斜航空测量技术在矿山测量中的应用主要包括航飞参数设计、预处理、空中三角加密和地形图制作等步骤，其应用流程见图2。

图2 旋翼无人机倾斜航测技术应用流程示意图

2 旋翼无人机倾斜航空测量在矿山测量中的应用

2.1 原始数据采集

根据安徽省某露天矿山所在区域的气候状况以及地形地貌，选择数据采集时间为每年的5—8月份上午10时至下午3时。由于矿山地形地貌起伏变化相对较小，故本次将测绘区域划分为1个飞行区，设置飞行高度为300 m，设计航向重叠度和旁向重叠度均为65%～70%。

2.2 像控点布设

像控点测量是提高测量成果精度的基础，本次像控点的布设以及测量遵循以下6个原则：(1)像控点的布设应根据测绘区域的地形地貌确定其密度，在地形地貌变化较大的区域可适当加密布设，在地形地貌变化小的区域可适当抽稀布设，由于测绘区域的地形地貌变化相对较小，故本次采用的像控点密度为2.5点/km2；(2)像控点一般布设在旁向大于100 m，且航向基线不少于1条的区域[4]；(3)像控点的位置应选择在容易识别的地形地貌中，且不应存在争议，如房屋的房角、田坎的田角以及地形较高的山头处等部位；(4)像控点的布设应尽可能避开高大建筑物或者植被发育的区域，该区域容易因遮挡而造成航空影像数据中识别不清晰或者完全被遮挡，对整体测绘精度影响较大；(5)像控点的布设应尽可能避开较大水域区域，这是由于水域的水面变化较大，对测量精度影响较大；(6)像控点的布设应以重复利用为基本原则，故一般布设在交通条件相对较好、容易保护的区域，便于作为校正点。

2.3 空中三角加密处理

虽然倾斜航空测量有效避免了垂直航空测量仅能从垂直方向获取影像数据的弊端，显著减少了影像数据中的“留白”，但是通过该技术获得的影像数据中不可避免地存在因高大建筑物、植被等遮挡而出现的“留白”，导致局部区域的影像质量无法达到精度要求，此时可通过空中三角加密处理解决该问题。空中三角加密处理是借助无人机航拍过程中定位系统自动存储的POS数据文件对其进行方位元素的预测处理，将高大建筑物、植被等影响因素剔除，能够有效提高测绘精度。在完成空中三角加密处理后输出成果图件，自动生成DSM、DOM等成果。

2.4 地形图制作

在完成空中三角加密测量后，使用MapMatrix全数字摄影测量系统采集地形数据，自动化生产出1∶2000地形线划图，并对自动生成的DLG数字线划图进行核查。若存在问题，应及时检查测量数据的正确性，直至数据无误后生成最终的DLG数字线划图。完成后，通过手动处理的方式增加其他地理信息，如水系、高程以及房屋等信息，其稀疏稠密应按照相应比例尺合理布局，避免各类标记点过于稠密或者稀疏。

2.5 精度对比

为对比分析旋翼无人机倾斜航空测量技术在矿山测量中的精度，本文以矿山范围内的像控点和水准点为参考点进行了对比测量，结果见表1。由表1可知，应用旋翼无人机倾斜航空测量所获特征点的三维坐标与全站仪所获的三维坐标相比，其平面位置中误差平均值为±0.24 m，中误差最大值为0.31 m，高程位置中误差平均值为±0.103 m，中误差最大值为±0.161 m，误差符合1/2000矿山大比例尺地形图测量的精度需求。

表1 旋翼无人机倾斜航空测量与全站仪测量精度对比表(m)

3 结论

综上所述，旋翼无人机倾斜航空测量技术在矿山测量中具有明显的优势，不仅提高了测量工作效率，降低了测绘成本，而且所获成果图件精度高，完全满足矿山建设对大比例尺地形图精度的基本要求。