无人机航测技术在矿山工程测量中的应用

黄 洋，晏 迪

在矿山工程当中，针对各类施工地质条件、地理坐标等参数的测量是开展各项矿山工程项目的基础。当前，该领域研究人员逐渐将如何实现矿山工程的快速、高精度测量作为研究的主要方向。随着当前现代无人机技术的发展，实现了对无人机航测技术的推动，同时也扩大了在矿山领域当中的应用范围。在实际应用中，该技术由于具备低成本、高精度等优势，因此被广泛应用于各类工程测量当中，但目前针对矿山领域当中工程测量应用及相关研究较少。基于此，本文针对当前传统矿山工程测量方法在实际应用中存在的精度低，无法为工程实施提供准确数据依据的问题，引入无人机航测技术，开展下述相关研究。

1 基于无人机航测技术的矿山工程测量方法设计

1.1 确定无人机计划航线

在利用无人机航测技术实现对矿山工程各项参数的测量时，为了确保获取到的影响符合后续使用要求，需要在保障无人机飞行次数尽可能低的条件下完成飞行任务。因此，在无人机飞行前，首先需要确定无人机计划航线，对其飞行路径进行布设。根据实际矿山工程所在位置的工况条件，结合区域地形地貌、天气变化以及无人机摄像头分辨率等因素，对航线进行设计。一般情况下，测量区域应当构成一个较为规则的形状，并且无人机的飞行航向应当尽可能朝向一个方向。根据实际矿山工程施工条件，可采用单镜头无人机完成航测，并且航向始终保持为“井”字形。由于无人机在飞行的过程中，为了确保测量精度，其飞行高度通常是保持不变的，因此应当在满足精度的条件下，尽可能地提高飞行的高度，避免其在飞行的过程中受到地面障碍物的影响，保障飞行安全。

根据无人机航高、测量样本采集间隔、摄像头焦距、像元尺寸，计算出无人机航高的最佳范围，还需要针对航线大致覆盖范围进行明确。针对无人机的航线设计，需要在综合考虑无人机航测的精确数据基础上开展。以无人机航测技术中常见的航摄比例为1：6000，像幅为0.25m×0.25m 为例，在其各项条件均达到理想状态时，其覆盖面积应为6000×0.25，进一步得出半张像片的有效覆盖面积应为（6000×0.25-90）/2，其中90 是指在航测过程中其工作边线距离与航测像片边界的实际距离。根据上述论述思路，可实现对不同型号无人机航测航线覆盖范围的确定。上述无人机计划航线的高度和覆盖范围都是在理想状态下得出，但在实际情况中，由于受到地理条件和周围环境的影响，无法达到理想航测状态。因此，在确定航线的高度以及覆盖范围时，应当结合实地，在明确实地和环境条件后，才能够得到准确的无人接计划航线。在这一过程中，首先确定无人机航测需要完成的任务区域，并确定该区域范围内的定性信息以及潜在威胁源的具体分布。其次，引入电子地图技术，通过其计算机图形绘制功能和地理信息查询功能实现对任务区域内具体地形图像的展示。结合数字地图，对初步设计的航线进行模拟，根据显示的飞行过程中可能出现障碍的数据进行汇总，并结合数据对航线进行调整。当前常见的数字地图格式分为两种，一种为光栅位图，一种为矢量图。在实际应用中，可根据无人机计划航线的不同需要对其进行选择。在实际飞行之前，所有级别上的规划都需要通过计算机技术进行运算，并通过多次长时间的完善得出最佳的无人机航测路线。当前，最常见的一种规划算法是启发式算法，在具体应用中主要时通过缩小无人机航测范围的方式，将航向规划进行简化处理，通过问题启发对搜索信息进行引导，以此计算得出最佳的无人机航测航线。

1.2 矿山工程航测外业布置

完成上述相关工作后，需要进行矿山工程航测外业现场的布置工作。在布置时，结合上述数字地图给出的精准的地理坐标位置，将无人机计划航线数据带入到数字地图当中，以此确定航线在矿山工程测量当中的具体位置。再次基础上，通过比较判断，找出适合设置控制点的位置号，并在数字地图当中将控制点布局结果字段进行显示。通过这种对像控点的布置方式能够不必等待无人机得到飞行数据后再进行操作，以此能够提高矿上工程航测外业的布置效率。同时，将得到的像控点布置数据信息上传到互联网当中，帮助矿山工程各个参与方能够在第一时间获得相关数据，从而避免后续测量计划制定时出现重叠问题，影响工程进度。但在实际应用中，这种布置方式也存在严重弊端问题，若通过无人机航测技术得到的图像不均匀或部分区域内无法得到较强图像，则需要根据以往矿上工程测量经验对像控点进行布设，这种情况下像控点位置可能会存在偏差，因此有必要结合GPS 装置对像控点定位精度进行提升，从而减小后续测量误差。在具体布设的过程中，明确此环节是外业的主要环节，通过合理地布置外业像控点，不仅可以提高获取图像画质的均匀性，也可以在一定程度上提升画面的纹理清晰度。在此方面工作中，可使用标靶板或在作业现场撒上水泥灰，确保控点地势平缓、水平位置无显著高度差后，即可完成对像控点的布置。在此基础上，引进GPS 定位技术，对接测点与通信基站，按照坐标的实时转换方法，得到标准的像控点坐标。完成坐标点的定位后，选择一个任意点作为固定点，将坐标进行旋转处理，使其成为一个可与测点获取信息匹配的坐标体系。完成坐标的设计后，对接通信设备即可实现对测点信息的获取，在此基础上，使用无人机设备，对地面进行摄像，拍摄过程中，应尽量选择外界环境较为稳定的天气进行。确保风速等环境因素对测点获取信息无影响或无干扰的条件下，在指定区域内架设航拍设备，结合任务需求设定设备的参数，包括飞行高度、倾斜角度等，以此种方式，确保无人机可以按照预设的线路飞行，保证获取的信息符合矿山工程测量作业需求。完成信息获取后，对应的信息将通过实时传输的方式，反馈给地面。

1.3 原始影像处理与平面控制测量

在完成上述对矿山工程航测外业的布置后，针对无人机采集到的原始影像，还需要对其进行处理，并结合POS 数据检查对图像数据的质量进行检验，以此判断其精度是否满足测量需要。检查的内容主要包括：影像重叠度、是否存在阴影、是否有大范围反光等。在处理时，需要对原始图像进行分类，大致划分为倾斜影像和垂直影响两种，并按照影像数据通过统一的格式进行存储。其次为了使影像能够更好地应用到矿山工程测量当中，需要对影像的亮度和反差参数进行调整，确保影像亮度、饱和度等统一，最终将处理好的影像提交，并完成平面控制测量任务。图1 为原始影像处理与平面控制测量流程示意图。

图1 原始影像处理与平面控制测量流程示意图

根据图1 流程完成对原始影像的处理和对平面控制测量，除此之外由于无人机航测技术的应用中获取到的图像无法保证其像素的精度，可能存在模拟图像产生，影响后续控制测量。因此，针对这一问题，完成上述操作后，还需要通过计算原始影像中特性像素数量与图像总像素数量的比值，判断原始影像是否存在模糊图像。在判断过程中，若得出的比值比例向，例如出现偏高或偏低的问题，则需要对原始影像进行均衡化处理对其进行修正，并将图像从较窄的灰度范围当中进行扩散。通过上述方式，能够时原本存在模糊图像问题的原始影像像素灰度映射变换，并而时图像当中的灰度密度能够均匀分布，以此确保图像的利用价值提升。在进行平面控制测量时，还会由于原始影像总的噪声影响，使得图像的清晰程度无法满足平面控制测量的精度需要。因此，针对这一问题，还需要通过对上述处理完毕的图像进行反距离加权的方式，实现对其去噪处理。为了达到提升图像细节部分清晰度的效果，针对其整体进行噪声筛选。在去噪处理时，可人为在图像当中任何一个需要进行检查的像素点都会受到周围相邻像素点的影响。因此，基于这一特点，明确待检测的像素点受到近点的影响程度会大于受到远点的影响程度。按照这一规律，对图像当中像素点进行扫描，并直到完成对所有节点的处理后，认为此时在图像当中不存在噪声问题，可进行后续的平面控制测量任务。由于一般矿山领域当中的工程地形结构十分复杂，因此通过无人机航测技术的应用可以针对人员和仪器无法到达的区域进行测量，在测量过程中，以无人机获取到的影像作为基础，采用联合法将影像当中方位角导线与解析几何相结合，利用教会法通过其他已知控制点实现对测量对象具体坐标参数的测定。在完成上述所有操作后，为了确保测量结果的精度进一步提升，还需要完成对测量工作的检查和验收。在检查的过程中发现错误，则需要对测量进行修正处理。

2 实例应用分析

结合本文上述内容，从理论方面实现了针对矿山工程新测量方法的设计，为了进一步验证该方法在实际工程项目当中的应用优势，选择以某地区正在开展的矿山工程作为依托。针对该矿山工程项目，引入本文提出的结合无人机航测技术的测量方法，通过对应用效果分析的方式，实现对本文测量方法的应用可行性验证。已知该矿山工程项目位于某村庄附近的铁矿区航摄区域当中，该区域总面积为0.08km2，研究区域内的土壤层较薄，并且大部分以裸岩和碎石结构为主，同时还有大面积的积水区域。针对该研究区域，利用本文提出的测量方法对其进行影像数据采集，分别选择五个不同的像控点，表1 为五个像控点实测坐标对应数值。

表1 五个像控点实测坐标对应数值

在表1 中数据的基础上，为了验证本文测量方法的应用效果，选择将测量精度作为评价指标，利用本文提出的测量方法对上述五个测控点的坐标位置进行测量，并分别测量结果三个坐标轴上数据与实测坐标数据之间的差值，将得出的结果记录如表2 所示。

表2 水文测量方法测量结果与实测坐标数据对比结果

通过表2 中数据进一步得出，利用本文测量方法得到的测量结果中，其各个坐标轴上的数据与实测坐标数据相差均小于1.50mm，满足矿山工程对测量精度提出的误差小于2.00mm 的应用需要。同时，在实验过程中发现，在应用上述提出的测量方法在具体矿山工程环境当中，测量的精度不会受到测控点上地质条件以及环境因素的影响，得出的坐标数据具有更高的精度，利用价值进一步提升。通过该测量方法的合理应用，在具备更合理航线规划方案的基础上，能够实现对矿上工程测量全局分析和局部重点分析，促进矿山工程测量结果的进一步丰富，为后续矿山工程项目设计以及实际开展提供有力数据依据。因此，通过上述实例应用的方式证明，本文在引入无人机航测技术后，能够进一步提高测量方法的测量精度，为矿山工程施工提供更加准确的数据信息，实现矿山数据资源的高效利用。

3 结语

通过本文上述研究，在结合无人机航测技术的基础上，提出了一种全新的工程测量方法，并通过实例应用的方式证明了该测量方法的实际应用效果。但由于研究能力有限，在对测量方法设计过程中，未考虑到无人机飞行高度对测量精度的影响问题，针对这一问题还有待进一步的验证和研究，从而不断提高本文测量方法的应用优势。同时，在本文研究过程中得出，针对不确定环境当中的无人机航测计划航线的设计将是未来无人机航测技术应用的重点，因此针对这一问题，本文也将进行更加深入的研究，从而进一步促进该项技术在矿上工程领域当中的应用适应性。