矿山地形测量中无人机航测方法思考

陈 杰

（安徽省地球物理地球化学勘查技术院，安徽 合肥 230022）

无人机航测遥感系统是在卫星遥感、人为驾驶飞机遥感后出现的一种新型航空遥感数据获取系统，该系统的建设融合了航空、信息、自动化控制、微电子、计算机、通讯、导航、传感器等科学技术形式。无人机航测遥感系统在运作的过程中体现出快速、灵活、机动、分辨率高的特点，十分适合应用在地形复杂的高寒或者是无人经过的测绘地区。我国地质灾害频繁，各地区地形结构复杂，如何优化矿山地形勘测，将无人机航测应用到矿山地形测量中以便更为精准的处理各个问题，是相关人员需要思考和解决的问题。为此，文章结合实际，就无人机航测在矿山地形测量中的具体应用问题进行探究。

1 无人机航测系统概述

无人机航摄系统是以无人机为飞行平台，利用高分辨率相机系统获取遥感影像，借助空中、地面控制系统来实现对影像资料的自动化拍摄和获取，并在这个过程中实现对无人机航测运行轨迹的合理规划和实时性监督控制。无人机航测系统包含无人机飞行平台、传感器、飞控系统。本文中介绍的实验测区采用的是飞马D2000型多旋翼无人机系统，配备索尼a6000单电数码相机，相机的焦距为25mm（下视），35mm（倾斜），有效像素约2430万×5像素，传感器尺寸为23.5×15.6mm（APS-C画幅），飞控系统采用飞马无人机管家3.0航测系统，内业数据编辑处理采用ContextCapture Center、Photoshop、Global Mapper、EPS等软件。无人机航测系统应用过程中的数据信息处理流程如下：对需要测量分析的航空领域进行申请，在了解航线基本信息的情况下进行航线的设计，做好测试分析的实地考查工作，开展航测野外数据信息的测量和把控、确定无人机组装测试工作，对无人机的飞行情况进行全面的记录和分析，整合统计无人机的飞行记录。在无人机航测系统飞行的过程中，像控点是用来控制航空测量结果平面，计算飞机航行高度的重要参数信息。像素点的确定和使用基本上能够满足坐标系上精准的数据测量分析要求，在开展测试分析的时候会采取人工布置或者寻找特征点的方式来最终确定像控点的位置。在具体测试分析的时候会根据飞行测量区域航线信息提前借助电脑系统，科学规划像控点可以安排布置的位置。需要注意的是，预设点设定的位置要尽可能地远离车辆能够达到的位置，点位之间的间隔距离要保持在可到达和可控制的位置上，各个点位要实现均匀分布，目的是对边缘地带起到良好的控制作用。

2 无人机航测技术的应用优势

和传统意义上的人机航测技术相比，无人机航测技术在矿山区域测绘中的应用优势具体表现如下：第一，应急能力良好。在使用无人机航测遥感技术勘探矿山的时候，可以根据实际勘测工作中遇到的情况来采取有针对性的应急措施。同时，无人机航测技术对突发事件的应急会比较到位，且在起飞、降落时所需要使用的场地面积比较小，在这个过程中会节省比较多的时间成本、空间成本、经济成本。第二，作业操作时间短。在使用无人机航测遥感技术测绘矿山的过程中，由于无人机的飞行高度在1000m以下，因此，在组织测绘工作的时候不需要向相关部门提交飞行申请就能够让设备进入到飞行状态，在这个过程中会缩短作业时间。第三，收集数据的精准度高。在使用无人机航测遥感技术测绘矿山时，无人机的工作条件较为宽松，飞行高度比较低。借助无人机航测技术能够收集到分辨率较高的影像数据资料，所获得的数据信息会按照1：1000以及1：500的比例尺出现，数据信息收集的精准度比较高。第四，操作简单。在使用无人机航测技术对矿山实施测绘操作的时候，因为无人机不需要载操作人员，因此和一般意义上的航空摄影设备来说，无人机航测遥感技术的外形比较精巧，操作简单。第五，社会经济效益高。当前矿山资源开采复杂，和传统意义上的测量技术相比，无人机航测技术测绘效率高、人工消耗少、作业成本低，从而提高了经济效益。

3 无人机航测技术在矿山测量中的具体应用

3.1 对矿山周围地质灾害的全面调查

在矿山建设不恰当的情况下会对周围地质环境带来强烈的破坏和改造，在破坏改造的过程中很容易引发地质灾害，对矿山的长远建设以及运营管理会产生十分不利的影响。传统意义上的矿山地质灾害调查作业研究方法是人工实地调查研究，在具体实施操作的时候具有成本高、时间长、效率低的问题，且在地质勘查分析的过程中无法实现对全区域范围的精准分析，且整个测量分析工作在开展的过程中会消耗比较多的成本，不满足地质勘探开采低碳环保的发展要求。

在开展前期调查研究时所使用的无人机载重量需要超过2kg，无人机的电池如果具备良好的动力续航能力，则是要求其动力续航的时间超过三十分钟。如果内燃机动力续航时间超过一小时，多旋转翼无人机的航行速度为每秒6m，固定翼无人机航行速度为每秒10m。

从实际应用操作情况来看，一次倾斜影像采集像素是要求越高效果越理想。同时，在图像信息收集整理的过程中还需要注重考虑设备成本，每一个镜头单个像素要超过2000万，曝光一次像素会超过一个亿，作业时间要在九十分钟以上。基于这样的要求最好是可以实现全天候作业操作，测量操作者还需要具备定点曝光的能力，从而使得倾斜相机拍摄充分满足影像重叠的基本需求。

3.2 露天矿山方量的变化和综合计算

在矿山测量工作开展的过程中可以借助无人机航测数据生成点云数据来计算出开采方量，具体计算和设计原理如下所示：在打造好的不规则三角网中每一个基本单元的核心是打造出不规则三角形三个顶点的三维立体化坐标，在坐标的支持下可以从三角形的三个顶点竖直朝着下方引出三条直线，引出来的三条直线能够和开采后的地表面的三角网形成三棱柱，这个期间整个区域范围内的土石方地形会形成多个连续但是不可以被细分的三棱柱集合。而后计算出每个三棱柱的体积，将三棱柱的体积和整合在一起之后会形成整个区域的土石方量。和传统意义上的土石方计算分析相比，点和点之间间隔距离是厘米的更能够精准的反应出矿山方量的变化，最终计算出土石方的开采量，了解矿山储量的变化规律，能够充分解决以往测量中点位无法达到指定现场的问题。

3.3 全方位落实数据处理设计

在大数据时代背景下，矿山资源的测绘会产生较多的数据信息，这些信息的产生和地理信息的服务高低存在密切的关联。因此，在矿山测量工作中需要相关人员能够积极落实数据信息的设计管理，通过优化数据信息的设计来提升地理信息服务质量。数据处理设计工作的积极落实要着重做好以下两点工作：第一，在数据设计处理中需要引入创新理念。在创新理念的支持下提升矿山测绘处理的积极性和有效性，全面提升矿山测绘服务质量。第二，在应用无人机航测技术处理矿山测绘信息的时候要对所牵扯到的信息进行深入的研究思考，并使用大数据挖掘技术、数据处理技术来整合处理各类数据信息，由此来提升矿山测绘地理信息服务质量。

3.4 确定矿山测绘的数据结构

从当前矿山开采工作发展实际情况来看，测绘在矿山资源开采工作中占据十分重要的地位。同时，科学技术的快速发展也为我国采矿行业的发展提供了源源不断的力量支持。为了能够更好的满足人们对矿山测绘工作的要求，在矿山测绘领域开始引入无人机航测技术。

按照无人机远程成像的基本原理会在最大限度上将矿山测绘工作中所牵扯到的数字结构展现出来。无人机航测技术在矿山测绘中的应用顺应了整个矿山行业的发展趋势，且在矿山开采管理中也会降低开发成本，减少人为作业的风险。

3.5 确定航测的基本航线

矿山测绘中的无人机航测主要是指以当地地图影像资料信息作为基本参考数值来进行航测分析。在航测分析的时候要首先确定航测的基本坐标信息、航行方向、航行路线等信息，通过了解这些信息能够保障无人机在实际测量工作中顺利实现三度重叠。在航行测量工作开展的时候需要在全面调查研究的基础上确定矿区范围内所需要测量的区域，需要注重将其和一系列相关参数的设定联系在一起，具体包含航拍的基本方向、航拍的拍摄角度、矿山坐标、重叠角度等。在全面收集整理这些数据信息之后将定位技术和无人机拍摄技术充分结合在一起，由此来将拍摄场地的实际情况反应出来，获得矿山建设的更多信息。。无人机会根据之前设定好的航向路线来组织测量工作，操作人员在执行无人机航测任务的时候要注重格外关注无人机的用量情况，在发现无人机用量问题的时候及时采取措施予以处理，从而为航测工作的顺利开展提供重要支撑。另外，在无人机航测工作开展的时候相关人员还需要做好一系列的控制工作，按照有关规定来对地面的实际情况进行分析，分析好之后布置无人机，密切监督控制场地现场的工作环境。与此同时，相关人员还需要根据矿山基本勘测工作需要来采取积极的方式提升无人航测的精准性，扩大无人航测的覆盖范围。

图1 测区航线布设图

根据对测区踏勘的情况和精度要求，以及无人机的相关参数，精准的把握测量区域范围内的地势地形结构，确定符合无人机航测范围的航测航线。本测区是利用飞马无人机管家的智航线功能，设置航飞范围，生成最佳的航线。对于地形起伏较大的区域，采用定高飞行会造成地面分辨率不同，为确保测区飞行重叠度和成像质量满足要求，可以选择仿地变高飞行。

3.6 像控点的布设

文章所研究区域野外像片控制点的布置要严格遵循我国制定的规范的地形图航空摄影测量外业比例尺规范进行。首先基础控制点应分布在测区范围外，保证测区范围内的平面及高程精度及后期测绘工作的需求。而像片控制点会被安排在航向以及周围三片到四片的折叠范围内，为了方便内业人员刺点，一般会选择将像控点布设在相对平缓的地面上，为了满足精度的要求，在布设像控点的同时也要布设检查点以便检查成果的精度。每组像控点均需拍照记录，能够清楚的反映像控点的位置特征。在矿山测量过程中受地形因素的影响容易出现凹凸形状，基于这种情况可以在凸角的位置上额外设置控制点，统一布置相邻的区域网。在像片控制点的选择上将0.1mm作为图像选择控制的重要参考标准，在图像清晰的地点上选择点位。

像片控制点应优先采用连续运行卫星定位综合服务系统(CORS)进行测量，在CORS系统信号覆盖不到的区域采用自架基准站进行常规单基站RTK测量，单基站RTK测量时应使用测区基础控制点进行点校正。

3.7 无人机航测数据处理及成果输出

3.7.1 无人机航空摄影

在准备工作完成之后开展无人机摄影，本测区共获取影像1455张。航飞完成后需要及时下载POS数据和基站数据，检查POS数据是否可用，与照片数目是否一致。如果实际航摄过程中产生漏拍或航线重叠不足的现象，需要进行对应的补摄。检查无误后进行POS数据差分解算后进入内业数据处理阶段。

3.7.2 空中三角测量

本测区利用ContextCapture Center软件将照片与POS数据一一对应后，经过影像间连接点的布局、像控点测量、平差计算进行自动空三加密，以此建立三维立体模型并进行模型定向以及生成核线影像，以便进行倾斜模型与正摄影像图的生产。

3.7.3 实景三维倾斜模型和正射影像图的制作

利用ContextCapture Center软件生成三维倾斜模型及正射影像图。三维模型的精度可以利用检查点进行检验，将三维模型导入EPS三维测图软件中，用RTK实测的检查点坐标为真值，与软件解算的检查点的三维坐标做比较，便可得到三维模型的平面及高程精度是否符合要求。满足精度要求的三维模型能够真实的还原矿山影像资料，帮助相关人员能够更为清楚的了解所拍摄到的地形，之后通过结合地区环境的分析来更为直观的了解和观察地表、地表分布情况。

图2 测区实景三维模型展示图

4 结语

虽然每个矿山的地形地势不同，但是无人机起降灵活、简单易用，高效可靠，影像实时传输的特点能很好的满足不同条件下的矿山测量要求，也可以应用在矿山的大比例地形测绘、地质调查，开采调查等。综上所述，随着我国社会经济的快速发展，无人机航测技术的有效应用，在极大程度上提高了矿山测量的精度，并且降低了成本支出的同时也具备着较高的安全优势，因此在该领域具有极为广阔的应用前景。