无人机技术在矿山测绘中的应用研究

李琦

（华北地质勘查局综合普查大队，河北三河 065201）

1 引言

矿产资源开发中无人机技术得到广泛运用，并发挥着不可替代的作用，能有效提升矿山测绘的精准性，为矿山开采、治理等工作提供可靠支持。新时期在矿山开采中要科学运用无人机技术，为矿山测绘工作的有效开展提供支持。本文结合工程案例，对无人机技术在矿山测绘中的应用流程进行深入探究。

2 无人机技术

无人机技术主要是在任务机中搭载高分辨率的遥感影像摄影系统，对空中及地面进行精准、高效率的拍摄与访问，同时还具备监控、自动压缩、图像智能化处理等各项能力。无人机主要是由以下几个部分组成：（1）无人驾驶飞行器。该部分是由飞行平台、空中系统等组成[1]。（2）传感器。所使用的相机为5D Mark Ⅱ定焦数码相机，像素达到2100 万。（3）飞行空中系统。自动驾驶仪UP30 为飞行空中系统，该系统是由飞行员的集成GPS 接收机、压力与速度传感器等组成。（4）地面监控系统与远程控制。主要是由便携式工作站、飞行器控制软件等组成。无人机技术在矿山测绘中的应用优势显著，主要表现为：操作周期短、数据精准度高；操作简单方便，节省成本。无人机技术作为新型技术，在矿山测绘中发挥着重要作用，在了解矿山地形地貌等实际信息方面发挥重大作用。

3 案例概况

某矿山位于我国西北部，属于露天矿，矿产公司为对工作量进行核算，需对排土场进行土方测量。但是传统的GNSS RTK 测量方式，不仅效率低下，危险性较高，而且一般需要组建3 人小组连续工作1 周完成测量任务。所以矿山公司最终决定使用无人机测量，将矿山测绘周期缩短为1 d，且能对测量数据误差进行有效控制。本文对该项目案例中无人机技术的有效应用进行介绍。

4 无人机技术在矿山测绘中的应用流程

测量前矿产公司对测量项目的难点进行明确，由于测量时期为初春，项目所在区域风力较大，测量区域高低起伏较大，且由于春季风沙大，在风沙影响下对无人机防护要求较高。所以在了解测量难点后，结合实际情况制定下面的应用流程[2]。

4.1 选择无人机系统

在矿山测绘中选择的无人机系统为mdLiDAR1000 无人机挂载激光雷达套装，具有较高的集成性，以md4-1000 为飞行平台，在无人机上搭载激光雷达传感器与相机，型号分别为SICK LD-MRS4 与FLIR 5MP Global Shutter， 而且还配有APX-15 UAV 惯导单元。LiDAR1000 无人机的测量工作流程比较简单，具体见图1。无人机系统所使用的技术为LiDAR；可交付成果为点云与DSM；精度为10 cm；DSM 网络中观测点布置间隔为10 cm；数据在1 d 内完成收集；坐标参照系为CTRF2000；投影为CGCS2000CM111E；垂直参考基准为椭球高/ 大地高。

图1 Li DAR1000 无人机的测量工作流程

4.2 明确无人机遥感操作流程

1）收集整理资料。接到任务后工作人员需对调查的任务与目标进行全面细致分析，最终确定飞行平台与遥感设备，结合当地天气状况选择最佳时间开展测绘工作。

2）选择起飞场地。在矿区周围选择最佳无人机起落场地，场地要保证无人与开阔，能为无人机的安全起飞与落地提供支持，且能为飞机机载设备的安全性提供保障[3]。

3）设计飞行方案。通过飞行方案的科学设计，能缩短飞行时间，提升测绘效率。要求工作人员能对目标区域位置、面积等基础信息进行了解，对飞行效率予以考虑，保障无人机能全部覆盖目标区域。

4）机载飞行控制系统检查。优良的机载装备是确保遥感飞行质量的关键所在，要求在无人机起飞前与落地后，要对飞机的各个零部件、设备及系统进行细致检查，确保无人机的安全性与可靠性。

5）飞行质量和影像质量检查。无人机在飞行结束之后，需对飞行质量及获得的遥感影像质量进行细致检查，确保原始数据的质量，为后期数据处理提供保障。无人机在航摄期间，会受到高空气流、飞机重量的影响，导致飞行会偏离航线，所以需要在检查期间，确定检查重点为相片重叠度、倾角等[4]。

4.3 航线和控制点设计

无人机矿山测绘中航线设计属于基础性工作，会对测量质量产生极大影响。在测绘期间测绘人员需了解矿山的面积、地貌等不同内容，由于矿山面积较大，需将矿山划分为小区域，然后分区域进行测绘[5]。为确保测绘质量，需结合矿山实际情况，对空中航线进行合理规划，为避免无人机测绘留白，需设计旁向重叠度与航向重叠度，将无人机航线标明。无人机的精准飞行会受到地面像控点的影响，所以像控点布置需均匀合理。测绘人员需严格遵循1∶1 000 地形图航空摄影测量领域的代码要求，在矿区测绘领域开展网络布局，为避免在地面区域留有死角，要求按照矿山地形野生刺外观进行操作。根据露天矿山的地形等各项情况，生态修复范围能有效获取，并能将其生成飞行航线。在飞行高度设计时要对飞行面积、时间等进行综合考虑，确保具有较高对地面分辨率，要求飞行高度、航向重叠率、旁向重叠率、平均地面分辨率分别为200 m、80%、60%、10 cm。

4.4 像控点测量要求

在矿山矿区内设置的有效E 级控制点为6 个，以这6 个点作为控制测量的起算数据。但是控制点布设不均匀，需对控制点进行加密处理，使用GPS 静态观测的方式，并对网平差有具体要求。要求卫星高度角≥15°，有效观测卫星数≥4；平均重复设站数≥2，采用时长为45 min、数据采样间隔为15 s；要求点为结合图形强度因子＜6。完成控制点加密工作后，使用GPS-RTK 在测区内测量像控点坐标，为确保GPS-RTK 动态观测的可靠性与精准性，实现数据传输的链接，要在测区高程较大的地区架设基准站。测量期间，为保证数据精准度，需将平面点位误差、高程点位误差分别控制在5 cm、10 cm 以内。

4.5 空中三角加密处理

无人机技术在矿山测绘中的应用，能有效缩短数据测量时间，提升测绘效率。但是由于矿山地形地貌相对比较复杂，且在矿山上长有植被，会影响测绘质，当留白比较严重时测量精准度就会下降。所以为提升测量精准度，在这种区域进行测量时可以通过空中三角加密的方式予以处理。影像方位是空中三角加密的基础，要求通过数据计算与预测。

4.6 内业数据处理

为提升数据处理的精准度与处理效率，本项目中所选择的软件为Sart3D Captuer，Sart3D Captuer 也叫作“CC”，能快速完成三维建模，将高密度点云生成，对矿山进行真实还原。

POS 文件中在原始数据中以文档的格式存在，要将数据导入Execl 表格中。（1）打开软件，新建工程目录；（2）添加图片，做好检查；（3）添加相片控制点，控制点需在相片上选择；（4） 在软件中进行空三运算；（5） 分模块处理所拍摄的影像；（6）确定输出格式与坐标系统；（7）完成建模。

4.7 成果图件输出

在矿上测绘中通过无人机技术的应用，能有效缩短外业数据采集周期，提升数据采集效率。无人机在对矿山进行航拍期间，采集的信息比较多样，如地形、建筑物等各类信息，数据处理成为无人机航拍中的要点与难点。内业数据处理比较常见的方式为影像拼接和像控点联测。在完成数据初步处理后，在绘图软件中导入数据，然后通过软件处理就能进行采编，将成果图件输出。

4.8 质量要求

4.8.1 无人机图像获取

无人机的影像质量将直接影响后期数据处理及结果输出的整体效果，为确保影像获取的精准性，要求做好以下工作。

1）摄影分区。保证分区接线与图廓线保持一致；在测绘期间对于不同测区的高差需合理控制，一般需控制在0.25 倍相对航高以内；航摄分区的跨度需划大，并对加密方法和布点方案进行综合考虑。

2）航向敷设。一般情况下飞行方向为东西走向，当无法满足东西走向时，可以设置为沿河流、境界等方向；当航线内有水域时，需避免像主点为在水域中。

3）飞行质量控制。在无人机技术的快速发展期间，各类先进摄影设备、感应设备能搭载在无人机上，且这些设备的体积较小，精准度更高，操作更加便捷，所以要求在做好无人机飞行质量控制，保证图片清晰，无云遮挡。具体要求为：相片旋转角、整条航线的完全度需分别控制在15°以内、1.5%以内。

4.8.2 相机检校文件

无人机遥感数据的处理并不难，参数检校可以通过已知点与目标的像点建模，获得图像的几何参数，让影响与目标地物建立起对应关系。检校的主要内容有主点位置测定、光学畸变系数测定、偏心常数测定、成像分辨率测定等。对于这些数据信息的测定，是要确保二维影像信息得到三维空间信息。

4.8.3 摄影测量常用的坐标系

摄影测量时常使用的坐标系主要包括：（1）像平面坐标系O-XY。像平面坐标系为平面内的直角坐标系，位置坐标可以通过像点表示，确定中心点、摄影方向与平面度交点、航线分别为S、O、X 轴。（2）像空间坐标系S-XYZ。像点的空间位置可以使用像空间坐标系表示，坐标原点（投影中心）、相机的主轴分别为S、Z 轴，X 与Y 互相垂直，这样摄影机的主轴长在坐标系内Z 轴。（3）摄影测量坐标系A-XYZ。对测量过程中模型点的坐标进行描述时所使用的坐标为摄影测量坐标，坐标原点为地面点A，XYZ 轴为空间辅助坐标系平行。

5 结语

无人机技术在矿山测绘中的应用是时代发展的产物，对矿山开采、治理等都具有重要意义。在无人机技的应用过程中，要求能合理选择无人机系统、明确无人机遥感操作流程、明确像控点测量要求、空中三角加密处理等各个环节的细节控制。无人机技术在发展过程中会向自动化、智能化、轻便化方向发展，提升测绘数据精准度，满足测绘要求。