矿山测量中无人机航测的应用实践

田永欣 马顺明

摘 要：无人机航测遥感系统是继卫星遥感和有人驾驶飞机遥感之后的一种新型航空遥感数据获取系统，是航空、信息、自动化控制、微电子、计算机、通讯、导航、传感器以及“3S”等多学科高新技术的集成应用，具有机动、快速、灵活、影像分辨率高等特点，适合在条件极为复杂的高寒地区和无人区开展测绘工作，成为世界各国争相研究的热点。文章通过实例分析，主要以无人机航测技术为主线，对于矿山测量方面的问题进行的探讨

关键词：矿山测量；无人机航测；应用

无人机航测技术作为一项空间数据获取的重要手段，具有续航时间长、影像实时存储传输、分辨率高、机动灵活、相对于载人机来说，运输维护、作业成本等都较低等优点。目前大量应用于地质环境监测、高海拔矿区的测量工作中。

1 无人机航摄系统

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，利用空中和地面控制系统实现影像的自动拍摄和获取，同时实现航迹规划和监控、信息数据压缩和自动传输、影像预处理等功能，是具有高智能化程度、稳定可靠、作业能力强的低空遥感系统。该系统包括①无人机飞行平台。为DBⅡ型无人机，由机体、操纵系统、动力系统三部分组成。②传感器。配备佳能5DmarkⅡ定焦数码相机，焦距为35mm。相机像素大小为6.41μm，像幅大小为5616像素×3744像素（2100万像素）。③飞控系统。飞控采用自动驾驶仪UP30，该驾驶仪集成了GPS接收机、气压传感器、空速传感器、飞行控制系统等部件，可以稳定控制各种气动布局的中低速无人机，实现导航、定位和自主飞行。④地面监控系统与遥控器。包括DELL便携式工作站、UP30飞控软件、电台和天线。其中，在UP30飞控软件中设计编辑航线和航路点，实时修改无人机的飞行姿态和目标航点，并实时显示无人机的各种飞行参数和电池电压。所有数据均通过电台和天线与无人机进行通讯。遥控器是手动控制无人机飞行的远程控制设备，技术娴熟的操控手利用遥控器可以实现无人机滑跑起飞和降落。⑤地面运输与保障系统。配有一辆四驱依维柯汽车，可长距离装载运输无人机设备。另外还配有警示筒、警示绳等安全保障设备。⑥配套软件：包括航摄质量快速检查软件、影像预处理软件、影像处理软件PixGrid等。

2 项目任务

为适应现代矿山企业发展建设不断加快的形势，满足加强安全生产，加大对煤矿规划管理力度的需要，对矿山进行航空数码测绘。内容包括1∶2000及1∶5000数字线划图（DLG）采集、数字正射影像图（DOM）、矿区地形地质图，以及验证无人机航摄系统用于矿山地形数据采集的测量精度。该测区采用Quickeye（快眼）II型无人机搭载非量测型数码相机进行摄影作业，又布置大量的地面控制点，然后对航飞数据通过区域网空中三角测量的自检法来计算全部系统误差根源对像点位置坐标的综合改正值，从而确定内方位元素和物镜的光学畸变值，实现相机的高精度标定；并将标定结果用于测绘产品生产，以此来对无人机摄影测量系统在小区域大比例尺地形图立体采集中所能达到的精度水平进行评估和验证。

3 航摄系统组成

本测区采用的航摄系统组成部分有：无人机飞行平台、飞行控制系统和非量测型面阵CCD数码相机；以及地面站、远程无线通信装置；地面数据处理系统等辅助设施。飞行平台采用Quickeye（快眼）II型无人机，控制系统采用NCG―1微型无人机控制系统。摄影搭载CanonEOS5DMarkII高分辨率数码单反相机，像素为5616×3744pixel，像元大小为6.41um。飞行过程中采取飞控系统控制快门定点曝光，将对焦环固定在无穷远处锁定相机的内方位元素，并采用固定光圈以保证统一物镜畸变参数。

4 项目实施情况

4.1航线设计

测区总面积为21.6km2，地处青海高原东北部，属中低山区。地势东南高，西北低，中部平坦，为滩地草原，海拔3660m，最低点位于西北部，海拔约2800m，最大相对高差约860m，植被覆盖率较高，有少量建筑物，交通便利。参照测区地形条件、成图面积、形状规划及成图比例等要求，此次航飞方向为南北方向，共设计八条航线。航向重叠度>65%，旁向重叠度>35%，航高为3693m，分辨率为0.18m，采用GPS飞控管理系统进行定点曝光，每条航线获取15张航片。

4.2地面控制

地面控制是由内业布点，外业人员野外刺点。本区野外像片控制点的布设按照《1∶500，1∶1000，1∶2000地形图航空摄影测量外业规范》中区域网布点要求进行布设。共像片控制点布设在航向及旁向3片或4片重叠的范围内，共布设39个平高点，布设的像片控制点均可公用。采用山西省测绘局工程测绘院建立的GPSCORS网。它是通过现有的数据通信网络和无线数据播发网，向各类需要测量和导航的用户以国际通用格式提供码相位/载波相位差分修正信息，可实时解算出流动站的精确点位。平面坐标系统采用1980西安坐标系，高程基准采用1985国家高程基准。

4.3加密结果精度及采集精度评定分析

空中三角测量采用DATMatrix+ATMatrix+PATB进行，该系统是由航天远景公司自主研发的空中三角测量系统。该系统主要针对小数码影像，利用少量地面控制点来计算一个测区中所有影像的外方位元素和所有加密点的地面坐标，并集成PATB光束法区域网平差软件，所以粗差检测功能和平差计算功能都很强大。

成果精度分析：

参照《低空数字航空摄影测量内业规范（CH/Z3003——2010）》，由平差结果可知，本测区采取普通数码相机，以无人飞行器为平台进行相对航高为1124m航摄作业，通过检校加密纠正后立体像对结果可以满足1∶2000地形图测图的平面精度要求。表明无人机航摄系统可以云下低空飞行，能够获取卫星和有人飞机无法得到的高分辨率影像数据，并且针对小区域大比例尺的地形图测绘，可以采用无人机航摄作为其获取影像数据的基本方法之一。由采集结果可知：其相对定向与绝对定向及加密中的各項限差均符合规定及设计，平面精度会因为辨认误差而有所降低，但高程精度不会有大的改变，还可以看出，采用该系统成图的平面精度还有较大的潜力，适当地放宽地面分辨率，增加航高，还可以进行小比例尺地图的测量工作，例如成1∶1000图时，设计地面分辨率为10cm，采用全野外布点或区域网空三加密。成1∶500图时，设计地面分辨率为7.5cm，采用全野外布点或区域网空三加密。

参考文献

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[3] 何敬，李永树，鲁恒，任志明.无人机影像的质量评定及几何处理研究[J].测绘通报，2010，（4）：22-35.