基于无人机遥感测绘技术在矿山测量中的应用研究

袁曼飞，谢忠俍

(陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714099)

0 前 言

随着无人机飞控系统的完善和成熟，无人机已经在民用领域不断扩展应用范围，同时无人机技术已经逐渐渗透并深入融合到各个行业。无人机遥感测绘技术是遥感的发展趋势之一，具有成本低、数据获取灵活、数据采集与处理快速等特点，这已经成为遥感数据获取的一种重要方式和手段[1]。在利用卫星和大飞机为遥感平台的航空航天测量时，虽然能够获得符合要求的高分辨率影像，但是在某些地方受天气影响巨大,如:多云、多雾天气影响数据获取。运用无人机遥感平台的低空遥感能很好地发挥优势，避免不利因素，同时无人机遥感能够保持很好的现势性[2]。在矿山测量中也有很高的实用价值，具有很广泛的应用。

1 无人机遥感测绘关键技术

1.1 无人机数据影像获取特点

1)数据获取周期短，卫星和大飞机航天航空遥感技术，受雨雾、云层、军方等客观环境因素制约，不易及时快速获取测区的遥感数据[3]。无人机遥感数据获取周期短，有利于矿场的监测数据的时效性和周期监测。

2)数据分辨率高，数据分辨率通常直接与精度相关。无人机一般在1 000 m以内低空飞行, 甚至在距地面100～200 m高度飞行，无人机上携带的高分辨率数码相机，可以获取厘米级的分辨率影像数据。能够满足多种比例尺的测图精度和监测要求。在矿区建设、矿体资源监测、矿产资源监察中，可以高精度获取资源相关数据，并可以及时、准确获得资源破坏程度以及数量。

3)危险区获取数据有效途径，在危险条件下进行无人机遥感数据获取，可以有效降低危险区域工作人员伤亡，可以降低应急工作相关风险。在矿山灾害危险区调查、监测、获取数据都具有很好的应用效果。

4)机动灵活性，由于无人机遥感系统体积小、重量轻，具有较高的机动灵活性， 能有效避开阴雨天、雾霾等气象条件的干扰。在矿区可以很容易快速获取所需要的数据，灵活方便，对于尾矿库监测，地质灾害调查，具有很重要意义。

5)飞行控制自动化，目前无人机采用的飞控系统能够根据指定点遥感图像上的点位飞行，自动化程度高，电量较低或者根据用户设置电量值自动返航。可以有效避免人为操作无人机过程中的不必要的干扰误差。矿山范围内，山高林密可以非常方便、安全的使得无人获取数据以及顺利返航。

1.2 无人机数据处理关键技术

1)影像畸变校正

通过相机标定可以获得低空无人机遥感系统搭载的数码相机的主点坐标、焦距、光学畸变参数等，通过一定的改正模型，实现对影像的畸变校正。利用数学建模对相机进行改正。影像经过畸变校正后，影像无畸变同时主点偏移为零，为进一步数据处理做准备。

2)快速正射纠正

传统正射影像纠正方法速度较慢，精度不高。利用现代化的硬件处理器惊喜图形纠正不仅速度快，精度也较高。使用图形处理器GPU(Graphic Processing Unit )强大的并行处理能力和高带宽的数据传输能力。可以实现对无人机飞行拍摄的大量影像进行快速正射纠正。基于GPU的数字影像正射纠正能够提高GPU硬件上的快速数字影像正射纠正速度，能够比传统的CPU快近十倍。可以有效提高无人机数据处理和纠正的速度，以及提高数据处理效率，这是无人机影像获取的大量影像数据的快速处理的重要和关键之一。

3)大范围正射影像自动拼接

在正射影像纠正完成后，可以进行测区范围内的正射影像拼接，对测区的完整性，以及飞行质量进行检核，同时可以确定无人机飞行的重叠度等指标进行检核。这是资源矿产调查、全区域、大范围矿区灾害监测重要正射影像地图的形成关键所在。可以获得完整的区域范围影像数据。

4)几何纠正

为了能达到相关矿产资源开发遥感监测技术要求，在制作完成DOM以后应对其几何纠正，以满足控制点拟合精度不大于图上0.3 mm，地物点误差不应大于图上0.5 mm的精度要求。需要用控制点对影像进行几何纠正，使得影像图精度符合矿产资源相关规范要求。几何纠正质量与采用矿区控制点的精度情况有关，对无人机遥感影像成图精度有直接影响。因此，选择合适的具有高程的平面控制点有利于无人机影响几何纠正后能够满足矿区形成各种比例尺影像图，以满足矿产资源不同需求。

2 无人机遥感技术在矿山建设与管理应用分析

1)数字矿山建设中的应用

智慧矿山和数字矿山是矿山信息化和智能化管理的重要手段[4]。数字矿山建设利用计算机建立数字矿山管理软件系统，对矿山实现数字化、智能化管理。数字矿山建设需要矿山基础信息数据的支持，基础数据包括遥感影像、控制点数据、各种矿山图件和数字高程模型数据等，同时也要建立相关数据处理分析系统，对矿山实现动态资源监控、矿山环境监测、尾矿库安全监测等技术分析系统。目前，很多矿山都是传统测量技术手段获取的基础数据，坐标系统也比较陈旧。这是解决数字矿山的关键问题，也是矿山建设不断更新地图和影像数据需要。而传统测量手段测量周期长，费用高，外业工作量大，同时不利于现代高科技测绘技术的未来发展。直接影响数字矿山的建设需要,而低空无人机的遥感技术，就可以很容易地、快速的获取数字矿山所需要的相关电子数据，可以满足数字矿山建设的多种需要。

2)矿山环境治理监察

老旧矿山的环境治理与恢复建设是矿山管理的主要管理任务之一。管理难度大，整理效果检查手段落后不及时，使得相关职能部门很困扰。有了低空无人机技术，可根据监测和检测需要搭载多种传感器在无人机上。可以根据矿山检查需要获取测区雷达数据、激光点云数据、真彩色数据、多光谱数据等多种遥感数据，利用计算机相应软件处理后可以获得需要的实时动态真实现状，可以定性或定量分析,为管理者提供决策依据。

3)矿产资源保护与监测中的应用

随着矿产资源开发和利用，总量在逐渐减少，矿产资源本身具有稀缺性和不可再生性,因而它越来越珍贵。矿山资源的合理利用管理与开发避免乱采、乱挖矿山的现象是相关政府部门义不容辞的责任。制止无证开采的矿山，需要采用高科技的手段，才能有效管理。无人机遥感技术为资源管理者提供了一种监察手段，利用无人机技术可以实现空中、远程和快速监视。利用影像以及近距离飞行等取证手段的效果较好。对非法矿山开采进行有效地监管，打击违法开采资源，破坏矿山生态环境人员提供技术服务。

3 无人机遥感在矿区的应用分析

本工程对某矿区进行无人机遥感影像飞行，获取影像图。经过科学设计和合理规划，历时一个月时间，获取了该矿区影像，并利用无人机影像处理获得1∶1 000地形图，为矿区建设和资源监察提供基础数据。根据地形特点设计飞行航线，获取影像数据后快速拼接，利用矿区控制点(具有平面坐标和高程数据点)进行几何纠正，然后根据测绘成图相关规范，将空中三角测量的成果导入到全数字摄影测量工作站中，在立体模型中进行检查。重点检查控制点和检查点的切准精度，检查空中三角测量区域网间的接边精度。

3.1 无人机遥感基本设计

本工程使用固定翼“UV-II”无人机，机载宾得645D相机，焦距35 mm，相幅为4 000万像素(44 mm×33 mm)。

航摄基本技术参数：地面分辨率0.08 m；因摄区地势平缓，不作摄区分区；根据地形条件分析按东西方向布设航线；航向重叠度设计为80%，旁向重叠度设计为65%。

3.2 飞行质量控制与补重摄

飞行质量是无人机遥感的重要数据控制质量内容：无人机上升、下降速率应小于10 m/s；为避免卫星信号失锁，飞行过程中的转弯坡度控制在20(°)以内；设计时确保摄区边界覆盖超过像幅的20%，同时还应保证航向、旁向重叠度保持正常。控制测区内出现最大旋偏角的像片数不超过总数的4%。保证同一航线上相邻像片的航高差不大于30 m；最大航高与最小航高之差不大于50 m。航摄过程中受气候(如大风)、地形等实际情况对航飞质量造成的影响及时进行补摄。对于不影响内业加密选点和模型连接的相对漏洞及局部缺陷(如云、云影、斑痕等)，补摄航线的长度应超出漏洞外一条基线。

3.3 影像数据处理过程

数字影像检查主要包括：数据的覆盖检查；重叠度检查；数据异常检查；云、水汽、浓烟的检查； 影像质量的检查。像控点对最近基础控制点的平面位置中误差不大于0.1 m；高程中误差不大于 0.1 m。影像畸变纠正时，利用GPU进行快速测绘影像图进行纠正，主要包括主点偏移纠正，畸变纠正，匀色处理等纠正处理；建立飞行影像的数字正射影像(DOM)，应根据单张航片的内外方位元素和数字高程模型(DEM)，采用纠正软件对数字像片进行影像重采样，纠正影像失真；利用数学模型把中心投影转换为垂直正投影而得到正射影像；然后经过匀光、镶嵌、裁切、编辑等操作后，可生成标准分幅的正射影像图。利用软件自动提取地面控制点坐标和高程，进而可以进行几何纠正，以确保影像图数据精度符合要求。

图1 无人机影像拼接和几何纠正

图2 无人机影像细节和分区

3.4 无人机影像成图精度分析

1)数字正射影像图质量分析

矿区地形全部为山地地形，由于山地地形高低起伏变化较大，无人机按照既定设计航高飞行，确保飞行质量。根据无人机影像所生成的矿区正射影像图数据来分析最终成果，飞行覆盖范围，重叠度等指标符合要求。正射影像处理后质量分析：相邻正射影像零立体观测检查，虽然存在个别点位有差错，总体地形没有明显的较大起伏；正射影像图色调、色彩均衡一致，完全满足正射影像平面图的质量要求，符合规范。

2)成图质量分析

本项目完成后，为分析无人机成图质量，对测区内已有控制点周围进行实地野外测量，野外采点253点，并计算野外采点和成图后的图上量取数据，并计算中误差，评定和衡量成图质量。根据实际测量野外点和成图后量取的点位进行比较分析：内业加密点相对野外实测点的点位中误差为0.89 m；地物点相对野外实测点的点位中误差为1.02 m。内业加密高程点相对野外实测点的中误差为0.71m；内业高程注记点相对野外实测点的高程中误差为0.8m。

4 结 语

基于无人机低空遥感系统的4D产品生产、小范围基础地理数据快速获取及应用提供了新的技术方法和手段。然而矿山特殊环境下利用无人机可以对矿产资源监管，对矿山环境进行监测，主要利用无人机遥感获取数据快速、高精度以及可根据需要搭载多种传感器。为相关政府部门以及决策部门提供实时动态详实准确数据。本文通过案例分析，在矿上测量中，使用无人机进行比例尺1∶1 000地图测绘精度符合要求，而无人机在矿上各个方面都有广泛应用。