免像控无人机航测新技术在露天矿开采监测中的应用

黄 军，李 涛，朱俊利

(1. 山东省国土测绘院，山东 济南 250102； 2. 山东鲁邦地理信息工程有限公司，山东 济南 250101)

近年来，随着国民经济水平的不断提高，生态环境保护成为当前热点话题，“共抓大保护，不搞大开发”“绿水青山就是金山银山”，这给环境监管、土地执法、矿山监测等行业管理部门带来巨大压力和挑战。由于监管执法过程中难免存在监管不到位或被执法者昼伏夜出躲避执法，偷采、盗采现象仍然存在，为解决被动执法难题，急需探寻一种新手段，从根本上杜绝矿山违法开采现象，让违法者无所遁形。

目前无人机航拍等手段已经逐步应用于执法管理中，在工作效率和管理模式上也取得了较大突破[1]。但是由于航测专业性较强，如像控点布设、采集与纠正、影像空三加密等关键工序通常需要专业的测绘技术人员完成，普通无人机获取的影像主要用来还原现场，对于精确量算和分析还存在一定难度[2]。本文以济南市某露天采石场执法监测为例，采用操作简便、安全性高的免像控无人机航测，作业人员无需进入危险的施工现场，不用布设和采集像控点，只需要采集一个基站坐标即可通过空三处理软件制作高精度航测成果[3]。结合LubSpace实景三维管理系统，可以直观查看是否存在越界开采与违法开采现象[4]。通过周期性数据比对与矢量数据叠加分析，能够快速定位违法开采位置并能准确量算破损山体面积、开挖方量，为相关执法部门提供权威数据支持和执法依据。

1 天狼星无人机概述

天狼星无人机自从引入国内便对高程精度要求较高的测绘领域工作模式带来较大转变。该设备属于高精度、智能化化的测量型无人机，安全性高，手抛式起飞、俯冲式降落，起降场地易于选择，具有优秀的飞控和姿态调整能力，能够自适应地表以超低空方式飞行，在起伏较大的测区也能保证相同的重叠度；精度高，机身内置高精度IMU和100 Hz实时差分GPS RTK，在飞行拍照的同时完成相片空间定位，每张照片相位中心都具有厘米级GPS RTK固定解精度的定位坐标；作业机动、灵活，特别适用于位置分散、人员难以进入的矿山监测项目。

1.1 免像控技术

像控点是联系影像与实地位置的桥梁和纽带，传统航测空三加密离不开地面像控点。在复杂的矿区环境下进行像控点布设与采集通常存在诸多困难，不仅测绘外业劳动强度较大，作业效率低，而且在某些困难区域作业人员难以进入现场或无特征地物用于采集，在无足够控制点情况下进行影像空三加密势必会影响影像和数字高程模型质量[5]。因此减少像控或免像控技术一直是科研人员不懈努力的方向，随着无人机高精度惯导和实时差分技术的融入，以天狼星无人机为代表的免像控无人机已经成功应用于生产领域，其高程精度也经过测绘行业检验机构鉴定并逐步被测绘工作者认可[6]。

1.2 智能化的一键空三加密技术

空三加密一直是传统航测数据处理的核心技术，因为航测的专业性和复杂性，传统航测通常是综合性测绘单位的专属业务，多数中小规模测绘单位对传统航测业务望而却步，制约了航测手段的普及和应用。但是天狼星无人机智能化的空三加密技术无需掌握专业复杂的航测知识，只需要简单设定坐标系统、基站坐标与航测参数即可实现无人值守方式空三加密，一步获取正射影像、数字高程模型、原始影像匹配点云、瓦片模型等成果，大幅降低了航测的门槛准入性[7]。

1.3 优秀的姿态调整与控制技术

天狼星无人机具有多项独特的技术，优秀的姿态调整与控制技术是其最大亮点。除了固定航高平行航线模式，还有根据工程类型定制的螺旋状、井状、带状等多种飞行模式，实现无人机航测作业效率最大化。其中最具代表性的自适应地表飞行模式，任意一张航片拍摄高度均不相同，但是通过计算机特征点地物匹配技术，将这些看似无序的照片组合快速制作形成高精度无人机航测成果[8]。

2 实景三维应用推动行业管理创新

无人机影像分辨率高、数据量大，成果样式丰富，但是受计算机处理速度影响，快速展示与汇报仍然存在困难。特别是实景三维模型，需要在Acute3D Viewer等专业软件下浏览，便捷性和实用性明显不足。

基于Web GIS技术的实景三维地理信息管理系统的出现恰好弥补了这一缺点，实现了互联网环境下无人机影像大数据的快速发布、浏览与管理功能。目前实景三维管理系统已成功应用于公共事业单位、企业和科研机构并取得良好效果，如图1所示。

图1 露天矿开采在线监测地理信息管理平台

3 工程实施

3.1 工程概况

本试验案例位于济南市历城区，属于典型的丘陵山区地形，测区附近存在多处露天采石场。相关行业管理部门为治理多年来存在的矿山无序开采引发的矿山地质环境问题，已经关停多处采石场，但是仍然存在违法开采现象。为坚决治理这一现象并责任落实到人，本文拟使用无人机航测与三维地理信息管理平台等新技术手段，使用可量化的手段解决执法难与取证难的问题[9]。

3.2 实施方法

无人机航测过程为：使用天狼星免像控无人机，在飞控系统中导入KML格式测区范围线，设定坐标系统、高程基准、GSD地面影像间隔、航向重叠度和旁向重叠度等相关参数。精度要求如下：经过噪点剔除后的无人机影像匹配地面点云成果精度要求优于±15 cm，两期数字高程模型对比能探测出±25 cm高差地表变化。

3.3 工作流程

工作流程如图2所示。

3.4 高精度DEM获取的关键措施

与传统航测相比，无人机航测存在以下缺点：抗风、抗气流能力差，飞行姿态不稳定，飞行高度、旋偏角、重叠度都不容易控制。无人机精度不稳定，特别是高程精度不稳定已经成为行业共识。在外界环境不容易改变的情况下，为提高无人机航测精度和成果可靠性，采取了如下措施：

(1) 提高精度冗余：根据设备厂商建议和相关工程精度统计，天狼星无人机基本能达到平面精度约2GSD，高程精度约3GSD。为实现±15 cm的高程精度，其GSD最佳设定为不大于5 cm，考虑到精度冗余和数据处理工作效率，本次航测GSD设定为3 cm，飞行相对地面航高120 m。

图2 矿山监测工作流程

(2) 提高影像重叠度：在航向80%、旁向60%的基础上采用井字形飞行计划，相当于测区按纵向与横向飞行两遍，不仅提高了航测成果精度可靠性，也提高了数字表面模型(DSM)的精细程度和实景三维模型展示效果，如图3所示。

图3 高重叠度井字形飞行计划

3.5 检测方法

(1) 外业检测。为保证数据成果的可靠性，使用GPS RTK设备随机抽检了42处检测点，在不考虑仪器设备采集误差的情况下，分别取得了平面±5.4 cm和高程±8.7 cm精度。从精度检测对照表(表1)中可以看出，16号与38号点高差偏离较大。通过DSM影像检查，16号点位于陡坎边缘，无人机影像匹配点云构建的DTM模型略有变形；38号点附近有树木遮挡，影像发生畸变。

表1 实测坐标与点云解析坐标较差 cm

(2) 与既有矢量地形图套合检验。在立体环境下，从地貌贴合地表程度可以直观地检验航测DEM精度，在图4中矩形框内等高线与立体影像不吻合，实际为矿山开采地表发生了变化。

图4 矢量数据套合检验

4 成果应用与发布

无人机航测可以带来丰富多样的测绘成果，除了常规的地形图，实景三维管理逐渐成为行业新宠[10]。利用LubSpace专用影像切片发布工具，制作LRP格式影像与地形数据，将成果导入矿山实景三维监测平台，在手机等智能终端即可直观浏览矿区开采现状。通过二维码在线分享功能，轻松解决无人机影像数据量大、展示难、汇报难的问题[11]，如图5、图6所示。

在PC端可以进行专业的定性与定量分析。基于影像和高精度数字高程模型，在实景三维模型中可以获取任意位置空间三维坐标。人性化的双屏联动功能可以轻松比较两期影像变化，结合两期DEM叠加分析，可快速定位地表变化区域，如图7所示。

图5 实景三维模型在线虚拟显示

图6 实景三维环境下定量分析

图7 开挖土石方量量算

5 结 语

基于“互联网+”的大数据、云平台应用是行业管理、技术创新的主流趋势。与传统执法手段相比，免像控无人机用于露天矿执法监测安全性高、三维展示效果逼真直观，不定期航测与精确的量算分析可以有效制止和震慑违法开采行为，有助于片区管理和责任划分，实现了从被动执法到主动执法的转变。在数据共享机制下，跨行业、多部门还可以对航测成果进一步挖掘利用，做到一图多用，让测绘成果发挥更大价值。