基于复合翼无人机航空摄影测量技术在矿山测绘中的应用

张斗龙 张海军

（浙江东震土地规划设计有限公司 浙江德清 313200）

1 引言

基于复合翼无人机航空摄影测量技术的应用相比于传统测绘技术手段具其独特的优势，操作简单、应用范围广泛、效率高、成本低。目前已经越来越多的单位采用该种方式进行生产作业[1-3]。本文以河北省太行山某复杂地形区域的一处矿山进行无人机航空摄影测量研究。而在本次研究过程中，基于当下最新的复合翼无人机航空摄影测量技术，对于该地区进行测绘，作业效率大大提高，并且作业的安全系数也得到极大提高。

2 地形图航测方案

2.1 复合翼无人机

在以往无人机测绘行业中，固定翼和多旋翼无人机为无人机航空摄影测量的两大主流机型。其中，固定翼无人机的主要原理是依靠螺旋桨或者涡轮发动机产生的推力作为飞机向前飞行的动力，主要的升力来自机翼与空气的相对运动。而多旋翼无人机是依靠多个旋翼产生的升力来平衡飞行器的重力，让飞行器可以飞起来，通过改变每个旋翼的转速来控制飞行器的平稳和姿态。但是这两种飞行方式均有自己的优缺点，具体如表1 所示：

表1 固定翼和多旋翼无人机主要优缺点

研究项目采用多旋翼和固定翼相结合的总体设计方案，即：复合翼无人机，该类型无人机在无需加装复杂转换装置的情况下，使飞行器同时具备了垂直起降和高速巡航的能力，结构简单，可靠性高；具备了多旋翼飞行器优势的不需要跑道和起降空域，这种优势保证它能在山区、丘陵、丛林等复杂地形和建筑物密集的区域顺利作业，极大扩展了无人机应用范围；综合多旋翼和固定翼的力学特性，对机体结构进行了一体化设计，并充分利用了复合材料优异的力学性能，在保证结构强度的情况下有效降低了飞行器的结构重量。因此复合翼无人机是航空摄影测量领域无人机的理想选择，其主要结构图如图1所示。本次研究区域地处矿区，周围地质环境复杂，因此综合考虑，本次研究选取CW-20 大鹏无人机进行飞行，其主要参数如表2 所示。本次航空摄影航空摄影，挂载尼康D810 相机全画幅高分辨率数字摄影相机。

图1 复合翼无人机的主要结构

表2 无人机主要参数

2.2 航测流程

项目实施中，首先根据测量学原理将拍摄的相片整合成立体模型，再采用标识的方式在模型上进行地物判读和相应的测绘，最后制作成满足生产要求的地理信息数据成果，主要包括：数字正射影像（DOM）、数字高程模型（DEM）、数字线划图（DLG）、三维模型。作业流程如图2 所示。

图2 无人机航空摄影作业流程

3 外业数据采集

3.1 控制点布测

在成图过程中，根据研究区内地形特点以及最终成图精度，总共均匀布设九像控点个。采用RTK差分定位的方式，定位精度保持在厘米级别，在平面和高程的精度确定上，不能超过±2 厘米的范围。这样才能够在保持测量精度的条件下有效提高野外作业的效率。除此之外，为了使得像控点在测量后期便于识别，需要对控制点进行标记，可以在控制点位置喷涂“L”字样，用于后期识别。

航空摄影坐标系统采用CGCS2000 国家大地坐标系，中央子午线115 度30 分，投影面为参考椭球面，高程系统为1985 国家高程基准。

3.2 影像数据采集

对于矿区的影像数据采集需要通过测区踏勘、航线设计、航测实施等。步骤如下：

（1）在影像数据采集前，对测量区域进行踏勘，在此过程中要对飞行区域、航摄高度、起降点以及航向重叠度、旁向重叠度进行选择和确定，将确定好的参数输入到智能航测系统中，利用"无人机管家"的软件进行航线的智能规划；

（2）根据确定好的无人机航线，通过无人机智能航测飞行管理软件进行智能定点，控制无人机的降落、飞行实时监测以及数据监测。无人机的航测状况通过地面计算机进行实时监测，按照传感器的曝光速率对搭载相机曝光时刻的相关GPS 数据和飞行姿态数据进行详细记录；

（3）对采集到的航测影像进行导出，从无人机机载相机的储存卡导出到所用的检测计算机中，从而完成矿区的航测外业数据采集工作[4]。

4 内业数据处理

利用无人机与相匹配的航空摄影数据处理软件“无人机管家”进行内业数据处理工作，并且完成数据的生产。后续内业的主要工作内容有：航测影像的空三加密、DEM、DOM、DLG 以及三维模型的制作等。

4.1 空三加密

航测影像的空三加密主要是利用在野外采集的平面控制点和高程控制点，在内业进行控制点的加密，从而获得加密点的平面控制点和高程控制点。

在数据的解析计算过程中，首先需要通过计算机对于加密点的地面坐标和航测影像外方位元素进行解算，并将其作为POS 数据基础用于空三加密过程[5]。然后将此次矿山测绘的航测影像中的外业控制点的相关数据、以及POS 数据进行导入，利用后处理软件进行空三加密的自动计算。

4.2 DEM 与DOM 制作

根据空三加密计算所得的结果，对航测影像中的原始影像进行重新采样，从而生成影像，计算机系统能够根据自动匹配三维离散点，从而得到矿山航测区域的数字地表模型（Digital Surface Model,简称DSM），然后对DSM 进行滤波从而得到DEM。

得到DEM 数据后，需要利用数据对航测影像进行数字微分纠正，并且进行影像重新采样，最后对数据进行融合、色彩增强、镶嵌，从而得生成信息丰富而又直观数字正射影像图，即DOM。该成果可以作为地图分析的背景以及评价数据精度的基础数据，同时也可以利用该数据提取新的数据信息，从而实现矿区测绘地形图的修测和更新。

4.3 图形输出与项目成果

DOM 得到后需要利用DEM 对其进行适当的校正，通过拼接生成矿区测量区域的完整底图。将区域底图的整体导入VirtuoZoNT 软件中，根据软件操作的规范化要求进行内业处理，从而生成数字线画图[6]。以下为本项目所输出的成果数据，如图3、图4、图5 所示。

图3 测区数字正射影像图

图4 测区数字高程模型图

图5 测区三维模型

图6 测区平面地形图

5 精度检测

项目成果主要通过计算外业校核点和加密结算点的平面中误差以及高程中误差来评定成图精度。在研究区中均匀选择20 个校核点，并利用GPSRTK 流动施测其三维坐标（X,Y,H）；再将校核点的三维坐标与对应的加密解算点坐标进行对比，计算三维坐标的绝对误差ΔX、ΔY、ΔH 和ΔS；最后采用式（1）、式（2）计算得到Ms 和Mh。精度检测结果见表2。

表2 精度检测统计表

计算结果：Ms=0.498 和Mh=0.307，符合国家测量规范要求。

6 结束语

本地区的地形测绘如果采用以往传统的全野外人工测量，效率低，成本高，并且由于矿区内地质环境复杂，存在极大的安全隐患。随着社会经济的发展使得无人机航空摄影测量技术在矿山测绘工程中的应用需求不断上升。无人机航空摄影测量技术一方面能够协助工作人员便捷、快速地获取信息和技术，另一方面通过无人机航空摄影测量技术的应用能够大大提高矿山测绘工作的效率。

项目实施中采用最新的复合翼无人机来进行航空摄影，该无人机平台能同时解决多旋翼的续航问题和固定翼的场地要求高、无法悬停问题，能适应不同复杂地形，并且它拥有更强的机动性，目前以及成为无人机航空摄影行业新的发展趋势。

采用无人机航空摄影测量技术获取了基础地理信息数据，研究成果对于其他类似矿区的治理和修复工作提供了参考依据，并拓展了复合翼无人机的作业范围，具有实践意义。