无人机摄影测量在某矿区矿山测绘中的应用

王梓洋

（云南金沙矿业股份有限公司，云南 东川654103）

通过对矿山的位置、地形、资源及其利用情况和开采影响等进行实地勘查和测量，以获取相关数据信息和资源是矿山测绘的主要目的，其意义在于全面掌握矿山资源的基本信息、利用情况、开采影响、环境影响等，以此实现对矿山资源的合理配置和环境保护。

无人机摄影测量是将无人机技术运用于测绘领域而产生的新方向，是新型测绘技术与航空平台技术、信息技术的高度集成，是对传统卫星遥感测绘和有人机航空测绘的有效补充。其具有结构简单、操纵灵活、使用成本低、反应快速的特点，可以灵活、快速地获取到高分辨率、大比例尺和高现势性的遥感影像。基于无人机小、巧、灵的特点，在小区域和飞行困难地区高分辨率影像快速获取方面具有明显优势，而随着无人机摄影测量数据获取和处理技术的提高，其数据和产品精度也越来越高，这使得无人机摄影测量已经成为与传统测量方式一样重要的数据获取手段，逐步在传统测绘领域得到广泛应用。例如大比例尺规模化测绘、4D 产品生产、三维建模、土地利用调查、矿山测量、海岸地形测量、土地整治、地籍测量、大型工程建设等方面，无人机摄影测量技术已显示出其独特的优势。

1 无人机摄影测量

1.1 无人机摄影测量的系统组成

无人机摄影测量系统，一般由飞行平台、任务荷载及其控制系统、飞行控制系统、数据处理系统四个子系统构成，如图1所示。

1.2 无人机摄影测量任务规划

无人机摄影测量任务规划是指根据测绘项目需求、测区地形和环境条件等信息，确定所需使用的无人机性能要求及型号；所需携带的载荷类型及参数；制定无人机最优飞行路线。即综合考虑航拍目的、无人机的性能、有效飞行时间、空域管制、地形限制等约束条件，为无人机规划出一条或多条自出发点到目标点的最优的航线，并确定载荷的配置使用及测控链路的工作计划，保证无人机高效圆满地完成任务，并安全返回基地。

（1）无人机类型的选择。

无人机按照其使用功能、质量、飞行原理和飞行动力等区分。按照使用功能可分为军用、民用和消费级无人机，民用无人机多用于环境监测、地形测绘、资源调查等方面；根据飞行原理分为固定翼无人机、多旋翼无人机和混合式无人机等；根据动力来源分为电动和油动两种类型。

根据矿区特殊地形地质条件和测绘任务特征，宜选用民用固定翼油动无人机。

（2）相机及传感器类型的选择。

无人机测绘常用的传感器主要包括可见光数字型相机、热红外相机、高光谱传感器、多光谱传感器和大型无人机搭载的合成孔径雷达或机载激光雷达。不同传感器可获取不同的数据，完成不同的测绘任务。

根据矿区特殊地形地质条件和测绘任务特征，宜选用可见光数码相机、热红外相机。

（3）飞行环境选择。

选择良好飞行环境的目的一是避免飞行过程中，出现由于运行失当或外来原因而造成航空器损坏和其他事故；二是获得满足内业要求的数据。事实上，不同航空器由于其设计要求、性能目的不同，其对飞行环境的要求也有所不同。飞行环境的选择一般包括现场勘察、起降场地选择、飞行环境条件选择等。

（4）航线规划。

无人机航线规划也称为航线设计，指在一定的约束条件下，从起始点到目标点寻找满足无人机机动性能及环境信息（地形数据、威胁情况）限制的生存概率最大、完成任务最佳、综合指标最优的飞行轨迹。无人机航线一般可以分为三个部分：前往任务区域的航线、任务区域内的航线和返回降落区的航线。前往任务区域的航线和返回降落区的航线一般都为突防航线，以规避危险因素为主要考虑因素。任务区域内的航线为任务航线，以成像质童和覆盖率为主要考虑因素。综合考虑任务和安全因素进行航线规划，情况复杂，很可能得不到完全理想的规划结果，所以通常将无人机航线分为突防航线和任务航线两类分别进行航线规划。

因此，航线设计具体任务就是根据任务任务要求、航摄相机参数、航高、航摄比例尺、航摄区域情况等信息，按照规定的航向重叠（一般53%-75%）和旁向重叠（一般15%-60%）设计飞机飞行线路，航线设计需要确定有重叠度、航摄比例尺、测区基准面等基本参数，以及由基本参数推算出的航高、像移量控制、曝光时间间隔等参数。

1.3 无人机摄影测量作业

航测成图时不仅需要得到像片上地物的几何信息，也需要得到其他信息才能完成地图的绘制。因此，把航摄像片上的影像所代表的地物及其属性辨认和调查出来，并按照规定的图式符号和注记方式表示在航摄像片上，这也是摄影测量外业工作中一项不可缺少的工作。

（1）相控点面设及相机检校。

为确定无人机的拍摄位置，应根据矿区的实际情况和地形特点进行地面控制点的布设，应尽量做到地面无区域死角，保证航测阀内覆盖达100%，同时还要进行野外刺点，并利用高精度卫星定位系统对拍照点位置进行确认，然后检验调试用于航测的全部相机，确保相机处于正常工作状态。

（2）无人机摄影测量。

无人机摄影是无人机摄影测量过程中最为核心和实质的工作环节，需要通过定位技术、遥控技术等控制无人机飞行和拍摄，一般应在相控点位置对待测矿山区域进行反复多次的拍摄试验，并据每次拍摄的成像清淅度调整相机参数，直到获取的影像呈现出最好的清淅度为至。

航空摄影测量是以航空摄影为前提的，而要利用航摄像片确定地面点的地面坐标，就必须提供一定数量的、在像片上可准确识别的地面控制点，这个要求通常由航测外业的像片控制测量工作完成。目前大部分摄影测量的航拍都加入GPS 系统或GPS/IMU 组合系统，即可直接得到的每一张像片曝光时刻的外方位元素，从而在一定精度要求之下可以免去对地面已知点的要求。但目前的大量实际作业任务，仍然需要有部分地面控制点来保证精度。

即摄影测量外业工作的任务主要是像片控制测量（即在实地依据若干已知控制点，利用外业仪器测定出所选像片控制点的地面坐标及高程，并在像片上标示出点位的工作）和像片调绘（即利用像片进行判读、调查和绘注有关地理要素等工作的总称。目前大多采用先室内判绘，后野外检查补绘的办法来完成）。

（3）正射影像图制作。

无人机拍摄完成后，采用配套计算机软件制作正射影像图，通过对大量的方位元素进行分析，获得三维点，然后进一步分析航测图像。

（4）可视模型制作。

在正射影像图的制作过程中可获取地形三维图像，通过对三维图像进行可视化处理，以真实还原矿山的影像数据，供相关专业技术人员直观了解航拍地形，并综合区域环境进一步分析，可直观地观察地表全貌和地形特征。

（5）空三加密计算。

航测完成后，可通过解析方法获取像片方位要素及加密点坐标，校正像片数据。

2 无人机摄影测量在矿山测绘中的应用

矿山测量测量是安全开采的基本保证，可以为矿山开采和管理提供有益的信息依据，可以为矿产资源和矿山周边的生态环境的保护提供决策支持。

某矿区位于云贵高原之滇东北地区，以铜、铅、锌等多金属矿产闻名于世。矿区属高山地区，全为高山险峻地形，高程差特别大，地形切割厉害，V 形山谷纵横全区，地形条件十分恶劣，交通极为不便。矿区开采历史久远，矿点多且较为分散，特殊的地形地质条件及长期的采矿活动，导致区内泥石流、崩塌、滑坡、地陷等地质灾害频发，尾矿库坝体易变形，存在溃坝隐患。

日常矿山测量、地灾及尾矿库监测等，给矿山测绘工作带来了巨大的压力，传统的常规矿山测绘方法已不能满足矿山生产及环境保护等方面的需要，加之受多种因素影响，公司经济效益滑落，经费较为困难，也难于开展大规模常规矿山测量及地灾、环境监测工作。为此，公司主要采用无人机航空摄影测量，在大比例尺地形图测绘和地灾及环境监测方面进行了应用，取得了良好的生产效益及经济效益。

根据矿区特殊的地形条件，开展了30km2的1∶2000 地形图测绘和地灾及环境监测试验，取得了良好的效果。

2.1 大比例尺地形图测绘

由于无人机航空摄影测量具有无人机飞行相对航高低（50-1000m）、飞行速度慢（通常小于200km/h）、受气候条件影响小（可云下超低空飞行）、遥感影像分辨率高（影像最高GSD 可小于5cm）、起降场地要求低、系统价格低廉、作业方式灵活（可测区内起降，受空中管制和气候影响较小)、安全性较高、作业时效性好、系统性价比高、作业周期短和效率高等特点，更适合小范围（300km2以下）大比例尺、中比例尺地形图测绘。

本次无人机摄影测量属试验性质，选择了矿区约30km2地形极为复杂的区域，采用倾斜摄影测量方法，流程如下：

路线设计→地面控制→空中三角测量→成果精度分析。

利用配套软件生成了正射影像图、三维立体图、1∶2000 线划地形图等成果，取得了良好的效果。

2.2 地灾及环境监测

无人机地灾及环境监测不需单独飞行摄影，可与地形测量航飞同时进行，但最好是采用倾斜摄影测量方法，以便生成三维立体图像，更全面地反映环境现状和地灾点全貌，它可提供的地质灾害区图像包括地质、地貌、土壤、水文、土地利用和植被等信息，这些信息构成地质灾害灾情评估的基础数据。对于提高该区城地质灾害管理和灾情评估的科学性、准确性和有效性非常重要，而且可以大大提高减灾、抗灾和防灾的效率和现代化水平。

对于山体滑坡、泥石流和尾矿库等重大地质灾害，可以分析灾害严重程度及其空间分布，帮助分配紧急响应资 源，快速准确地获取泥石流环境背景要素信息，而且能够监测其动态变化，为准确的预报提供基础数据。

3 结论

3.1 基于成熟的快速灵活、低成本获取矿区高分辨率、大比例尺和高现势性的遥感影像无人机摄影测量技术，开展特殊地形地质条件下的矿山测量工作和地质灾害监测工作，服务矿山各生产部门，矿山测绘中使用无人机摄影测量是可行且必要的。

3.2 相比较传统的大比例尺地形图测绘（采用内外业一体数字化测图的方法，即采用GNSS RTK 与全站仪相结合的方法进行碎部测量），可以看出，传统的地形测量方法为点测量模式，需要测量人员抵达每一个地形特征点，通过逐点采集来获取数据，不但非常辛苦，测量效率也较低，在大范围地形测量中受到了一定的限制。而无人机摄影测量不仅作业速度快，可将大量的野外数据采集工作移到室内进行，减轻了野外工作量，大幅度降低了作业成本。传统测绘方法只能提供数字线划图，无人机航测不仅能提供数字线划图，而且能提供DOM、DEM等成果，各种成果结合使用，成果丰富，方便直观。

3.3 对于本矿区无植被覆盖，地形破碎、复杂、地势险要等特殊情况，本次无人机摄影测量解决了人工难以到达测点，许多地形变换点无法采集，形成图面精度不均匀、图面地形表示失真等问题。

3.4 相比较传统的环境监测（通常采用点监测的方式来估算整个区域的环境质量情况，具有一定的局限性和片面性），无人机摄影测量系统具有视城广、及时连续的特点，可迅速查明环境现状。