无人机摄影测量技术在矿山大比例尺地形图快速更新中的应用

郝兰朋

（甘肃煤田地质局一四六队，甘肃 平凉 744000）

无人机摄影测量技术是航空摄影测量领域最近几年新兴的一种高科技测量技术。此技术利用无人飞行器上搭载的一个或多个影像传感器的作业，从空中不同角度对地面的地物地貌信息进行多角度拍摄，从而获取到地物地貌的高精度纹理数据，同时还能够通过GPS定位技术、影像融合技术、三维建模技术等，通过影像处理生成实景3D模型，可以真实如一的反映出地面的实际状况[1]。此技术在世界范围内不同国家的诸多社会领域都已获得广泛应用，最近几年在国内城市基建、考古研究、矿山勘察、城市三维模型等领域也得到快速发展应用。

无人机摄影测量利用无人机飞行平台搭载影像传感器，因而其具备一定的便携性和灵活性，可以在短时间内实现航拍，因此无人机能够作为较好的飞行摄影平台[2]。同时无人机飞行控制系统还能够详细记录下飞行摄影时的高度、方向、重叠度、具体坐标等数据，有利于构建自动化无人机摄影的三维模型，借助对地表影像的拍摄信息恢复各式景观，这种手段可以最大限度地降低用于三维建模的经济成本，同时还具有高精度、精细化和实景虚拟等一系列数据优势。无人机摄影测量获得的相关影像数据，利用空中三角测量等操作，能够自动生成与实地地形状况高度一致的的立体化的三维模型，数字摄影测量工作站可对其进行栅格数据的矢量化采集和编辑，从而提高了工作效率、扩大了应用范围，进而满足不同专业层面对不同地类数据的不同需求。通过使用无人机摄影测量新技术对矿山大比例尺地形图进行快速更新，即扩大了无人机摄影测量技术的推广应用范围，又满足了矿山开发建设中对大比例尺地形图快速获取的需求。

1 工作流程

1.1 像控点布设及测量

无人机拍摄得到的影像因为航向和旁向重叠度较大（通常会大于80%）[3]，像控点在布设上一般不会考虑成像要求。为了确保地表物体在平面位置与高程位置上满足各种规范要求的精度，像控点在布设上必须排布紧密，具体遵循以下几点：首先，对于规则且面积不大的区域，可在测区的四个角点和中心处各布设一个像控点；其次，对于面积较大或不规则的区域，除了需要在区域各个边角设置像控点外，其他地方每隔120m~200m就需要布设一个像控点；最后，区域内若出现比较突出的高层建筑或地形变化剧烈的位置，必须在地形变化的最高点和最低点分别布设相应数量的像控点。像控点的选择需要将地标物和明显地标物相结合，平面控制点与高程控制点可选在同一点位，也可分别选择点位，平面控制点应选在影像清晰的明显地物点、拐角点、线状地物的交点上，高程控制点应选在局部高程变化小且点位周围相对比较平坦地区，像控点在相邻像片上均要清晰可见。像控点布设完成后可使用GPS-RTK技术进行坐标测量，获取平面坐标和高程坐标，若平面控制点和高程控制点为不同点位，需分别标注清楚。相控点布设时若测区范围内地物特征点较多，可选用后布设的方法，即先航飞获取航片，后选取特征明显的地物作为像控点，并测量坐标；若明显地物较少，可选用提前布设像控点的方法，提前布设时像控点样式可采用“L”型，如图1所示。

图1 “L”型像控点样式

1.2 外业航空摄影

无人机野外航拍时需尽可能选用飞行稳定、续航时间长的飞行平台，影像传感器需进行检校，空间分辨率满足规范要求前提下越高越好。航摄时间选择时尽量选择在地表植被或覆盖物遮挡影响小，天气晴朗无云微风时间，每天最佳航摄时间段为9：00~15：00，此时间段内太阳高度角大，地物阴影小，可较好的减小阴影对后期内业数据处理的影响[4]。

1.3 空中三角测量

空中三角测量主要是通过地面上设置的少数控制点，利用共线共线方程对影像内外方位元素进行求解，用于检验构建模型在空间方位上误差。为了将校正后的影像恢复到标准空间下，就必须在空中三角测量结果的基础上，对影像模型的坐标点进行一系列的解算处理。现今无人机摄影测量得到的数据操作通常是以光束法在区域内的联合平差为主，以共线方程为模型，以临近影像同坐标相交且目标相同、外部控制点和影像控制点相对应为平差条件，得到每一幅拍摄影像的外部构成元素。

1.4 内业地形图采集

内业数据判绘采集系统多采用数字摄影测量工作站进行该类工作站多为全软件化设计、功能齐全，智能化程度高，通过调用空三加密成果和野外像控点联测等数据文件，进行全要素数据采集，生产DLG数字线画图。内业判绘时要对所有能判绘清楚的地物信息按照相应的规范要求进行绘制，要求完整、准确；对于不能够通过内业判绘完成的地物信息要进行标注，通过后期野外调绘对该类地物信息进行实地测量、调查，从而方便最后的编辑成图工作。

1.5 野外调绘

使用无人机进行空中航摄，不可避免的存在树木、门廊等的遮挡问题，不能全方位获取地物所以信息，导致部分地物模型变形或模糊不清的情况，所以在内业数据采集不能够获取到足够信息时，就需要到野外实地对相应地物进行补测、补调，具体工作就是对被遮挡或内业采集不全的物体和地貌进行实地补测。该项工作要求将内业采集成果叠加快拼DOM影像上，外业现场进行 调绘和补测，工作人员必须认真负责，除需进行必要的补测外，还要对地物属性信息进行调查记录，具体工作量主要包括：其一，对门厅、柱房、楼层、建筑物结构、廊房下的支柱等进行补测；其二，植被比较茂盛的区域内的路面、墙栅等线状物体进行补调；其三，对被遮挡物体如路灯、井盖、风箱等地面独立设备进行补测；其四，路面两边过于茂盛的树林会导致飞行拍摄时路面发生变形，造成高程点无法满足测绘成图的要求，所以外业就需要对其高程点进行补测；其五，内业采集时无法准确判别的地类地物属性信息等也需要现场调查记录。

1.6 地形图编绘成图

矿山大比例尺地形图编绘成图主要采用RCGIS、CASS等专业测绘编辑软件对地形图进行编辑，根据野外调绘情况，将地物补测调查的空间信息、属性信息按照不同图层要求进行成图入库，并对图上的各类要素进行综合取舍，制作出清晰易读、符合规范与工程要求的图件。

2 案例与分析

为了更加清楚、具体的看出无人机摄影测量技术在矿山大比例尺地形图快速更新中的应用效果，特与传统技术进行对比，对其地形图测绘精确度与成图效率进行比较分析。

2.1 项目概况

本项目区为西北地区某县某矿区，面积大概在2.5平方千米左右，为提高该县人居环境，当地政府要求在短时间内对该县东北方某矿区测绘1∶1000地形图。测区范围内主要包括矿山设施、办公生活区、矿坑、荒山沟壑等。通过现场踏勘，分析认为如果采取传统GPS搭配全站仪测绘的全野外数字测量方法，因为测区地形复杂、天气因素影响等，预计需安排测量人员15名，工作周期约45天，此方法对测量人员技术要求高、工期紧、工作强度大，无法满足对快速测绘的要求。故最终决定采用无人机摄影测量的方法对该矿区进行地形图测绘，根据航飞设计飞行高度控制在120m，航向重叠度控制在85%，侧向重叠度在80%，测区最高点分辨率设为3.2cm/像素，最低点分辨率设为5.2cm/像素，使用CORS系统在全矿区共布设平高像控点85个。本项目内业空三加密软件选用了inpho软件，数据采集选用了航天远景全数字摄影测量工作站，地形图编绘选用了ARCGIS与CASS软件，野外调绘安排人员共6人，外业无人机航摄用时3天，内业影像数据处理与地形图采集5天，野外调绘与地形图编绘修改用时7天。

2.2 分析

项目选用的无人机摄影测量工作方法全部工期共计16天，满足了快速成图的要求；同时，为进一步检验测区地形图是否可以满足对1：1000地形图测绘精度的要求，与传统测量方法的测绘数据精确度进行对比如图2所示。

图2 实验效果对比图

实验结果表明，本文提出的基于无人机摄影测量技术的矿山大比例尺地形图快速更新相比于传统测量方法而言，能够在满足测图精度的前提下最大程度上提高成图效率，极大的降低了野外工作强度，提高了成图效率，能够为矿山开发与建设提供及时准确的基础工作底图。

3 结束语

矿山开发建设中对基础工作底图要求的不断提高促进并拓展了无人机摄影测量技术的应用和范围，同时无人机测绘新技术的不断发展也进一步促进矿山建设开发与管理上的智能化进程。本文对矿山大比例尺地形图快速更新方法进行了分析，依托无人机摄影测量新技术，根据矿山大比例尺地形图的测绘要求，结合相关行业规范，对该方法进行了分析与验证。实践表明，该方法具备较高的时效性和准确性，能够满足矿山大比例尺地形图快速更新的要求。