地质测绘中的无人机航测系统解决方案分析

张梅 韩正

（山东省鲁南地质工程勘察院，山东 兖州 272100）

0.引言

当前背景下，测图常用的方法有航摄数字化测图、全野外数字测图两种方法。全野外数字化测图，通过RTK、全站仪对数据进行采集，既消耗了大量物力、人力，且应用范围较窄。传统航空测量发展比较完善，且在实践中得到了广泛应用，但该技术成本消耗大，在一定程度上限制了其应用范围。伴随社会经济的迅速发展，诞生了许多先进技术，并在相关领域中发挥着重要作用。其中无人机技术搭配航测技术，在地质测绘领域凸显了巨大优势。与传统人工测量相比，无人机航测系统操作方便、结构简单，几乎不会受地貌因素的影响，其在危险领域的测绘中效果显著，同时为地质测绘图和航拍影像提供了新的采集方式。

1.无人机航测系统

无人机航测系统包括无人机、摄影传感器和GPS定位导航等。无人机成本低、专业性强，在飞行中，能使用远程通信装置、信息处理系统、飞行平台及操作系统等完成相关数据信息的采集工作，并且无人机航测系统操作便捷，能精准获取影像，几乎不受地形因素的影响[1]。其中，空中测量系统包括自动驾驶仪、飞行平台和数码相机等，主要用来完成空中测量摄影工作。地面控制系统，主要由地面传输、无人机地面控制与数据接收接收交换等组成。数据处理系统包括航线设计、数据后处理软件，主要适用于后期数据处理、航前测定等工作（如图1所示）。这一阶段的主要任务是采集数据、编辑数据，一方面，利用DEM（数字高程模型）和DOM（数字正射影像图）生成处理，依托现代化技术、数据处理等生成基本数据模型；另一方面，检测DEM和DOM数据生成的结果，最大限度确保数据输出的准确性，对DEM和DOM成果进行输出。随后，做好DLG（数字线划图）制作，对DLG成果进行输出。无人机低空摄影测量技术的工作流程为：区域航线测量规划—无人机航线拍摄作业控制—存储拍摄数据—交换地面控制数据—无人机降落—补拍数据资料—完成无人机低空摄影测量[2]。

图1 数据处理系统板卡

2.地质测量工作特点

地质测绘是为进行地质调查和矿产勘查及其成果图件的编制所涉及的全部测绘工作的总称。地形测量是指在地形图的测绘过程中，测量地球表面物体、地形水平面的投影位置和高程，然后结合一定比例要求进行缩小，做好测绘工作。通过无人机航空测量影像，测区位于山东某地（如图2所示）。整条线路位于丘陵地形测区，海拔为219-284km。测区线路复杂，地形隐蔽，地物较多[3]。部分地区地物杂乱、树林密集，沿线道路交通良好，影响通视情况。在本次测绘工作中，全站仪、RTK等测量难度较大，部分区域内地质情况比较复杂，树木较多，这在一定程度上加重了测量工作的难度，加之项目工期较短，决定此次拍摄选用无人机航拍的方式[4]（如图3所示）：

图2 测绘区域图

图3 无人机航拍

3.无人机航测系统在地质测绘中的优势

3.1 监测高效、处理效率高

无人机航测系统有很强的时效性，广泛应用在紧急事件的监测方面，可快速采集监测区的影像数据同时实现高精度地形图的绘制，可在第一时间为相关部门的应急处理提供帮助。在监测效率方面，单台无人机的监测范围在2100km左右，监测效率较高；在数据精度方面，无人机影像分辨率明显高于卫星影像，且介于0.1m-0.5m之间，精度较高[5]。随着无人机航测技术的成熟和完善，其在民用领域得到了广泛应用，同时也能应用于数字城市发展建设、灾害预测和评估、网线电网铺设、通讯站的建立、国土资源勘察、实时监测突发事件、城市发展规划、矿产开发、森林治理、数字化农业等领域。在实际测绘中，无人机依托正射影像编制的公里格网、图廓内外注记的平面图正射影像图，整张图像并没有扭曲的情况。据悉，在精度控制方面，主要分为差分RTK和PPK的后差分处理。在地形图的测绘方面，RTK的应用范围较广，相较于传统的测量仪器，其操作简单，且测量精度较高。例如，在城市规划区的测绘过程中，应科学设计控制点，鉴于此，必须要使用RTK技术。若能准确提出控制点，则能有效提高其施工效果。通过RTK技术的应用，有助于常规测量工作的顺利开展。但因为山区的信号较差，在一定程度上增加了RTK的应用难度，也就是通过后差分PPK来减少像控点，极大减轻了其工作负担，有助于精确度的提高。

3.2 范围大且具宏观性

通过无人机航测系统的应用，采用三维仿真模拟技术对监测区域情况进行宏观展示，同时为相关部分的决策提供指导。针对不同航空高度的无人机，其都有自身的监测范围，能应对大范围的高空监测，同时也能对面积较小的地面范围开展实时监测，从而保证监测结果的精确性。在遥感监测作业的过程中，依托多架无人机配合工作，确保大范围上万平方公里的监测作业的顺利开展。工作人员通过监测结果进行光谱分析，从而更大范围获取监测数据，最后得到整个监测区的整体信息。在环境相对恶劣的工作地点工作时，经常会因当地环境无法开展传统航空摄影，如，高山阻碍、云层过低等，这时未能发挥无人机的航拍优势。在任何地形下，都可以顺利起飞，充分发挥航空拍摄的效果，有助于高空影像的精准收集。无人机遥感系统作为一种有效的监测技术，能通过动态监测精准掌握国土资源数量、分布及变化趋势，为相关工作提供决策指导。

4.地质测绘中无人机航测系统解决方案的实践

信息化背景下，地质测绘技术不断革新，传统测量方式已不能满足现代测绘的需求，而无人机的出现，不仅处理了复杂地形的测量问题，同时能为后续工作的开展提供了便利。无人机航测技术应用流程为“技术参数设计—航摄实施—像控点布设与测量—像控点布设与测量—内业空三加密—资料整理”。无人机技术参数和航拍技术参数（如表1、表2所示）:

表1 无人机技术参数

表2 航拍技术参数

4.1 控制点测量

本项目应用先测设像控点再实施航空摄影。在使用无人机航测系统开展地形测量的过程中，工作人员先设置像控点，然后对照影像控点实施无人机航空摄影，以1980西安坐标系中的相关控制点，便于全面覆盖则两区域，确保后续工作的顺利开展。在设置像控点时，工作人员把其布置在旁向重叠、航向重叠等区域，这有效确保了像控点的公用性。如果未能满足公用性的要求，则需通过分别布点防止出现纰漏。在测量环节中，其对测量精度提出了更高的要求，而按照实际的测量情况，无人机航测系统的应用有助于作业实效的提高。针对地质测绘的工作人员来讲，应在手机智能设备中安装相关软件，并导入像控点的位置信息，同时使用卫星地图进行精准定位，并按照实际测量线路科学规划像控点的位置。为了最大限度提升像控点的测量精度，工作人员要对像控点进行随机选择，将像控点的平面中误差控制在0.025m以内，确保符合相关规范和要求。在利用无人机进行航迹线设计像控点时，总共设置了70个像控点，同时在地面上进行标记，从而提高无人机辨识的准确性。

4.2 数据处理

4.2.1 检查影像质量

在无人机航测完成后，工作人员应根据无人机测量获取相关数据，对飞行的质量进行检查（如图4所示）,其中，飞行质量的检查主要由影像重叠度、航线弯曲度、高度变化、像片旋角和倾角等组成，值得注意的是，要确保航拍范围符合任务要求；关于影像质量的检查，包括色调、清晰度、层次及反差等内容，看其能否识别细小的地物，并建构相应的立体模型，着重检查大面积的污点、阴影及反光等，看其是否影响模型的建构。与此同时，在影像质量的检查过程中，应考虑无人机在拍摄中的飞行速度，做好影像位移的工作，保证其能符合相关规范。若影像质量欠佳，难以满足作业要求时，则工作人员应重新拟定测绘计划，做好局部区域的补飞工作。

图4 无人机航拍图

4.2.2 空三加密测图

根据地质测绘项目的实际情况，借助PIX4D的方式开展内业作业，而在空三加密环节中，要使用全数字摄影测量系统，采集好立体数据。在这个过程中，应使用统一的线型库及符号库，结合内业定位、外业定性的原则，确保地貌信息采集工作的顺利开展。等到数据采集工作结束后，工作人员要对数据信息的精准性进行核查，避免出现移位和缺失的情况。然后使用CASS软件，做好矢量地形图的转化工作，确保地形图满足设计要求。同时，在开展外业调绘的过程中，应借助三点自动匹配点校正影像数据，形成数字正射影像图DOM，并根据1∶1000的比例尺进行打印，做好底图调绘工作（如图5所示），在此期间，工作人员应密切关注新增的地貌要素，借助几何法、交会法等对照地物点实施补量，针对在测区内分布的公路，要根据实地位置，做好宽度、名称和等级的调绘工作。另外，针对测区内的各级公路的名称、宽度、路面类型和道路构造物等，应结合实际位置进行调绘。

图5 随机抽取地质图

4.2.3 结果精度分析

在地形测量项目中，实际测绘长度40km，共得出1∶1000图幅100幅。为了提高检测效果的精确性，在测区随机选择了10幅成图，对90个明显地物点进行了采集，对其精度进行统计，结果证明:按照1∶1000地形图精度要求，不管是平面位置中的误差，还是高程中误差均符合设计要求。

综上所述，目前我国正处于社会转型的关键期，无人机技术在测绘工作中彰显了其特殊优势，因此相关部门要大力发展无人机技术，确保其能为测绘工作提供技术方面的支持。无人机航测遥感技术是一种新型的测量工作，有助于信息的高效获得，所以在实践中得到了广泛应用。在地形测量过程中，在效率和质量方面，无人机航测技术比传统的人工测量均有较好表现，能满足复杂地形的测量要求。同时，借助抽样检测的方式，证实无人机航测系统能满足1∶1000地图的绘制，另外其带有灵活性、精准性、高效性等优势，能为地质测绘工作提供了良好的数据参考。