无人机航空摄影测量技术在石灰岩矿区测量中的应用

李蓬勃，马 强，黄德胜，陈传刚，向永忠

(中国建筑材料工业地质勘查中心河南总队，河南 信阳 464000)

无人机航空摄影测量是近年来迅速发展的空间数据获取手段，具有较高的机动灵活性，受地形限制小，同时能大大降低外业工作的劳动量和难度[1]。该技术通过在飞行平台上搭载高清相机，采集垂直正射影像，经过空中三角测量、密集点云匹配等步骤，生成高精度DSM与DOM，将DSM和DOM导入立体测图软件EPS中，采用裸眼3D测图技术生成数字线划图。

以柳林华新水泥厂石灰岩矿区为例，探讨无人机航空摄影测量技术在石灰岩矿区测量中的应用。通过无人机航空摄影测量，获得原始照片及POS信息。垂直起降、免像控的技术应用对于多山多沟壑、像控点布设困难、人力难以到达等地区具有明显的可操作性优势，大大提高了野外数据获取的工作效率，提升了数据实时性、准确性和可视性，制作的地形图内容全面、精度可靠；通过内业处理与实景三维建模，制作出1∶2000地形图，能够确保矿山地形的测量的精准度[2]。

1 矿区概况

柳林华新水泥厂石灰岩矿区在信阳市西南27km处，位于浉河区谭家河乡和柳林乡交界处，行政隶属谭家河乡千工堰村和柳林乡红檀村所管辖。矿区东起灵山坡山沟谷中，西至蔡家桥，南至白鹤湾——南冲一线，北至陈家冲一颗树湾，面积约4.0km2。气候属暖温带和北亚热带过度地区，区内植被发育，茶树、果树、杂木遍地，属植被覆盖区。矿区属切割较弱的低山丘陵区，最高点位于灵山坡顶，海拔273.20m，起伏变化较大，部分区域地势陡峭，最大海拔相对高差177.30m，区内以露天矿山采坑、居民地、林地、耕地为主，矿区范围内有9个开采多年的大理岩采石场，交通不便，野外测量工作难度较大(图1)。

图1 测区位置示意图

2 无人机在矿区测量中的应用

为满足测量需求，在柳林华新水泥厂石灰岩矿区采用飞鹭(HERON)免像控无人机摄影测量技术对其进行数据信息采集，并绘制1∶2000地形图。该矿区属于低山丘陵区，无大型障碍物，便于采用无人机航空摄影测量技术对其进行全景拍摄。无人机航摄前要开展测区图根点控制测量，确保测区图根点精度满足要求，利于下一步工程地质测量和精度检查分析。

2.1 技术准备

本次选用飞鹭(HERON)免像控无人机和索尼a6300相机进行影像采集，按照1∶2000地形图航空摄影测量技术要求，无人机主要性能参数见表1。

表1 飞鹭(HERON)免像控无人机主要性能参数

因为矿区地形相对高差不大，无人机飞行航线根据表2参数要求进行设计。航线规划采用地面站优飞全景软件，将实际飞行范围转换为kml格式文件，导入地面站优飞全景软件，设置航线参数，软件自动生成航线。

表2 航线规划

2.2 无人机航摄质量

无人机飞行质量控制有效性直接关系到影像数据质量[3]。要保证无人机航拍矿区的测绘质量，对飞行前、中、后，每一个环节都务必严格把控，也要对飞行实施过程中的特殊情况进行把控[4]，还要对无人机的飞行方向和航拍角度进行调整控制[5]。在拍摄位置进行反复多次的无人机航拍，根据拍摄的多个清晰成像对相机参数进行调整，一直拍到最清晰的图像[6]，确保相机参数等级满足航拍要求。

各项检查完毕确定无人机达到飞行作业条件后，将设计好的航线上传无人机飞控系统，无人机操控手根据地面控制站指令启动无人机，无人机升空后根据规划好的航线进行飞行，到达指定位置之后执行拍照任务。在无人机飞行作业期间地面控制站实时监控无人机工作状态，观察无人机电池电量变化情况，确保其按照预设航线飞行，航摄相机正常工作，机载RTK能够获得固定解定位。无人机执行完一个架次的飞行任务后自动返回起飞点，飞控手控制无人机降落。无人机降落后，通过地面控制站下载POS数据，更换电池进行下一个架次的飞行。

在本矿区共拍摄像片965张，根据数据处理软件Photoscan对原始数据格式要求，按指定路径拷贝到储存服务器上，将相机中存储原始照片以及地面站软件中的POS信息一键导出，检查数据质量，确保像片清晰，并整理好摄影片。

2.3 内业处理与实景三维建模

(1)内业处理。

将导出的原始照片及POS信息导入至Photo Scan Pro后处理软件，进行无像控点的全自动数据后处理(图2)。

图2 空中三角测量成果

(2)数字地表模型(DSM)和正射影像(DOM)模型。

完成空中三角测量后，在像片上进行更密集的特征点提取，匹配出密集的三维点云。在点云的基础上，反演生成数字地标模型DSM和真正射影像DOM(图3、图4)，将实景三维模型成果以OSGB格式导出。

图3 数字地表模型(DSM)

图4 正射影像模型(DOM)

2.4 制作1∶2000地形图

本次1∶2000地形图制作采用EPS裸眼立体测图软件，该软件能基于DSM进行裸眼3D测图，是目前市场上精度最高的一款裸眼立体测图软件。

(1)配置测图方案。将DOM和DSM导入EPS测图软件，建立测图工程；其次采集地物，在EPS测图软件中按照等高线、陡坎、矿坑、居民地和垣栅、道路及附属设施、管线及附属设施、水系及附属设施等地物类型分类分步骤在模型上采集，对于模型上无法准确定位的地物，打开原始拍摄的像片，确定地物位置(图5)。

图5 地形采集

(2)绘制地形图。对居民地和垣栅、工矿建筑物及其他设施、交通及附属设施、管线及附属设施、水系及附属设施、地貌和土质等按规范要求进行绘制，文字注记放在相应注记层，按照CASS7.0编辑软件系统配置对数据进行分层、分色。

(3)采集高程注记点。在明显地物和地形特征点上选好高程注记点，其密度为图上每100cm2内12～18个(平地、山地)，高程注记精确至0.1m。高程点采集时点位应选在典型位置上，如地形特征点、道路中心线、道路交叉中心、建筑物墙基脚、较大的庭院内或空地以及地面倾斜变换处。

(4)整饰地形图。将EPS测图软件中绘制好的地形图以CASS交换文件的形式导出，成果导入南方CASS7.0数字化成图软件，按照相关规范及图式进行地形图整饰，为方便技术地质人员使用不再进行分幅。

2.5 精度分析

为确保产品质量，对生产的1∶2000数字线划图全过程均按ISO9001质量管理体系要求进行质量管理。实行两检一验制度，作业员对起算数据、外业测量原始数据、地形图等进行100%内业检查和外业巡查；技术负责人对原始数据获取、地形图、测绘技术报告等进行全面复查；然后送公司技术质量部进行检查验收。

为了检核地形图精度，外业采用全站仪在测区范围内均匀测定40个平面点和40个高程点作为检测标靶点。在后处理得到的正射影像上量测测区内标靶点的平面坐标，在对应的DSM上量测标靶点对应的高程，并将其与标靶点的坐标进行统计比较，经统计平面X、Y方向和高程H的标靶点误差分布分别如图6、图7、图8所示。

图6 1:2000 比例尺测图标靶点误差 dX分布图

综上可以看出，1∶2000 比例尺测图的平面位置误差在1倍地面分辨率以内占45%，误差在2倍地面分辨率以内占97%；高程误差在1倍地面分辨率以内占67%，误差在2倍地面分辨率以内占94%。可见飞鹭无人机航测系统完全满足 1∶2000 免像控测图精度要求。

3 结论和讨论

(1)无人机航测技术优势明显，在矿山测绘中发挥了十分重要的作用。获取到信息数据之后就开始进行处理，整体信息处理速度非常快[7]。同时，使用大数据库可以对无人机航测技术获取数据及图像永久保存，随时调用、编辑、成图等，利用率高[8]。对矿区后期的矿产开采、动态监测及地质灾害分析等工作提供了有力的辅助决策依据[9]。

图 7 1:2000 比例尺测图标靶点误差 dY分布图

图 8 1:2000 比例尺测图标靶点误差 dH分布图

(2)无人机航测系统既能搭载单镜头获取垂直影像，又能搭载五镜头多拼相机进行三维建模。垂直起降、免像控技术的应用使得其在工作效率方面超出人工许多倍，还能够避免矿山实地测量工作对作业员人身安全造成的影响。无人机质量优秀不易被损坏，避免在矿山地形测量上再次投入仪器产生成本浪费[10-11]。

(3)值得注意的是，架设基站的基准点级别尽量高，测量前后均应量取仪器高，确保起算数据精准；及时进行外业像片质量检查，确保航拍像片清晰，反差适中，颜色饱和，色彩鲜明，色调一致，质量满足要求，有不合格的及时进行补拍；如果对居民地名称、电力线、植被等属性无法确定时，需要重新进行外业调绘，同时需要补测航拍时被遮挡的地物，才能提高其数据的完整性和精准度[12]。