无人机遥感技术在矿山测绘工程测量中的实践与应用

2022-02-22刘戈剑

世界有色金属 2022年23期

刘戈剑，辛瑶

（华北地质勘查局综合普查大队普冠公司，河北廊坊 065201）

1 无人机遥感技术的发展现状

无人机是以空气提供升力、机上无人驾驶、可重复使用航空器。无人机遥感是在无人机技术成熟后形成的新型航空遥感系统，无人机遥感的载体是无人机，主要构件是小型高性能遥感传感器，如光电传感器、红外传感器等。20世纪60年代，我国正式生产出低速遥控靶无人机，21世纪后，无人机遥感技术开始快速发展。早期无人机遥感技术主要由空中部分、地面部分、辅助部分构成，空中部分涵盖了遥感传感器、无人机遥感平台、空中遥感控制系统；地面部分涵盖了无人机地面控制子系统、航迹规划子系统、数据接受解压缩系统、实时显示系统、数据预处理系统；辅助部分涵盖了定标系统等，可以满足自动拍摄获取遥感图像、实时生成传输快视图、接收地面数据等要求。当前，无人机遥感技术分辨率更高，且呈现出系统化、定量化特点，如基于卫星中继的无人机遥感、基于北斗的无人机遥感、基于GPRS的无人机遥感，可以满足高速异地实时传输数据、数据自动处理、高空地协同精准监测等要求[1]。

2 无人机遥感技术应用对矿山测绘工程测量的影响

2.1 提高矿山测绘工程测量精度

定量化是无人机遥感技术的主要特点，无人机定标场的构建，为无人机遥感提供了高度精准标尺，可以满足矿山测绘工程厘米级高分辨率测量要求[2]。特别是近几年基于无人机定标场的航空航天定标场的构建，可以实现无人机遥感数据、航空航天数据融合，在物理空间内贯通地学、光电参量，从源头消除矿山测绘工程中地面影像上端光电仪器系统误差，提高矿山测绘工程测量精度。

2.2 提高测绘工程测量效率

自动化是无人机遥感技术的主要表现。基于无人机遥感通用物理模型可以自动完成成像载荷多刚体拼接向单刚体成像的转变，简化荷载控制体系的同时，提高矿山测绘工程测量效率。同时，一体化无人机遥感操作，可以自动依托无人机搭载的传感器完成地面成像，并在飞行后地面调整定标数据，机动灵活，可以提高矿山测绘工程测量效率。

2.3 提高测量数据应用效率

大尺度是无人机遥感技术的特殊优势。在我国无人机遥感技术发展规模逐步扩大进程中，无人机遥感适应的测绘目标尺寸愈发多样，可以满足不同矿山测绘工程测量尺寸要求。足够的无人机遥感测绘尺寸，可以在确保矿山不同尺寸测绘工程测量任务顺利完成的同时，以立体模型方式即时传递矿山测绘工程测绘区域状态信息，为矿山测绘工程测量数据应用提供依据[3]。

3 无人机遥感技术在矿山测绘工程测量中应用实践

3.1 工程概况

矿山测绘工程正线全长101km，总占地面积27.53hm2，其中永久占地19.36hm2，其余为临时占地。工程具有线路长、施工周期长、扰动和破坏植被面积大、废弃土石方量大的特点。所在地区为中低山丘陵地貌，相对高差25m～596m，海拔125m～1056m。区域土壤成土母质为可蚀性较高的冲积物。区域山坡植被丛生，坡脚植被覆盖率为15.23%，斜坡植被覆盖率为32.50%。区域为暖温带大陆性季风气候，年均温为12.9℃，年均降雨量854mm。

3.2 应用情况及效果分析

3.2.1 应用情况

矿山测绘工程测量是通过测量大地、测量空间信息进行地形图绘制的作业，其是大规模矿区工程建设的前期操作，也是工程投资决策与规划设计的依据。在矿山测绘工程测量中应用无人机遥感技术的流程包括测量设备准备、测绘数据采集（测绘影像获取）、拍摄数据处理几个步骤。

在测量设备准备环节，测量技术人员应确定工程范围与精度要求，准备设备并规划线路，包括飞行高度、飞行方向、风向角度等。根据《低空数字航空摄像测量内业规范》（CH/Z 3003-2010）、《低空数字航空摄影规范》（CH/Z 3005-2010）等规范要求，工程无人机遥感技术应用范围呈“Z”字形，多数废弃渣土长位于线路两侧50km直线范围（以线路为中心线两端各外扩50km）内，监测范围超过19hm2。无人机遥感在矿山测绘工程测量中应用成果精度设定为数字高程模型高程精度2m～5m，数字正射影像地面分辨率0.22m，水平精度1m～3m。

根据成果设定要求，准备发动机引擎、机身、螺旋桨、起落架、机翼、降落伞组成的固定翼无人机以及2110万像素全画幅数码相机（含35mm红圈定焦镜头）、机载飞行和地面站控制系统、精度达到0.5m～1m的Trimble GEO XT手持GPS（地面控制点采集）、Pix4UAV Desktop 3D（遥感影像后期处理），其中机载飞行和地面站控制系统负责按照规划路线自动飞行导航、控制与俯仰角、侧滚角、远程控制，在飞行中确定姿态角、运动参数、坐标参数并输出。设备准备完毕后，测量技术人员应对无人机航拍状态进行检查，根据无人机作业指导说明书逐一核对无人机相关配件与影像系统完好性、通信设备完好性。进而根据实际情况，调试无人机遥感地面站软件，确定无人机航拍过程影片质量清晰、色彩效果佳。

测绘数据采集是矿山测绘工程测量工作必不可少的一个步骤，测绘数据采集准确度、采集速度均会影响矿山测绘工程测量效果。

因此，测量技术人员应利用控制系统，依据设计方案推进无人机飞行、拍摄，协调无人机垂直传感器与倾斜传感器，从多个角度获取足够的原始影像数据。根据测量规程遥感范围设定、项目现场地形地貌，结合遥感测量成果精度要求，分测区飞行，飞行距离为32km，以E105.25123、N31.251251，H426m为基准的航高为1156m，单张照片覆盖面积为1km2（1233.251m×821.365m），拍摄正向影像时的航线呈“Z”字形，照片拍摄航向间隔159m，航向重叠率超过82%，航带之间间隔615m，旁向重叠率超过50%，实际覆盖空间范围为197km2。而无人机航摄系统技术要求航向重叠度不低于53%、旁向重叠度不低于13%，本次测量均满足航空摄影技术规范，便于获得分辨率为5472×3078的高质量遥感数据。整条线路工拍摄照片562张，去雾处理、筛选姿态后具备实际应用价值的照片为558张（.JPG格式）。

在原始影像数据采集的基础上，测量技术人员可以开展地面控制点采集，确保数据精度达标。整条线路地面控制点共采集25个点位，检查点数量为9个，各点位在不同飞行测段内均匀分布，可为整体精度提供保障。

拍摄数据处理是基于专业软件处理原始影像数据的操作，需要在拼接数据的基础上开展高程纠正、几何纠正，确保DOM、DEM格式的数据与精度要求相符。即在去雾预处理的基础上，借助Pix4UAV Desktop 3D软件提取与精度要求相符的DEM、DOM格式影像。同时，在原始影像中找到控制点，输入GPS记录的控制点实际高程、经纬度，提取DOM与DEM影像叠加信息，勾画工程边界。进而根据0.22m的地面分辨率要求，以tile（瓦片）形式存储。

后期测量数据应用时，根据精度要求，在Globalmapper15软件内生成成果数据，成果数据采样率、格式均不同，得出结果见图1。在高程渲染图得出之后，可以从DEM上直接观测工程情况，或者利用GLobalmapper15软件自带的测量工具，进行多边形创建，提取监测所需长度（挡渣墙、路基挡墙、截排水长度）、面积（土地整治、工程护坡长度）信息（见表1），或者结合实地调查结果进行体积（挖方量、截排水工程量、挡墙工程量等）数据的间接计算，为工程开展提供数据。

表1 测绘工程面积计算结果

图1 测绘工程无人机遥感数字高程渲染图

3.2.2 应用效果

如图1所示，工程东北部边缘出现小幅度畸变，与实际情况相符。表明将无人机遥感技术应用到测绘工程中，可以第一时间全面准确反映工程进程，在大规模线性工程中优势较为突出。较之传统卫星遥感，无人机遥感机动灵活，时效性佳，可以根据矿山测绘工程测量需求，由现场监测人员规划遥感范围、遥感时间，在短时间内提取遥感影像，满足工程常规监测要求。同时，无人机遥感可以达到亚米级监测要求，并根据需求进行无人机飞行高度调整，获得多精度成果，满足测绘工程位置、面积等信息持续监测判读要求。除此之外，无人机遥感成果可以更加全面、直观地展现测绘工程当前测量情况，为工程建设方开展施工布局、施工管理、进度控制提供参考。

由表1可知，在计算面积时，无人机遥感技术输出的结果精度不高，各测区误差的差异不显著，可能是由于初步处理环节软件应用不到位，而在获取DEM、DOM影像后的面积提取技术较为成熟。加之无人机成像具有绝对误差较大、相对误差较小的特点，相当于矿山测绘工程整体在空间中倾斜，各测区之间面积计算结果受影响程度相当，检查点误差均值差别较小。

3.3 应用反思

第一，在无人机遥感技术应用于矿山测绘工程测量时，所操作的无人机载重相对较小，操作高度上升时易受空气压力、气流等多种因素影响出现失稳甚至偏离预先设定飞行路线情况，影响最终测量图像拍摄精确性。特别是在云雾、雨雪等恶劣天气，检测成果难以满足精度要求。针对这一问题，根据外业实际测量的参数进行精度分析。即在拼接而成的DOM影像中寻找地面检查点并读取其经度、纬度，将读取数值作为影像值，以地面GPS实测检查点对应的经纬度为实测值，进行精度分析，分析公式为：

式1中，mx为X方向精度，cm；xi为地面检查点影像横坐标，cm；xio为地面检查点实测坐标，cm；n为检查点个数；i为检查点；yi为地面检查点影像纵坐标，cm；my为Y方向精度，cm；yi0为地面检查点实测纵坐标，cm；mxy为影像平面位置精度，cm。在精度计算的基础上，测量技术人员应从测绘数据采集、处理几个方面着手，加强无人机飞行控制，并优化内业处理软件，降低外部因素干扰。比如：在测绘工程项目区高度差异处于较高水平时，因单“z”字形航线拍摄时，主航线两侧高程出现了由一侧向另外一侧逐渐减小（或逐渐增大）的趋势，可改用双“z”字形航线，消除精度误差。

第二，经过精度经验，矿山测绘工程无人机遥感数字高程渲染图的高程误差在2m～5m之间，提取监测所需体积数据无法满足前期精度要求，仅可作为参考数据，直接使用价值较低。为确保无人机遥感测量精确度，在矿山测绘工程测量之初，测绘技术人员可以从实际测绘目标区域情况着手，调整无人机飞行路线，规避外在因素对无人机飞行的干扰。并借助无人机遥感携带照相设备自动调整飞行阶段镜头焦距，规避获取图像重叠等对清晰图像获取的不利影响。同时利用无人机遥感数据处理模型代替基于施工单位计量值的微分法估算，适应测绘工程特殊的空间尺度（介于坡面尺度、流域尺度之间），快速获取测绘工程的高精度测量数据。

第三，矿山测绘工程无人机遥感测量数据处理工作量较大，需要技术人员在熟悉测绘工程情况的基础上人工处理提取，时间成本、人工成本投入量较大。同时，较之当前矿山测绘工程测量费用，无人机遥感测量成本较高，无法实施长期连续监测，只能根据矿山测绘工程情况、遥感测量必要程度，有计划地开展典型区监测。针对这一问题，测量人员可以定期调查分析国内市场测绘工程测量软件价格，协调无人机遥感设备价格与精度，发掘无人机遥感应用潜力，为无人机遥感在测绘工程中长期应用提供依据。