无人机测量技术在矿山地质测量工程中的应用研究

燕利芳，尚秀全

(神木职业技术学院，陕西 神木 719300)

矿山地质测量工程在矿山企业的生产经营过程中是一项较为重要的工作内容，包括矿山内高程基点的测量和内部基点的测量[1]。对于矿山地质测量工程而言，需要在矿山周围建立监测站，通过在地面寻找控制点，获取矿山施工过程中的实际测量数量。为了使获取的数据更加精准，以高程系统和矿山地面坐标为依据，完成矿山地质测量工作[2]。同时，利用在井底构建的高程系统，对矿山的各个控制点进行基础测量，并向井下的各个控制点进行延伸，这样才能保证矿山地质测量工程中获取数据的准确性，也是贯通测量的重要保障之一。根据矿山的实际情况，结合现代测绘技术进行了矿山的测量体系建设，并运用准确的测算方法，保证了矿山地质测量工作的顺利开展[3]。在进行矿山地质测量过程中，也要对矿山开采区进行准确的勘探。

刘丹丹等[4]提出了一种基于改进静电感生原理的粉尘浓度的感应电荷测量方法，并在此基础上探讨了在感应电荷最大时测试设备的构造情况，应用Fluent6.3软件对各种结构的测试仪内流场进行了仿真，通过反应表面方法和Design-Expert方法的结合，计算出了喉道直径和长度，从而判断出感应电荷量产生明显的作用。程波等[5]为了研究矿井下气体成分测量技术，对历史文献和相关资料进行了调研，并对目前国内外有关矿井的气体浓度测量技术进行了总结。通过对矿井瓦斯浓度检测的理论和实际工程实践中的问题进行了深入的探讨，总结出矿井瓦斯浓度检测技术正朝着智能化和多元化的方向发展。为了验证所得理论的有效性，通过现有的高精度原位测量技术加强理论研究的验证。

基于以上研究背景，本文将无人机测量技术应用到了矿山测量工程中，从而保证矿山测量工程顺利完工。

1 矿山地质测量工程设计

1.1 测绘参数和关系

在矿山地质测量工程中，利用无人机测量技术[6-7]对矿山内的数据进行测量，测量过程中其结果的准确性受无人机拍摄过程中的参数影响，处理难度也会增加。为了提高矿山地质测量工程中测绘参数的精度，就要对矿山地质测量工程中的测绘参数和关系进行分析[8]，并对影响因素进行详细了解。

常规的矿山地质测量工程中，只有一个垂直的镜头进入矿山，与测量区内的物体关系较为简单，在矿山地质测量工程中测绘参数如下。

(1)矿山地质测量分辨率与相机的焦距。该参数是评价矿山测量质量的重要指标，主要指2个相邻测量物体间的距离，其单位一般用像元表示分辨率的大小，对于矿山地质测量无人机航摄系统，假设数码相机的位置固定，那么得到矿山地质测量影像的分辨率由航高决定[9]，只有当航高较低时，获取的矿山地面分辨率较高。矿山地面分辨率与航高的关系见表1。在低空飞行拍摄过程中，虽然分辨率更高，画面更清楚，但也会带来一些不利的后果，比如在飞行时，受天气、高度等因素的影响，矿山地质测量中物体的影子被拉出很远的距离，这对后续的工作非常不利，而且，当飞行高度过高时，很可能会造成安全隐患[10]。由表1可知，采用焦距50 mm透镜，在较高的航高处即可获得较高的分辨率，而图像的宽度、高度也相应地缩小，从而极大地降低了图像采集的效率。因此，在实际应用中，通常使用的是24、35 mm的焦距。

表1 矿山地面分辨率与航高的关系Tab.1 Aerial height relationship corresponding to mine ground resolution

(2)航高。通常情况下，矿山地质测量工程中航高的确定与矿山地质测量工程的精度有关，地面分辨率越低，随着航高的降低，图像的数目就越多，受航高的下降影响，无人机的效率会下降[11]，给外业和内业都增加了较大的工作难度。由于航高会受到矿山测量工程工作量、影响重叠度、施工安全等因素的影响，必须综合考虑以上因素才能获取合适的航高。

(3)像片重叠度。像片的重叠是矿山地质测量工程中重要的保障工作，有时为了提高矿山地质测量工作的效率，往往降低像片的重叠度，当重叠度降低以后，矿山地质测量过程中的航片数量和数据会减少，从而导致矿山地质测量工程的结果出现偏差[12]。很多专家和学者对重叠影像的误差进行研究，得到受不同无人机的翼型结构和飞行稳定性的影响，导致矿山地质测量像片的重叠度有所不同，这样会大大增加影像内业人员的处理工作，但是像片重叠度高会大大降低测量过程中的误差。

(4)飞行速度、曝光时间。如果在矿山地质测量过程中无人机的速度太快，会对无人机的稳定性造成一定的干扰，从而导致无人机的飞行品质和测量精度都会下降[13]。大部分的无人机都是以低转速的方式在天空中飞行，为了确保画面的拍摄和安全性，目前的无人机都配备了定速巡航，以确保飞行器的平稳，而画面的重叠度则是由飞行器的速度和曝光的持续时间来确定的。

至此，完成了无人机测量技术测量矿山地质测量过程中的地面分辨率与相机焦距、无人机航高、矿山地质测量区域的像片重叠度和飞行速度、曝光时间等测绘参数之间的关系分析。

1.2 空中三角量测

在矿山地质测量工程的空中三角量测过程中，采用DATMATrix技术[14]，通过采用少量的地面控制点，对整个区域内的图像进行位置加密，然后通过上文得到的测绘参数，进行精确的计算。除了自动测量点以外，内定向和连接点的自动抽取工作可以实现自动处理[15]。利用DATmatrix实现矿山地质测量工程空中三角测量的基本流程如图1所示。

图1 矿山地质测量工程的空中三角量测流程Fig.1 Flow chart of aerial triangulation of mine geological survey engineering

图1中，数据准备阶段是根据矿山地质测量工程中测绘参数的拓扑关系，对于矿山地质测量工程而言，其拓扑关系如图2所示。

图2 矿山地质测量工程测绘区域的拓扑关系Fig.2 Topological relationship of mine geological survey engineering surveying and mapping area

利用无人机测量技术实现了矿山地质测量图像的自动或半自动化采集，通过图像点的自动选择和转换，再利用平差法进行校正运算，最终得到矿山地质测量工程测绘区域测量数据。

1.3 矿山地质测量工程的测绘方案

利用无人机测量技术[16]制定矿山地质测量工程的测绘方案的具体步骤：①收集与整理资料。在接到矿山地质测量任务后，首先要认真分析测量任务的目标，确定无人机遥感设备在飞行区域内的地质条件，通过气象条件展开无人机航空遥感工作内容的设计，通过收集和整理历史矿山测量工程的工作资料，为测绘方案提供合理的依据。②选择无人机起飞场地。当无人机到达矿山地质测量工程的目标区域后，根据无人机飞行的路径方案，最大程度保证矿山地质测量工程的顺利开展。由于无人机飞行中存在很多不可抗因素[17]，因此会存在一定的安全隐患，有必要提前进行试飞和降落试验，保证无人机在进行矿山地质测量工程中的安全问题。③设计矿山地质测量飞行方案。优化的无人机飞行计划，可以有效地降低无效矿山地质测量数据的产生，根据对区域的位置、面积等信息的综合分析，同时兼顾了飞行的效率，利用最短的路径进行图像采集，以确保整个区域的覆盖率。④检查无人机遥感控制系统。无人机测量技术的成功应用离不开先进的装备[18]，因此，在完成无人机遥感任务之前，要认真地对所有的零件进行检查，确保所有的零件都能正常工作，这是无人机遥感任务安全高效执行的重要因素。⑤飞行质量和影像质量检查。完成任务后，要对矿山地质测量工程中获取到的遥感图像进行质量检验，获取到的资料可以完善矿山地质测量工程的测绘方案，但在获取无人机遥感资料时，会因空中的气流不稳、机体的质量影响[19]，使得航向出现偏差以及机身的倾角，因此要对矿山地质测量数据进行像片重合度和色彩饱和度检查。⑥测绘方案的制定。在无人机采集的矿山地质测量数据进行处理前，要对合格的矿山地质测量资源进行整理[20]，包括矿山地质测量过程中的原始影响数据，整理好影像后，从而完成矿山地质测量工程测绘方案的制定。

2 实例分析

2.1 研究区概况

本文的实验选择某矿山地质测量工程为研究对象，将矿区作为无人机的航摄区域，该矿山的整体占地面积为0.08 km2，呈现出低山丘陵景观的地貌特征。该矿山区域内呈现出比较薄的土壤图层，主要的岩石结构为沙砾、碎石和裸岩，矿山周围还有大面积水域，研究区域的遥感影像如图3所示。

图3 研究区遥感影像Fig.3 Remote sensing image of the study area

2.2 矿山地质测量工程建模

在矿山地质测量工程建模中，利用Smart3D Capture软件简化建模的过程，具体建模原理如图4所示。获取矿山地质测量工程中的测绘文件通常是以文本文档的格式存在的，在导入的过程中，需要将其转换成Excel格式。根据矿山地质测量工程建模的基本原理，制定了矿山地质测量工程的建模步骤:①打开Smart3D Capture软件，新建项目，输入矿山地质测量工程的具体名称，选择相应的矿山地质测量工程目录；②添加需要建模的矿山地质测量工程现场施工图片，检查图片的完整性；③从矿山地质测量工程现场施工图片上选择合适的控制点，并将其添加；④利用Smart3D Capture软件中的Context Capture Center Engine对矿山地质测量工程进行空中三角量测；⑤对测绘得到的矿山地质测量工程影像进行分块处理；⑥对矿山地质测量工程进行3D建模，选择模型的输出格式和使用的坐标系统，选中需要建模的瓦片；⑦等待建模完成。

图4 矿山地质测量工程建模原理Fig.4 Principle of engineering modeling of mine geological survey

3 结果分析

根据2.2节中矿山地质测量工程的建模结果，经过Smart3D Capture软件处理，得到矿山地质测量工程的测绘结果，其中矿山地质测量工程的整体测绘结果如图5所示。

图5 矿山地质测量工程的整体测绘结果Fig.5 Overall mapping results of mine geological survey engineering

分析图5可知，利用测绘参数调整后的无人机测量技术对研究区域的整体测绘结果较完整，可以使得矿区的地物衔接更加紧密，展现出更加逼真的纹理，测量完整性较好。

矿山地质测量工程的建筑细部图如图6所示。

分析图6可知，无人机测量技术通过布置地面控制点，得到了研究区域外方位元素和地物的地面坐标，能够展现出矿山地质测量工程的基本轮廓和矿区建筑物的结构特点，建筑物附属表现和屋檐基本完整。

矿区山体背面树木测绘结果如图7所示。

图6 矿山地质测量工程的建筑细部Fig.6 Architectural details of mine geological survey engineering

图7 矿区山体背面树木测绘结果Fig.7 Mapping results of trees on the back of the mountain in the mining area

分析图7可知，无人机测量技术对矿区山体背面树木的测绘结果较清晰，可以获取矿山测量工程的多视觉影像，根据矿区地面控制点的选择，可以生成矿山地质测量工程的三维测绘模型，得到完整且清晰的测绘影像。综合上述分析可知，无人机测量技术在矿山地质测量工程中应用后，具有全局完整性较好、局部细节清晰等优势。

4 结语

本文提出了无人机测量技术在矿山地质测量工程中的应用研究，结果显示，应用无人机测量技术可以生成矿山地质测量工程的三维测绘模型，得到矿区整体状况、建筑细部情况和山体背面树木等基本信息。但是本文的研究还存在很多不足，在今后的研究中，希望可以考虑到测绘人员的专业素质，使无人机测量技术在矿山地质测量工程中发挥出一定作用，推动矿山行业的发展。