(1重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院外生成礦與礦山環(huán)境重慶市重點實驗室 重慶 渝北 401120；2重慶理工大學(xué) 重慶 巴南 400054)

1 無人機航攝技術(shù)綜述

近年來，無人機航攝技術(shù)在很多行業(yè)都得到了廣發(fā)的運用。尤其是影響分表率較高、運營成本較低、且高效靈活的輕小型無人機更是得到了各行各業(yè)的青睞。在農(nóng)業(yè)估產(chǎn)、地理信息測繪、森林火警監(jiān)控、環(huán)保監(jiān)測等方面，無人機航攝技術(shù)都發(fā)揮著不可體態(tài)的作用。

無人機航攝系統(tǒng)與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法相比，不僅成本更為低廉，工作效率也有了顯著的提高。無人機航攝技術(shù)能夠以最快的速度獲取所需信息，并滿足了當(dāng)下各行各業(yè)對信息化的需求。據(jù)此，無人機航攝技術(shù)與測繪工作的關(guān)系越來越密不可分，已然成為了我國測繪行業(yè)首要選擇的工具之一。

1.1無人機的發(fā)展現(xiàn)狀。1917年，無人機誕生。最初通過控制計算機系統(tǒng)或無線電遙控裝置來實現(xiàn)無人機不載人的飛行目標，進行軍事監(jiān)視活動是無人機早期的使用目的。隨著科技的不斷發(fā)展，各個類型的傳感器都有了長足的發(fā)展。無人機的使用范圍也由原先的軍事領(lǐng)域擴大到各行各業(yè)。無人機的功能以及其監(jiān)測范圍也得到了極大程度的擴充。

美國、南非等其他國家都非常重視無人機的研制和生產(chǎn)及應(yīng)用。美國在發(fā)展無人機計劃的同時，也考慮民用和商用的可能性，如環(huán)境監(jiān)控、毒品偵察、測繪等。

中國的無人機研制從20世紀五十年代開始。其中我國“長空一號”靶機是較為成功的無人機研制案例。作為一家大型噴氣式無線電遙控高亞音速飛機，“長空一號”的成功研制，開創(chuàng)了我國無人機生產(chǎn)研究的先河。并且在此基礎(chǔ)上，“長空一號”被改裝為核試驗取樣機，并在1977年成功完成一次核試驗穿云取樣任務(wù)。

在我國，高空、高速、中遠程、長航時、大載荷等類型的無人機主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，主要由航空集團、航天集團以及院校研制與生產(chǎn)，國內(nèi)主要有北航、南航、某些研究所等單位研制。

目前民間應(yīng)用正在逐步滲透，航空遙感、災(zāi)情監(jiān)報、礦藏勘探、數(shù)字中國建設(shè)等都需要大批量地使用無人機。根據(jù)專家預(yù)計，今后10年內(nèi)民用無人機市場的銷售額可達10億美元。無論是軍用還是民用，無人機都將朝著模塊化、標準化、多樣化和系列化的趨勢發(fā)展，其應(yīng)用范圍廣泛，前景喜人。

同時民用無人機在航測領(lǐng)域的應(yīng)用還可以作為衛(wèi)星遙感手段的補充。衛(wèi)星影像成為中小比例尺遙感監(jiān)測和制圖的主要數(shù)據(jù)源，甚至成為1：1萬地形圖和專題圖制圖與更新的重要數(shù)據(jù)源。但由于受到衛(wèi)星臨空周期、氣候和供給渠道的制約，用戶訂購高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)在覆蓋度、時效性以及分辨率方面受到較大影響，

1.2無人機系的統(tǒng)構(gòu)成。通常情況下，無人機系統(tǒng)主要包括雙向鏈無線電數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、無線電遙控設(shè)備、無人機平臺、地面站監(jiān)視軟件系統(tǒng)。

目前較為常用的無人機主流操作模式有彈射起飛模式與手控滑行模式。無人機在升空之后自動進入駕駛模式。航拍任務(wù)結(jié)束之后，無人機自動回到出發(fā)點，并由無人機操作人員進行手動著陸。

1.3無人機航攝系統(tǒng)主要優(yōu)勢。

(1)拍攝條件。無人機航攝系統(tǒng)與衛(wèi)星遙感技術(shù)相比，能抵抗6級風(fēng)并可以在云下進行拍攝于飛行。在小雨環(huán)境下，無人機仍能保持良好的運行狀態(tài)并采集相應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)?？梢?，無人機航攝技術(shù)對天氣的要求相對衛(wèi)星遙感技術(shù)來說更低，同時也能及時獲取勘查信息。無人機與傳統(tǒng)航拍技術(shù)相比，起飛降落限值較小、操作難度較低等都是優(yōu)點。

(2)航拍精度。 無人機航拍的分辨率可以達到50mm～400mm，相比其他拍攝技術(shù)來說，其精度更高。無人機航拍成圖比例尺一般為1：500～1：5000之間。其精度與成圖比例尺可以有效滿足礦山測量的實際需要。同時，無人機所得到的航拍數(shù)據(jù)可以為礦山礦界變更等項目的推進與研究提供有力的技術(shù)支撐。

(3)拍攝成本。目前無人機航攝系統(tǒng)的成本主要維持在幾十萬元至幾百萬元的范圍之間。目前最先進的無人機的引進價格能夠達到上千萬元。一般來說，無人機航拍服務(wù)費能夠達到幾百元或數(shù)千元每平方千米。但在不同區(qū)域，無人機航拍的服務(wù)費也略有不同。與傳統(tǒng)航拍等方式相比，無人機航攝技術(shù)仍有成本優(yōu)勢。

(4)拍攝能力。在理想的地理條件和環(huán)境狀態(tài)下，一架較為普通的無人機可以在二十四小時內(nèi)獲得面積小于或等于110平方千米的航拍數(shù)據(jù)。這種規(guī)模的航拍數(shù)據(jù)已經(jīng)能夠充分滿足大部分項目對于航拍數(shù)據(jù)的實際需求。另外，無人機航攝技術(shù)還能為礦山監(jiān)測項目提供數(shù)據(jù)補充的作用。

2 露天礦山工程快速測量方法

2.1影響測量的主要因素及誤差來源。

(1)影響測量的主要因素。在露天礦山工程開展過程中，其采剝量和施工區(qū)域都處于擴大和變化的過程中。并且隨著礦山采剝調(diào)節(jié)的推進與循環(huán)，采用上下尾隨式的作業(yè)方式，并且其施工點多，施工面也廣。礦山開采工作中涉及穿孔爆破、礦石的鏟裝運輸?shù)裙ば?，各個工序涉及的設(shè)備種類眾多。礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造往往十分復(fù)雜，礦石的品位隨著采礦塊段的變化也發(fā)生著巨大的變化。也會存在十分嚴重的礦廢交替的情況。這些因素都會導(dǎo)致礦山監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差。

(2)誤差來源。

①控制點誤差。1：1000是傳統(tǒng)露天礦山控制網(wǎng)所愛用的大比例地形測圖精度。控制點分布由導(dǎo)線點、交會點。10″小三角點由高到底構(gòu)成。這種方法具有擴展級數(shù)多的特點，這就導(dǎo)致了傳統(tǒng)方法的累計誤差打，并且其用作工程控制帶你的精度也不會很高。

②現(xiàn)場測量過程中的誤差。在現(xiàn)場測量過程中，礦山往往處于開采過程中。而施工現(xiàn)場往往存在頻繁的較差作業(yè)，并有許多工種共同作業(yè)。大量的爆破工種和鏟挖量導(dǎo)致工作平臺發(fā)生較大變化。相應(yīng)的測量標志也很容易受到影響或破壞。為了減小礦山生產(chǎn)過程中對測量產(chǎn)生的影響，測量人員不得不不斷補充擴展測量控制點，在這個過程中，現(xiàn)場作業(yè)行為就對測量精度產(chǎn)生一定影響。測點方式不到位、手持棱鏡桿后視都會導(dǎo)致精度的偏差。車輛、電鉆等生產(chǎn)設(shè)備運行時產(chǎn)生的機械振動、水平角誤差、垂直角觀察誤差等都影響著現(xiàn)場測量過程中的誤差。

2.2現(xiàn)行露天礦山快速測量的基本條件與原理。

(1)基本條件?，F(xiàn)行的露天礦山施工快速測量方法要求運用現(xiàn)有的測量設(shè)備，并在保證測量精度的前提上，選擇符合礦山開采施工要求的測量方法。同時也要保證測量精度的合理性與測量工作的效率。

在開始測量之前，要滿足一下條件：

測量的起算邊距與測區(qū)的距離應(yīng)該較近，并且所選的控制區(qū)域的面積應(yīng)該較為適中，大部分的礦山外圍輪廓應(yīng)該保證基本成型。視野通視條件好、穩(wěn)定性好使在測量之前礦區(qū)周圍應(yīng)該具有的特點。

(2)基本原理。

①測繪者應(yīng)該充分利用礦山有利的地形條件，讓測量設(shè)備的準確性得到充分的體現(xiàn)。礦山周圍布設(shè)的基本控制點應(yīng)該具有較高的精度。基本控制點一般作為測設(shè)控制點或施工放樣。

②在充分分析測量條件的情況下，最大程度低降低現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境對測量產(chǎn)生的影響。從而保證盡量在精度較高的控制點上進行測量工作。特殊情況下應(yīng)選用精度較高的設(shè)備補充控制點。

③收外界因素影響較小的地段或礦區(qū)周邊應(yīng)該作為補充控制點或?qū)Ь€點布設(shè)首先考慮的地點。

2.3傳統(tǒng)及現(xiàn)行監(jiān)測方法綜述。無論選擇何種礦山監(jiān)測方法，全站儀和GPS一體化測量方法都是測量基礎(chǔ)。目前這兩種測量方式及設(shè)備已經(jīng)普及到各個測量領(lǐng)域。但是在特殊的情況或地區(qū)下，全站儀可以配合RTK來完成測量工作。

但是這些方法由于地形的限制，很容易出現(xiàn)因地形復(fù)雜而導(dǎo)致測量盲區(qū)的產(chǎn)生。測量的周期較長、難度較大，人力物力投入較大也是傳統(tǒng)測量方式的短板。

在使用傳統(tǒng)方法對礦區(qū)進行測量的過程中，需要在施工區(qū)域內(nèi)設(shè)置較多控制點，同時需要在不同的控制點上設(shè)置測量站。外界因素對測量結(jié)果的影響很大?？焖贉y量方法雖然可以再通視條件較好的地方所設(shè)置的高精度控制點進行測設(shè)，但是其對于環(huán)境仍有一定要求。在有風(fēng)、下雨等環(huán)境都會影響設(shè)備的運行，從而影響測量的精度。

3 無人機航攝在礦山測繪中的應(yīng)用研究

3.1無人機航攝的方法與流程?，F(xiàn)代化測繪手段有效加強了數(shù)字礦山的建設(shè)。而通過無人機航攝所采集到的礦區(qū)地理數(shù)據(jù)與圖形圖像，對簡歷礦山數(shù)字化模型有著明顯的作用。同時也為礦山的生產(chǎn)管理提供了詳盡有效的數(shù)據(jù)資料，同時也對礦山資源的綜合保護作用起著推動作用。本文以DOM數(shù)字正射影像圖快速生產(chǎn)與DLG數(shù)字線畫圖為例，闡述了無人機在礦區(qū)測繪時的運用，具體如下：

(1)航攝像空點布設(shè)與數(shù)據(jù)采集。根據(jù)相應(yīng)測量外業(yè)規(guī)范要求，采用RTK差分定位的形式布設(shè)航攝像空點，然后采集高程三位數(shù)據(jù)和像控點平面數(shù)據(jù)。

(2)低空航攝與航線設(shè)計。操作者可以將谷歌影響作為底圖，并設(shè)定調(diào)查區(qū)域的角點坐標。然后根據(jù)航向等要求進行航線的布設(shè)。實際工程中為了保證三都重疊，經(jīng)常會在調(diào)查區(qū)域橫縱方向較差布設(shè)航線。在無人機運行航攝過程中，除了嚴格按照航線飛行，還要時刻關(guān)注電池電量，保證無人機的正常運行。

(3)影像編輯、建模與外業(yè)調(diào)繪。無人機所采集的影像數(shù)據(jù)應(yīng)該及時導(dǎo)入內(nèi)業(yè)例題測圖軟件中。通過軟件完成影響的拼接建模和自動匹配，并快速形成三維模型。在軟件中，可以根據(jù)影像資料和事先布置的控制點的外業(yè)數(shù)據(jù)，完成外定向與影響配準。

(4)DOM、DEM數(shù)據(jù)處理。得到無人機采集的數(shù)據(jù)后，可以根據(jù)專業(yè)的軟件將初始的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的DEM數(shù)字高程模型，并能夠保證數(shù)字劃線圖數(shù)據(jù)與其精度相匹配。

4 無人機在露天礦山監(jiān)測中的技術(shù)特點

4.1數(shù)據(jù)獲取周期較短。衛(wèi)星及其他常規(guī)的航空遙感技術(shù)，在環(huán)境等客觀因素的制約下，都很難及時獲取調(diào)查區(qū)域的遙感數(shù)據(jù)。由于衛(wèi)星是有規(guī)律地在空氣中的既定軌道運行，所以衛(wèi)星獲取的遙感數(shù)據(jù)具有周期性。并且受云層和大氣層的影響很大。而在辦理好空域飛行申請后才能開展常規(guī)航空遙感工作，其數(shù)據(jù)采集工作受到空軍的影響很大?？沼蝻w行申請的申請與辦理往往要耗費一個月以上的時間。這在很大程度上就影響了數(shù)據(jù)的時效性，同時也影響了數(shù)據(jù)采集的效率。而無人機本身飛行的高度較低，不涉及空域申請等審批程序。只要通過相應(yīng)注冊即可進行飛行監(jiān)測工作。所以，只要氣象條件良好，就能夠開展無人機航攝工作進行數(shù)據(jù)的采集，這樣就能保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性和及時性。

4.2數(shù)據(jù)分辨率較高。無人機的飛行高度一般處于1000米以下的低空內(nèi)。無人機本身配備的傳感器往往屬于高分辨率的傳感器，其獲取影響的分辨率往往能夠達到厘米級。這樣精度的數(shù)據(jù)能夠滿足各種比例尺測量監(jiān)測需要的工作。傳統(tǒng)的監(jiān)測手段很難等達到這樣的精度。

4.3經(jīng)濟效益較好。無人機本身運營成本較低，且操作十分簡單。相比傳統(tǒng)監(jiān)測方式來說，無人機的技術(shù)手段的性價比十分優(yōu)越。由于無人機航攝較高的經(jīng)濟效益，從而具備了很大的推廣價值。

4.4無人機航攝在礦山開采監(jiān)測與礦產(chǎn)資源保護上的應(yīng)用。礦山在正常開采過程中很難避免對周圍環(huán)境的不利影響。所以對于鐵礦、煤炭等具有較高經(jīng)濟利用價值的非可再生資源來說，加強礦山開采利用中的執(zhí)法監(jiān)督，嚴禁過渡開采、違法開采等行為，可以有效避免自然環(huán)境和生態(tài)資源的破壞與損害。

但是由于很多礦山所在區(qū)域都遠離城區(qū)或居住區(qū)，對其開展監(jiān)督檢查等執(zhí)法工作具有一定難度。為了保證礦山開采監(jiān)測的有效進行以及對礦產(chǎn)資源的有效保護，必須借助現(xiàn)代的信息技術(shù)手段來完善傳統(tǒng)的礦山監(jiān)管監(jiān)督體系。而將無人機航攝技術(shù)投入到如今的露天礦山監(jiān)測工作中，工作的效率得到了有效的提高。無人機航攝采集到的礦產(chǎn)資料可以實時上傳到政府部門，這些圖片及動態(tài)影像數(shù)據(jù)為國家加強礦產(chǎn)資源管理工作提供了詳細有效的參考資料。

目前很多無人機都配備了多光譜傳感器。這種傳感器可以對隱蔽礦區(qū)、礦山植被覆蓋部分獲取短期內(nèi)的定量質(zhì)量。這些信息對安排科學(xué)有效的礦區(qū)開發(fā)及保護治理工作計劃提供了必要的信息數(shù)據(jù)。

礦山信息化管理的有效手段就是數(shù)字礦山建設(shè)。而礦山基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)是建設(shè)數(shù)字礦山的基礎(chǔ)。其中地形圖件、遙感影像、高程數(shù)字模型等數(shù)據(jù)都包括在數(shù)字礦山數(shù)字庫中。目前多數(shù)礦山都采用傳統(tǒng)的監(jiān)測手段來獲取相應(yīng)的礦產(chǎn)數(shù)據(jù)。但傳統(tǒng)手段很難滿足礦山建設(shè)過程中需要對地理數(shù)據(jù)更新的需求。并且，傳統(tǒng)技術(shù)的操作周期長、成本高，都影響了實際的工作效率。另外，礦山所在地多為偏僻的山區(qū)，有人機航攝、衛(wèi)星遙感等技術(shù)很難達到對信息的實際需求。并且也很難滿足礦山對數(shù)據(jù)現(xiàn)實性的要求。而低空無人機航攝技術(shù)的出現(xiàn)，則有效地解決了這些問題，同時也能滿足建設(shè)數(shù)字礦山的實際需要。

5 總結(jié)

無人機遙感航攝技術(shù)的空中遙感平臺以低俗無人機為主，并通過攝像、彩色、黑白、紅外燈傳感器技術(shù)在空中拍攝相應(yīng)區(qū)域的影響數(shù)據(jù)，并通過計算機技術(shù)對這些采集來的圖像信息進行分析與加工。這個無人機航攝信息采集處理系統(tǒng)在最優(yōu)化組合和設(shè)計方面都有顯著的特點。這也是一種融合遙測、遙感、遙控等多方面技術(shù)并與計算機技術(shù)進行良好配合的新型信息采集應(yīng)用型技術(shù)。

因為無人機航測技術(shù)具有較好的實時性，所以這種技術(shù)可以及時對數(shù)據(jù)庫中的地質(zhì)環(huán)境信息進行更新、升級和修正。這一功能為我國政府等職能部門對礦產(chǎn)、國土、環(huán)境等方面的管理、治理、監(jiān)管工作提供了技術(shù)支持以及信息保證。

同樣，隨著我國改革開放的不斷深入，經(jīng)濟、技術(shù)等方面都有了長足的進步。我國各個地區(qū)的地形地貌發(fā)生了很明顯的改變?，F(xiàn)有的國土、礦產(chǎn)勘測技術(shù)已經(jīng)很難滿足如今的生產(chǎn)需要。如今發(fā)展迅速的經(jīng)濟文化建設(shè)事業(yè)也需要全新的遙感探測技術(shù)為其提供信息支持。而無人機正是應(yīng)對這種需求而產(chǎn)生發(fā)展起來的一項全新的應(yīng)用性技術(shù)，同時也能有效提升相關(guān)測繪行業(yè)的工作效率。相對傳統(tǒng)的地理資料踏查方法，無人機航攝技術(shù)的應(yīng)用于推廣，有著十分重要的實際意義。