閆皓月，趙艷玲，田帥帥，張建勇，鄒玉珠，陳佳樂

(中國礦業(yè)大學(北京)土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所，北京 100083)

采煤導(dǎo)致的大量采煤沉陷地，嚴重破壞了礦區(qū)的耕地資源與生態(tài)環(huán)境。在平原區(qū)采煤沉陷地有兩個特征，一是采煤沉陷地呈現(xiàn)出盆地狀，地形通常呈連續(xù)變化，二是在高潛水位礦區(qū)，采煤沉陷地內(nèi)易積水并生長大量植被。進行土地復(fù)墾是緩解礦區(qū)人地矛盾和恢復(fù)生態(tài)環(huán)境的有效辦法，而獲取采煤沉陷地的高精度地形數(shù)據(jù)是土地復(fù)墾的前期基礎(chǔ)工作，是計算復(fù)墾區(qū)域的挖填方量以及配套設(shè)施規(guī)劃設(shè)計的依據(jù)[1]。利用全站儀、GPS等儀器進行的傳統(tǒng)測量方法，耗時耗力，常規(guī)的遙感、航空攝影測量嚴重受氣候、場地條件制約，獲取影像分辨率較低，且絕大多數(shù)的監(jiān)測是用于分析平面變化[2]，也不能滿足快速獲取高精度地形圖的需求。近年來，無人機遙感能夠快速獲取國土、資源、環(huán)境等空間遙感信息，在各個行業(yè)的發(fā)展日益成熟[3-4]。尤其在高精度地形圖獲取方面優(yōu)勢明顯。消費級無人機平臺根據(jù)其小體積、便攜帶、低成本、高時效與高分辨率等優(yōu)勢[5]，為快速獲取影像數(shù)據(jù)提供了保障[6]，正逐步成為小范圍、困難地區(qū)快速測量的主要途徑。

本文以山東省邱集煤礦某采煤沉陷地為研究對象，采用大疆M100四旋翼消費級無人機，在同一航高120 m下，設(shè)計了2種像控點的布設(shè)方案和6種像片重疊度，以此12種飛行方案來探究消費級無人機獲取采煤沉陷地地形數(shù)據(jù)的精度問題，為利用該型號無人機進行采煤沉陷地地形數(shù)據(jù)采集提供了方案借鑒。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省德州市齊河縣馬集鄉(xiāng)的邱集煤礦，地理坐標為東經(jīng)116°23′45″～116°31′07″，北緯36°26′07″～36°30′57″。邱集煤礦因采煤原因造成地表下沉形成了采煤沉陷地，本研究選取其中一處，面積為0.37 km2。經(jīng)現(xiàn)場踏勘，該實驗測區(qū)主要是沉陷地和農(nóng)田，周圍沒有機場、高樓、高壓線等影響無人機起降的區(qū)域，在測區(qū)內(nèi)選擇起降場地較容易，展開飛行任務(wù)是可行的。

2 研究方法

2.1 無人機平臺與載荷

無人機平臺主要包括機體系統(tǒng)、機載系統(tǒng)、發(fā)射與回收系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等。最常見的無人機飛行平臺包括固定翼無人機平臺、旋翼無人機平臺等[7]，一般應(yīng)用于航測的無人機主要是基于固定翼和多旋翼兩種。無人機上掛載的相機可以大致分為量測型相機和非量測型相機兩種。

研究選用四旋翼無人機DJI Matrice 100平臺，搭載非量測型相機Zenmuse X3數(shù)碼相機。平臺與載荷的主要參數(shù)見表1。

2.2 控制點布設(shè)

地面控制點是基準數(shù)據(jù)源[8]，為了控制及檢驗飛行數(shù)據(jù)精度，共布設(shè)14個地面控制點，其分布見圖1。按照區(qū)域網(wǎng)布點方案進行[9-10]，利用礦區(qū)已知的高精度控制點，采用附合導(dǎo)線的方式，選擇索佳SET550X型全站儀進行布控。在后續(xù)數(shù)據(jù)處理中，將其區(qū)分為像控點和檢查點使用。

2.3 飛行方案設(shè)計

為驗證不同飛行方案對數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響，結(jié)合《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》(CH/Z3005—2010)的相關(guān)規(guī)定，采取120 m飛行高度，共制定了12套飛行方案，為2種地面像控點布設(shè)方案和6種像片重疊度方案交叉形成。

其中，地面像控點布設(shè)方案為：方案一選擇1號點、3號點、7號點、9號點和13號點5個控制點為像控點，其余為檢查點；方案二選擇1號點、2號點、3號點、5號點、7號點、9號點、12號點、13號點和14號點9個點為像控點，其余為檢查點。

像片重疊度設(shè)計按照《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》(CH/Z3005—2010)的要求[11]，本著高效飛行，規(guī)劃合理重疊區(qū)間的目的，將像片進行重疊度設(shè)計，見表2。

圖1 外業(yè)布設(shè)點位圖

表1 無人機平臺和任務(wù)載荷的主要參數(shù)

表2 航拍像片重疊度表

即航向、旁向重疊度的組合分別為7060、8060、8070、9060、9070、9080，共計6種。

2.4 數(shù)據(jù)采集與處理

由于沉陷地內(nèi)植被生長與積水對航拍數(shù)據(jù)存在較大影響，故本研究選在沉陷地內(nèi)植被稀疏水位較低的時間段內(nèi)進行。具體選在2017年3月30日到4月5日之間進行了航測數(shù)據(jù)的野外采集。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件選擇Pix4Dmapper，該軟件操作簡單，算法優(yōu)質(zhì)，可自動實現(xiàn)相機畸變改正得到高精度三維重建模型。

3 結(jié)果分析

3.1 飛行質(zhì)量評價

經(jīng)檢驗，本研究航攝影像數(shù)據(jù)色調(diào)均勻、飽和度好，無云霧遮擋。重疊度以9080為例，最大航向重疊度為95.80%，最小航向重疊度為86.27%，最大旁向重疊度83.89%，最小旁向重疊度為74.39%。最大航帶彎曲度為0.297%。相鄰像片的最大航高差為 1.31 m，航帶最大最小航高差為2.34 m。航向傾角最大值為3.74°，旁向傾角最大值為1.68°，像片旋角最大值為14.5°，各項指標均符合規(guī)范要求。

3.2 平面精度分析

已有相關(guān)研究表明，無人機地形圖測繪的平面精度較高，因此，本實驗僅用有限個檢查點對12組方案的平面精度進行驗證。以檢查點的點位中誤差作為12組方案下成圖平面精度的評估依據(jù)[12]，計算結(jié)果見表3。由表3可知，12種飛行方案獲取的航攝影像數(shù)據(jù)平面精度均滿足《數(shù)字攝影測量 空中三角測量規(guī)范》(GB/T 23236—2009)中規(guī)定的比例尺1∶500的精度要求(表4)[13]。

表3 航測影像平面精度檢查表

表4 GB/T 23236—2009中各比例尺成圖精度的要求

從表3可以看出，在研究區(qū)范圍內(nèi)，增加像控點的個數(shù)能有效提高航攝影像的平面精度，5個像控點和9個像控點時像片的平面精度分別為0.0792～0.0869 m和0.0666～0.0799 m，9個像控點的最低精度與5個像控點的最高精度無差異。增大重疊度，平面精度也在提高，但隨著重疊度的不斷加大，精度趨于穩(wěn)定，并不是重疊度越高平面精度就一定越好。

綜上可知，消費級無人機采用9個像控點時采集的影像平面精度均較高。

3.3 高程精度分析

無人機航拍數(shù)據(jù)的高程精度往往較差，尤其是體現(xiàn)在水域和植被較多的區(qū)域[14]，所以本實驗選在3月底進行數(shù)據(jù)采集，此時沉陷區(qū)域裸地較多，植被低矮稀疏，可將生成的DSM近似認為是DEM進行分析。為保證精度分析結(jié)果的可靠性，本實驗以全站儀實測928個碎部點進行統(tǒng)計和分析，碎部點分布見圖2。

經(jīng)統(tǒng)計，12組飛行方案的高程中誤差計算結(jié)果見表5。

圖2 碎部點布設(shè)示意圖

表5 航測影像高程精度檢查表

由表4可知，本次飛行試驗獲取的影像數(shù)據(jù)高程精度均滿足比例尺1∶1 000的精度要求。

選取研究區(qū)內(nèi)具有代表性的部分沉陷區(qū)，利用碎部點數(shù)據(jù)插值生成實測DEM，再與航測數(shù)據(jù)進行差值計算即可更直觀地對高程精度進行評價，以9個像控點、重疊度9070的航測數(shù)據(jù)為例，差值結(jié)果展示如圖3所示。

圖3 航測DEM與實測DEM差值結(jié)果圖(注：圖中高程精度較差部分為水域)

綜合分析可知，布設(shè)9個像控點、重疊度為9070或9080時，高程精度最高，重疊度為8070或9060時，高程精度較好。

3.4 時間成本分析

為了尋求高效高質(zhì)量的飛行方案，對12個方案花費的理論時間成本進行了簡單分析。

像控點布設(shè)成本：采用索佳全站儀野外布設(shè)像控點時包括測量、轉(zhuǎn)站以及制作控制點位標記等工作，布設(shè)5個像控點時消耗的理論時間為2 h，布設(shè)9個像控點時消耗的理論時間為4 h。

不同飛行方案的影像張數(shù)、外業(yè)架次、飛行時間、內(nèi)業(yè)處理時間等信息見表6。

由表6可知,隨著像片重疊度逐漸增大，像片數(shù)量增加，相應(yīng)飛行時間、內(nèi)業(yè)處理的時間也會增多，最快與最慢的方案相比，可節(jié)省5.55 h。總體來說，各個方案消耗的時間差距并沒有非常明顯，但當飛行面積增加時，需要根據(jù)表6的數(shù)據(jù)進行適當推算，再結(jié)合各個重疊度方案的成像精度，綜合考慮哪一種才是最佳。就本實驗來說，9個像控點、重疊度為8070的方案具有較高性價比。該方案的正射影像圖(DOM)和數(shù)字表面模型(DSM)見圖4。通過生成的DSM即可得到相應(yīng)比例尺的地形圖。

表6 不同像片重疊度航拍花費時間比較表

圖4 9控重疊度8070數(shù)字正射影像圖(DOM)、數(shù)字表面模型圖(DSM)

4 結(jié) 論

1) 增加控制點的個數(shù)和像片重疊度可以有效提高消費級無人機航測影像的精度，但當重疊度增大到一定程度時，精度提高的幅度趨于穩(wěn)定。

2) 12種飛行方案獲得地形圖的平面精度均滿足1∶500的精度要求，高程精度均滿足1∶1 000的精度要求，其中布設(shè)9個像控點、重疊度為9070或9080時高程精度最高。

3) 通過時間成本分析，增加控制點個數(shù)會使布控時間增加1倍左右,增大重疊度會增加無人機的拍攝時間、內(nèi)業(yè)處理時間，當測區(qū)面積較小時，布設(shè)9個像控點、將重疊度設(shè)置為9070時采集到的地形數(shù)據(jù)精度較佳。當測區(qū)面積較大時，布設(shè)9個控制點，將重疊度設(shè)置為8070性價比較優(yōu)。