陳子豐

（江西都昌金鼎鄔鉬礦業(yè)有限公司，江西 九江 332600）

由于地質(zhì)對(duì)象具有復(fù)雜性、不確定性和分布離散性，其他學(xué)科中已經(jīng)成熟的建模方式不能應(yīng)用于地質(zhì)學(xué)，需要結(jié)合傳統(tǒng)的地質(zhì)勘探學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)等多學(xué)科的成果進(jìn)行輔助，進(jìn)行綜合分析和解釋。進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，國(guó)外對(duì)立體地質(zhì)建模的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的研究[1]。立體地質(zhì)建模的概念提出以來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被研討了將近五十年，形成了一系列的理論成果和建模技術(shù)。很多研究人員也對(duì)數(shù)學(xué)建模的方式、立體地質(zhì)數(shù)學(xué)建模和可視化方法等方面進(jìn)行了研究。遙感飛行平臺(tái)分為衛(wèi)星遙感和航空遙感，航空遙感平臺(tái)過(guò)去主要是載人飛機(jī)。無(wú)人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在它的高機(jī)動(dòng)性，也就是說(shuō)在電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)范圍、電機(jī)狀況等方面加起來(lái)是任何載人飛機(jī)都無(wú)法比擬的，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，有專門設(shè)置的起降場(chǎng)，對(duì)氣象條件的要求較低，優(yōu)越的低性能使得線上作業(yè)容易，從而大大提高了工作效率。無(wú)人機(jī)有極高的性價(jià)比，飛機(jī)的采購(gòu)價(jià)格低，一般公司都能負(fù)擔(dān)得起，使用成本很低，并且無(wú)需載人飛行，使操作者的安全壓力大大降低。因此，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在礦業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用是一個(gè)值得研究的課題。

1 無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程分析

1.1 無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪設(shè)備分析

目前，我國(guó)對(duì)于輕小型無(wú)人機(jī)在遙感測(cè)繪中的應(yīng)用沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，大部分指標(biāo)仍是參考傳統(tǒng)航攝系統(tǒng)或現(xiàn)有超輕型載人飛機(jī)的技術(shù)指標(biāo)。根據(jù)無(wú)人機(jī)數(shù)字遙感測(cè)繪的經(jīng)驗(yàn)，提出了若干參考指標(biāo)。車身和底盤的工作條件不同，應(yīng)采用不同的材料。對(duì)于航拍無(wú)人機(jī)，傳感器設(shè)備一般安裝在機(jī)體內(nèi)以便于與控制飛行系統(tǒng)的交互。因此，應(yīng)預(yù)留空間安裝攝影設(shè)備，攝影設(shè)備應(yīng)是不受強(qiáng)振動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)油煙的影響，實(shí)現(xiàn)無(wú)遮擋的垂直攝影。

1.1.1 飛行平臺(tái)設(shè)計(jì)

本文以高原航拍為目標(biāo)，結(jié)合目前在我國(guó)執(zhí)行遙感任務(wù)的無(wú)人機(jī)，選擇馬力大、動(dòng)態(tài)性能好的“雙引擎”無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)，配備臥式對(duì)置雙缸風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)，單個(gè)單位可以輸出馬力轉(zhuǎn)速。在正常情況下，雙引擎只能以左右兩種動(dòng)力正常飛行。在單個(gè)引擎熄火的情況下，依靠另一個(gè)引擎仍然可以保持飛行。飛行器具有較大的有效載荷，機(jī)體空間相對(duì)較大，可以為旋轉(zhuǎn)偏差校正頭等輔助設(shè)備提供足夠的空間和承載量。該機(jī)具有良好的抗風(fēng)能力，可抵抗7級(jí)左右的風(fēng)，確保在空氣中有無(wú)序氣流時(shí)不會(huì)失速下降。完整機(jī)體的比其他無(wú)人機(jī)更重，因此它在空中飛行更平穩(wěn)，確保準(zhǔn)確的軌跡，保持姿態(tài)比其他無(wú)人機(jī)更好。

圖1 無(wú)人機(jī)示意圖

樣機(jī)交付時(shí)，一般不打開(kāi)拍照窗口，可根據(jù)傳感器的尺寸、形狀和一些特殊要求進(jìn)行修改。無(wú)人機(jī)傳感器的數(shù)字使用遙感測(cè)繪都在機(jī)身，當(dāng)轉(zhuǎn)換器根據(jù)鏡頭的大小精確測(cè)量第一個(gè)景象時(shí)，攝影窗口的大小可以根據(jù)當(dāng)時(shí)條件下的氣動(dòng)布局進(jìn)行調(diào)整，盡可能對(duì)應(yīng)攝影需要采用的寬度和高度。用這樣的方式來(lái)滿足不同情況下攝影的需要。拍攝窗口應(yīng)選擇離發(fā)動(dòng)機(jī)盡可能遠(yuǎn)的，以減少發(fā)動(dòng)機(jī)煙霧和振動(dòng)的影響。另外在窗口邊緣安裝了8根垂直金屬棒。在要求不同的寬窄圖像的情況下對(duì)航拍的情況——對(duì)應(yīng)，頭部支架可以固定在機(jī)身上。

1.1.2 控制設(shè)備設(shè)計(jì)

控制模塊是無(wú)人機(jī)數(shù)字遙感測(cè)繪的核心之一。一般來(lái)說(shuō)，飛行控制模塊主要由機(jī)載飛行控制部分和地面監(jiān)控部分組成。主要包含機(jī)載自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、地面監(jiān)測(cè)站、通信設(shè)備等。本文選擇的飛行控制在中國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用，包括自動(dòng)駕駛儀和地面監(jiān)測(cè)站。系統(tǒng)可以穩(wěn)定的控制各種布局無(wú)人機(jī)，易于使用，高控制精度，導(dǎo)航自動(dòng)飛行功能強(qiáng)，可以設(shè)置飛行速度、飛行高度，和有多種任務(wù)界面，方便用戶使用各種設(shè)備的任務(wù)[2]。起飛后可立即關(guān)閉遙控器，進(jìn)入自動(dòng)導(dǎo)航模式，在地面站可任意設(shè)置飛行路徑和飛行點(diǎn)，支持飛行過(guò)程中對(duì)飛行點(diǎn)和飛行目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)修改。另外，還有多種安全保護(hù)方案，最大限度地保障無(wú)人機(jī)的飛行安全和故障保護(hù)。當(dāng)飛行器在飛行標(biāo)準(zhǔn)航線、整個(gè)射擊區(qū)域操作完成或飛行計(jì)劃臨時(shí)改變時(shí)，必須給予飛行控制指令，通過(guò)地面站將目標(biāo)點(diǎn)上傳到初始控制器上。完成任務(wù)返回著陸點(diǎn)后，可以將飛行控制中記錄的飛行位置和姿態(tài)信息下載到云端，并顯示整個(gè)飛行軌跡。

1.1.3 適應(yīng)測(cè)繪要求改進(jìn)分析

一般的數(shù)碼相機(jī)是非量測(cè)攝像頭，圖像容易變形并且結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。攝影測(cè)量中使用數(shù)碼相機(jī)時(shí)，需要描繪數(shù)碼相機(jī)的誤差源。仔細(xì)分析以此確定其內(nèi)部定向元素和描述中的參數(shù)和系統(tǒng)誤差模型，在此基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行嚴(yán)格的檢查和校準(zhǔn)，可以考慮畸變差，將直接線性變換公式線性化，然后迭代求解，其初值由直接線性變換的線性解提供。通過(guò)空間前方三維圖像的交點(diǎn)得到空間點(diǎn)的平面坐標(biāo)的精度為：

由上式可知，空間前方交點(diǎn)的高程精度取決于三個(gè)因素：基高比越大，高程精度越好，基高比越大，高程精度越好，圖像點(diǎn)坐標(biāo)的測(cè)量精度越好，像點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量精度越大。

1.2 無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪設(shè)備工作流程分析

1.2.1 航線設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)航拍一樣，無(wú)人機(jī)低空數(shù)字航拍也需要航路設(shè)計(jì)、航拍、質(zhì)量檢測(cè)等步驟。所不同的是，由于無(wú)人機(jī)數(shù)字遙感測(cè)繪的航路設(shè)計(jì)面積較小，不需要考慮地球曲率的變化。航拍質(zhì)量檢查可在航拍網(wǎng)站完成，無(wú)需打印照片。在一定條件下的圖像控制必須首先制作出整個(gè)區(qū)域的快速拼接地圖。例如雪域高原縣的城市地區(qū)數(shù)字航拍必須使用快速拼圖和電子圖像穿刺。路線設(shè)計(jì)完成后，必須對(duì)設(shè)計(jì)條件進(jìn)行檢查，即主要檢查測(cè)量區(qū)域最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的地面分辨率的重疊程度。在設(shè)計(jì)時(shí)，在不超過(guò)最大分辨率的情況下，適當(dāng)提高基準(zhǔn)面，保證航向和橫向重疊。

1.2.2 影像獲取

航拍完成后，現(xiàn)場(chǎng)記錄圖像數(shù)據(jù)，并根據(jù)飛行過(guò)程中記錄的曝光點(diǎn)坐標(biāo)重新命名。通過(guò)不同路徑存儲(chǔ)，使圖像名稱一一對(duì)應(yīng)曝光點(diǎn)坐標(biāo)，便于通過(guò)轉(zhuǎn)移曝光點(diǎn)，進(jìn)行航拍質(zhì)量檢驗(yàn)。本文開(kāi)發(fā)了航空攝影質(zhì)量檢測(cè)軟件，用于檢測(cè)圖像的航向和橫向重疊度以及旋轉(zhuǎn)角度，并通過(guò)日常視覺(jué)判斷圖像的顏色。通過(guò)軟件隨時(shí)查看檢查進(jìn)度和不合格的重疊位置。合格和不合格重疊之間的照片用不同顏色的連接線顯示。通過(guò)表格的分類功能，記錄各航空公司，相鄰照片之間的重疊和兩個(gè)相鄰航空公司，之間的橫向重疊，并顯示圖像編號(hào)，方便快速查找重疊不合格圖像。定點(diǎn)曝光后，所有重疊部分滿足攝影測(cè)量的要求，自旋偏差校正后，圖像之間的所有旋轉(zhuǎn)和偏移角基本滿足攝影測(cè)量的處理要求。

1.2.3 控制點(diǎn)測(cè)量

無(wú)人機(jī)航拍得到的圖像相位小，照片數(shù)量多，一般不適合用顯影照片進(jìn)行圖像控制測(cè)量。特別是在應(yīng)急測(cè)繪條件或航空攝影條件惡劣的高原雪縣市區(qū)，條件都比較困難，不能滿足照片打印的要求，甚至打印，都必須使用現(xiàn)有的筆記本電腦進(jìn)行圖像控制測(cè)量。航空攝影領(lǐng)域團(tuán)隊(duì)可以進(jìn)行快速的拼圖后當(dāng)場(chǎng)所有的檢查都合格，檢查該地區(qū)的人員通過(guò)使用簡(jiǎn)單的馬賽克圖像區(qū)域，選擇控制點(diǎn)，滿足需求和計(jì)劃旅游路線測(cè)量控制點(diǎn)，整體形象映射到保證控制點(diǎn)的平滑測(cè)量。雪域高原作為主要控制區(qū)，在實(shí)施過(guò)程中，除了一個(gè)小縣城，以單一的，基于植物的懲罰和整個(gè)無(wú)人區(qū)，山區(qū)，道路，不能滿足傳統(tǒng)航拍作為控制測(cè)量位置分布，我們根據(jù)實(shí)際情況選擇了在測(cè)量區(qū)域的四個(gè)角布平部分高，布平部分在測(cè)量區(qū)域的四周[3]。插入點(diǎn)方案，要保證每個(gè)試驗(yàn)區(qū)至少有一個(gè)控制點(diǎn)和多個(gè)檢查點(diǎn)。

2 礦山地質(zhì)測(cè)繪實(shí)例驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)區(qū)地形相對(duì)陡峭，臺(tái)地前緣坡度陡峭，溝壑眾多，地形復(fù)雜。從山谷到河岸頂部的相對(duì)高度差約600m。岸坡位于庫(kù)區(qū)，與對(duì)岸岸坡距離近2公里。岸坡由于平臺(tái)分散變形，岸坡山體表面松動(dòng)，山體上部加固施工，坡面石料滑落、崩塌現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，另外，由于高陡邊坡大部分地區(qū)難以到達(dá)，傳統(tǒng)的測(cè)量方法存在很大的安全隱患。

利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)獲取岸坡空間圖像的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。坡度上采樣點(diǎn)之間的間隔小于10cm。利用邊坡變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，人工去除結(jié)構(gòu)和少量植被。經(jīng)過(guò)處理后，在三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)中只保留了地表高程點(diǎn)。在保證地形精度和地物的前提下，提取重要的地貌特征數(shù)據(jù)，用最小距離提取地表高程數(shù)據(jù)，得到地形圖的測(cè)點(diǎn)和地物點(diǎn)坐標(biāo)。掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成數(shù)字高程模型，通過(guò)數(shù)據(jù)處理生成1∶1000地形等高線圖。利用高密度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提取坡面房屋、建筑、水電結(jié)構(gòu)的外等高線，提取運(yùn)河、道路的邊界，將這些地物邊界疊加在等高線上，繪制高程保留點(diǎn)，得到地形圖。地形圖精度測(cè)試主要檢查其平面和高程點(diǎn)精度。

2.2 結(jié)論

由上文可知，影響高程精度的是基高比、像點(diǎn)坐標(biāo)的量測(cè)精度和地面分辨率，因此在測(cè)量時(shí)要著重注意這些變量。為了完成檢驗(yàn)工作，采用GPT-3002LN全站儀，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量地物點(diǎn)平面位置與高程注記點(diǎn)高程值，檢查點(diǎn)主要位研究區(qū)的頂部人員可以到達(dá)區(qū)域，其高程中誤差的具體統(tǒng)計(jì)分別見(jiàn)下表。

表1 統(tǒng)計(jì)表

由上表可知，使用無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪數(shù)據(jù)生成的該1∶1000地形圖測(cè)量精度滿足測(cè)量規(guī)范要求，應(yīng)用效果良好。

3 結(jié)語(yǔ)

本文中，完成了一套無(wú)人機(jī)數(shù)字遙感測(cè)繪操作設(shè)備的集成以及應(yīng)用技術(shù)方案和工作流，并通過(guò)無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)復(fù)雜地形研究區(qū)航空攝影和快速拼圖并行處理，證明了這套操作設(shè)備的可行性。無(wú)人機(jī)數(shù)字遙感測(cè)繪設(shè)備的運(yùn)行方式不再局限于等距曝光，實(shí)現(xiàn)了其指定曝光，但本文沒(méi)有研究相應(yīng)的地面軟件傳感器，監(jiān)測(cè)其曝光和指揮臺(tái)。后期人員可以研究通過(guò)監(jiān)控相機(jī)曝光的地面站，掌握異常實(shí)時(shí)飛行，確定輔助飛行路線，上傳補(bǔ)充條件下的飛行路線的方式，提高數(shù)據(jù)采集的效率，減少的鏈接地面檢查。