陳 杰

（安徽省地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)院，安徽 合肥 230022）

無(wú)人機(jī)航測(cè)遙感系統(tǒng)是在衛(wèi)星遙感、人為駕駛飛機(jī)遙感后出現(xiàn)的一種新型航空遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，該系統(tǒng)的建設(shè)融合了航空、信息、自動(dòng)化控制、微電子、計(jì)算機(jī)、通訊、導(dǎo)航、傳感器等科學(xué)技術(shù)形式。無(wú)人機(jī)航測(cè)遙感系統(tǒng)在運(yùn)作的過程中體現(xiàn)出快速、靈活、機(jī)動(dòng)、分辨率高的特點(diǎn)，十分適合應(yīng)用在地形復(fù)雜的高寒或者是無(wú)人經(jīng)過的測(cè)繪地區(qū)。我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害頻繁，各地區(qū)地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如何優(yōu)化礦山地形勘測(cè)，將無(wú)人機(jī)航測(cè)應(yīng)用到礦山地形測(cè)量中以便更為精準(zhǔn)的處理各個(gè)問題，是相關(guān)人員需要思考和解決的問題。為此，文章結(jié)合實(shí)際，就無(wú)人機(jī)航測(cè)在礦山地形測(cè)量中的具體應(yīng)用問題進(jìn)行探究。

1 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)概述

無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)是以無(wú)人機(jī)為飛行平臺(tái)，利用高分辨率相機(jī)系統(tǒng)獲取遙感影像，借助空中、地面控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)影像資料的自動(dòng)化拍攝和獲取，并在這個(gè)過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)運(yùn)行軌跡的合理規(guī)劃和實(shí)時(shí)性監(jiān)督控制。無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)包含無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)、傳感器、飛控系統(tǒng)。本文中介紹的實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū)采用的是飛馬D2000型多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，配備索尼a6000單電數(shù)碼相機(jī)，相機(jī)的焦距為25mm（下視），35mm（傾斜），有效像素約2430萬(wàn)×5像素，傳感器尺寸為23.5×15.6mm（APS-C畫幅），飛控系統(tǒng)采用飛馬無(wú)人機(jī)管家3.0航測(cè)系統(tǒng)，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)編輯處理采用ContextCapture Center、Photoshop、Global Mapper、EPS等軟件。無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用過程中的數(shù)據(jù)信息處理流程如下：對(duì)需要測(cè)量分析的航空領(lǐng)域進(jìn)行申請(qǐng)，在了解航線基本信息的情況下進(jìn)行航線的設(shè)計(jì)，做好測(cè)試分析的實(shí)地考查工作，開展航測(cè)野外數(shù)據(jù)信息的測(cè)量和把控、確定無(wú)人機(jī)組裝測(cè)試工作，對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行情況進(jìn)行全面的記錄和分析，整合統(tǒng)計(jì)無(wú)人機(jī)的飛行記錄。在無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)飛行的過程中，像控點(diǎn)是用來(lái)控制航空測(cè)量結(jié)果平面，計(jì)算飛機(jī)航行高度的重要參數(shù)信息。像素點(diǎn)的確定和使用基本上能夠滿足坐標(biāo)系上精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)測(cè)量分析要求，在開展測(cè)試分析的時(shí)候會(huì)采取人工布置或者尋找特征點(diǎn)的方式來(lái)最終確定像控點(diǎn)的位置。在具體測(cè)試分析的時(shí)候會(huì)根據(jù)飛行測(cè)量區(qū)域航線信息提前借助電腦系統(tǒng)，科學(xué)規(guī)劃像控點(diǎn)可以安排布置的位置。需要注意的是，預(yù)設(shè)點(diǎn)設(shè)定的位置要盡可能地遠(yuǎn)離車輛能夠達(dá)到的位置，點(diǎn)位之間的間隔距離要保持在可到達(dá)和可控制的位置上，各個(gè)點(diǎn)位要實(shí)現(xiàn)均勻分布，目的是對(duì)邊緣地帶起到良好的控制作用。

2 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

和傳統(tǒng)意義上的人機(jī)航測(cè)技術(shù)相比，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在礦山區(qū)域測(cè)繪中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)具體表現(xiàn)如下：第一，應(yīng)急能力良好。在使用無(wú)人機(jī)航測(cè)遙感技術(shù)勘探礦山的時(shí)候，可以根據(jù)實(shí)際勘測(cè)工作中遇到的情況來(lái)采取有針對(duì)性的應(yīng)急措施。同時(shí)，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)對(duì)突發(fā)事件的應(yīng)急會(huì)比較到位，且在起飛、降落時(shí)所需要使用的場(chǎng)地面積比較小，在這個(gè)過程中會(huì)節(jié)省比較多的時(shí)間成本、空間成本、經(jīng)濟(jì)成本。第二，作業(yè)操作時(shí)間短。在使用無(wú)人機(jī)航測(cè)遙感技術(shù)測(cè)繪礦山的過程中，由于無(wú)人機(jī)的飛行高度在1000m以下，因此，在組織測(cè)繪工作的時(shí)候不需要向相關(guān)部門提交飛行申請(qǐng)就能夠讓設(shè)備進(jìn)入到飛行狀態(tài)，在這個(gè)過程中會(huì)縮短作業(yè)時(shí)間。第三，收集數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度高。在使用無(wú)人機(jī)航測(cè)遙感技術(shù)測(cè)繪礦山時(shí)，無(wú)人機(jī)的工作條件較為寬松，飛行高度比較低。借助無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)能夠收集到分辨率較高的影像數(shù)據(jù)資料，所獲得的數(shù)據(jù)信息會(huì)按照1：1000以及1：500的比例尺出現(xiàn)，數(shù)據(jù)信息收集的精準(zhǔn)度比較高。第四，操作簡(jiǎn)單。在使用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)對(duì)礦山實(shí)施測(cè)繪操作的時(shí)候，因?yàn)闊o(wú)人機(jī)不需要載操作人員，因此和一般意義上的航空攝影設(shè)備來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)航測(cè)遙感技術(shù)的外形比較精巧，操作簡(jiǎn)單。第五，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益高。當(dāng)前礦山資源開采復(fù)雜，和傳統(tǒng)意義上的測(cè)量技術(shù)相比，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)測(cè)繪效率高、人工消耗少、作業(yè)成本低，從而提高了經(jīng)濟(jì)效益。

3 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在礦山測(cè)量中的具體應(yīng)用

3.1 對(duì)礦山周圍地質(zhì)災(zāi)害的全面調(diào)查

在礦山建設(shè)不恰當(dāng)?shù)那闆r下會(huì)對(duì)周圍地質(zhì)環(huán)境帶來(lái)強(qiáng)烈的破壞和改造，在破壞改造的過程中很容易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)礦山的長(zhǎng)遠(yuǎn)建設(shè)以及運(yùn)營(yíng)管理會(huì)產(chǎn)生十分不利的影響。傳統(tǒng)意義上的礦山地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查作業(yè)研究方法是人工實(shí)地調(diào)查研究，在具體實(shí)施操作的時(shí)候具有成本高、時(shí)間長(zhǎng)、效率低的問題，且在地質(zhì)勘查分析的過程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)全區(qū)域范圍的精準(zhǔn)分析，且整個(gè)測(cè)量分析工作在開展的過程中會(huì)消耗比較多的成本，不滿足地質(zhì)勘探開采低碳環(huán)保的發(fā)展要求。

在開展前期調(diào)查研究時(shí)所使用的無(wú)人機(jī)載重量需要超過2kg，無(wú)人機(jī)的電池如果具備良好的動(dòng)力續(xù)航能力，則是要求其動(dòng)力續(xù)航的時(shí)間超過三十分鐘。如果內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力續(xù)航時(shí)間超過一小時(shí)，多旋轉(zhuǎn)翼無(wú)人機(jī)的航行速度為每秒6m，固定翼無(wú)人機(jī)航行速度為每秒10m。

從實(shí)際應(yīng)用操作情況來(lái)看，一次傾斜影像采集像素是要求越高效果越理想。同時(shí)，在圖像信息收集整理的過程中還需要注重考慮設(shè)備成本，每一個(gè)鏡頭單個(gè)像素要超過2000萬(wàn)，曝光一次像素會(huì)超過一個(gè)億，作業(yè)時(shí)間要在九十分鐘以上?；谶@樣的要求最好是可以實(shí)現(xiàn)全天候作業(yè)操作，測(cè)量操作者還需要具備定點(diǎn)曝光的能力，從而使得傾斜相機(jī)拍攝充分滿足影像重疊的基本需求。

3.2 露天礦山方量的變化和綜合計(jì)算

在礦山測(cè)量工作開展的過程中可以借助無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算出開采方量，具體計(jì)算和設(shè)計(jì)原理如下所示：在打造好的不規(guī)則三角網(wǎng)中每一個(gè)基本單元的核心是打造出不規(guī)則三角形三個(gè)頂點(diǎn)的三維立體化坐標(biāo)，在坐標(biāo)的支持下可以從三角形的三個(gè)頂點(diǎn)豎直朝著下方引出三條直線，引出來(lái)的三條直線能夠和開采后的地表面的三角網(wǎng)形成三棱柱，這個(gè)期間整個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)的土石方地形會(huì)形成多個(gè)連續(xù)但是不可以被細(xì)分的三棱柱集合。而后計(jì)算出每個(gè)三棱柱的體積，將三棱柱的體積和整合在一起之后會(huì)形成整個(gè)區(qū)域的土石方量。和傳統(tǒng)意義上的土石方計(jì)算分析相比，點(diǎn)和點(diǎn)之間間隔距離是厘米的更能夠精準(zhǔn)的反應(yīng)出礦山方量的變化，最終計(jì)算出土石方的開采量，了解礦山儲(chǔ)量的變化規(guī)律，能夠充分解決以往測(cè)量中點(diǎn)位無(wú)法達(dá)到指定現(xiàn)場(chǎng)的問題。

3.3 全方位落實(shí)數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)

在大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下，礦山資源的測(cè)繪會(huì)產(chǎn)生較多的數(shù)據(jù)信息，這些信息的產(chǎn)生和地理信息的服務(wù)高低存在密切的關(guān)聯(lián)。因此，在礦山測(cè)量工作中需要相關(guān)人員能夠積極落實(shí)數(shù)據(jù)信息的設(shè)計(jì)管理，通過優(yōu)化數(shù)據(jù)信息的設(shè)計(jì)來(lái)提升地理信息服務(wù)質(zhì)量。數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)工作的積極落實(shí)要著重做好以下兩點(diǎn)工作：第一，在數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)處理中需要引入創(chuàng)新理念。在創(chuàng)新理念的支持下提升礦山測(cè)繪處理的積極性和有效性，全面提升礦山測(cè)繪服務(wù)質(zhì)量。第二，在應(yīng)用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)處理礦山測(cè)繪信息的時(shí)候要對(duì)所牽扯到的信息進(jìn)行深入的研究思考，并使用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)來(lái)整合處理各類數(shù)據(jù)信息，由此來(lái)提升礦山測(cè)繪地理信息服務(wù)質(zhì)量。

3.4 確定礦山測(cè)繪的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

從當(dāng)前礦山開采工作發(fā)展實(shí)際情況來(lái)看，測(cè)繪在礦山資源開采工作中占據(jù)十分重要的地位。同時(shí)，科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展也為我國(guó)采礦行業(yè)的發(fā)展提供了源源不斷的力量支持。為了能夠更好的滿足人們對(duì)礦山測(cè)繪工作的要求，在礦山測(cè)繪領(lǐng)域開始引入無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)。

按照無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程成像的基本原理會(huì)在最大限度上將礦山測(cè)繪工作中所牽扯到的數(shù)字結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出來(lái)。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在礦山測(cè)繪中的應(yīng)用順應(yīng)了整個(gè)礦山行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，且在礦山開采管理中也會(huì)降低開發(fā)成本，減少人為作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。

3.5 確定航測(cè)的基本航線

礦山測(cè)繪中的無(wú)人機(jī)航測(cè)主要是指以當(dāng)?shù)氐貓D影像資料信息作為基本參考數(shù)值來(lái)進(jìn)行航測(cè)分析。在航測(cè)分析的時(shí)候要首先確定航測(cè)的基本坐標(biāo)信息、航行方向、航行路線等信息，通過了解這些信息能夠保障無(wú)人機(jī)在實(shí)際測(cè)量工作中順利實(shí)現(xiàn)三度重疊。在航行測(cè)量工作開展的時(shí)候需要在全面調(diào)查研究的基礎(chǔ)上確定礦區(qū)范圍內(nèi)所需要測(cè)量的區(qū)域，需要注重將其和一系列相關(guān)參數(shù)的設(shè)定聯(lián)系在一起，具體包含航拍的基本方向、航拍的拍攝角度、礦山坐標(biāo)、重疊角度等。在全面收集整理這些數(shù)據(jù)信息之后將定位技術(shù)和無(wú)人機(jī)拍攝技術(shù)充分結(jié)合在一起，由此來(lái)將拍攝場(chǎng)地的實(shí)際情況反應(yīng)出來(lái)，獲得礦山建設(shè)的更多信息。。無(wú)人機(jī)會(huì)根據(jù)之前設(shè)定好的航向路線來(lái)組織測(cè)量工作，操作人員在執(zhí)行無(wú)人機(jī)航測(cè)任務(wù)的時(shí)候要注重格外關(guān)注無(wú)人機(jī)的用量情況，在發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)用量問題的時(shí)候及時(shí)采取措施予以處理，從而為航測(cè)工作的順利開展提供重要支撐。另外，在無(wú)人機(jī)航測(cè)工作開展的時(shí)候相關(guān)人員還需要做好一系列的控制工作，按照有關(guān)規(guī)定來(lái)對(duì)地面的實(shí)際情況進(jìn)行分析，分析好之后布置無(wú)人機(jī)，密切監(jiān)督控制場(chǎng)地現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境。與此同時(shí)，相關(guān)人員還需要根據(jù)礦山基本勘測(cè)工作需要來(lái)采取積極的方式提升無(wú)人航測(cè)的精準(zhǔn)性，擴(kuò)大無(wú)人航測(cè)的覆蓋范圍。

圖1 測(cè)區(qū)航線布設(shè)圖

根據(jù)對(duì)測(cè)區(qū)踏勘的情況和精度要求，以及無(wú)人機(jī)的相關(guān)參數(shù)，精準(zhǔn)的把握測(cè)量區(qū)域范圍內(nèi)的地勢(shì)地形結(jié)構(gòu)，確定符合無(wú)人機(jī)航測(cè)范圍的航測(cè)航線。本測(cè)區(qū)是利用飛馬無(wú)人機(jī)管家的智航線功能，設(shè)置航飛范圍，生成最佳的航線。對(duì)于地形起伏較大的區(qū)域，采用定高飛行會(huì)造成地面分辨率不同，為確保測(cè)區(qū)飛行重疊度和成像質(zhì)量滿足要求，可以選擇仿地變高飛行。

3.6 像控點(diǎn)的布設(shè)

文章所研究區(qū)域野外像片控制點(diǎn)的布置要嚴(yán)格遵循我國(guó)制定的規(guī)范的地形圖航空攝影測(cè)量外業(yè)比例尺規(guī)范進(jìn)行。首先基礎(chǔ)控制點(diǎn)應(yīng)分布在測(cè)區(qū)范圍外，保證測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的平面及高程精度及后期測(cè)繪工作的需求。而像片控制點(diǎn)會(huì)被安排在航向以及周圍三片到四片的折疊范圍內(nèi)，為了方便內(nèi)業(yè)人員刺點(diǎn)，一般會(huì)選擇將像控點(diǎn)布設(shè)在相對(duì)平緩的地面上，為了滿足精度的要求，在布設(shè)像控點(diǎn)的同時(shí)也要布設(shè)檢查點(diǎn)以便檢查成果的精度。每組像控點(diǎn)均需拍照記錄，能夠清楚的反映像控點(diǎn)的位置特征。在礦山測(cè)量過程中受地形因素的影響容易出現(xiàn)凹凸形狀，基于這種情況可以在凸角的位置上額外設(shè)置控制點(diǎn)，統(tǒng)一布置相鄰的區(qū)域網(wǎng)。在像片控制點(diǎn)的選擇上將0.1mm作為圖像選擇控制的重要參考標(biāo)準(zhǔn)，在圖像清晰的地點(diǎn)上選擇點(diǎn)位。

像片控制點(diǎn)應(yīng)優(yōu)先采用連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)(CORS)進(jìn)行測(cè)量，在CORS系統(tǒng)信號(hào)覆蓋不到的區(qū)域采用自架基準(zhǔn)站進(jìn)行常規(guī)單基站RTK測(cè)量，單基站RTK測(cè)量時(shí)應(yīng)使用測(cè)區(qū)基礎(chǔ)控制點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)校正。

3.7 無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理及成果輸出

3.7.1 無(wú)人機(jī)航空攝影

在準(zhǔn)備工作完成之后開展無(wú)人機(jī)攝影，本測(cè)區(qū)共獲取影像1455張。航飛完成后需要及時(shí)下載POS數(shù)據(jù)和基站數(shù)據(jù)，檢查POS數(shù)據(jù)是否可用，與照片數(shù)目是否一致。如果實(shí)際航攝過程中產(chǎn)生漏拍或航線重疊不足的現(xiàn)象，需要進(jìn)行對(duì)應(yīng)的補(bǔ)攝。檢查無(wú)誤后進(jìn)行POS數(shù)據(jù)差分解算后進(jìn)入內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理階段。

3.7.2 空中三角測(cè)量

本測(cè)區(qū)利用ContextCapture Center軟件將照片與POS數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)后，經(jīng)過影像間連接點(diǎn)的布局、像控點(diǎn)測(cè)量、平差計(jì)算進(jìn)行自動(dòng)空三加密，以此建立三維立體模型并進(jìn)行模型定向以及生成核線影像，以便進(jìn)行傾斜模型與正攝影像圖的生產(chǎn)。

3.7.3 實(shí)景三維傾斜模型和正射影像圖的制作

利用ContextCapture Center軟件生成三維傾斜模型及正射影像圖。三維模型的精度可以利用檢查點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)，將三維模型導(dǎo)入EPS三維測(cè)圖軟件中，用RTK實(shí)測(cè)的檢查點(diǎn)坐標(biāo)為真值，與軟件解算的檢查點(diǎn)的三維坐標(biāo)做比較，便可得到三維模型的平面及高程精度是否符合要求。滿足精度要求的三維模型能夠真實(shí)的還原礦山影像資料，幫助相關(guān)人員能夠更為清楚的了解所拍攝到的地形，之后通過結(jié)合地區(qū)環(huán)境的分析來(lái)更為直觀的了解和觀察地表、地表分布情況。

圖2 測(cè)區(qū)實(shí)景三維模型展示圖

4 結(jié)語(yǔ)

雖然每個(gè)礦山的地形地勢(shì)不同，但是無(wú)人機(jī)起降靈活、簡(jiǎn)單易用，高效可靠，影像實(shí)時(shí)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)能很好的滿足不同條件下的礦山測(cè)量要求，也可以應(yīng)用在礦山的大比例地形測(cè)繪、地質(zhì)調(diào)查，開采調(diào)查等。綜上所述，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的有效應(yīng)用，在極大程度上提高了礦山測(cè)量的精度，并且降低了成本支出的同時(shí)也具備著較高的安全優(yōu)勢(shì)，因此在該領(lǐng)域具有極為廣闊的應(yīng)用前景。