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        無人機(jī)技術(shù)在礦山測(cè)繪中的應(yīng)用研究

        2022-06-30 09:12:12李琦
        工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 2022年11期
        關(guān)鍵詞:測(cè)繪礦山測(cè)量

        李琦

        (華北地質(zhì)勘查局綜合普查大隊(duì),河北三河 065201)

        1 引言

        礦產(chǎn)資源開發(fā)中無人機(jī)技術(shù)得到廣泛運(yùn)用,并發(fā)揮著不可替代的作用,能有效提升礦山測(cè)繪的精準(zhǔn)性,為礦山開采、治理等工作提供可靠支持。新時(shí)期在礦山開采中要科學(xué)運(yùn)用無人機(jī)技術(shù),為礦山測(cè)繪工作的有效開展提供支持。本文結(jié)合工程案例,對(duì)無人機(jī)技術(shù)在礦山測(cè)繪中的應(yīng)用流程進(jìn)行深入探究。

        2 無人機(jī)技術(shù)

        無人機(jī)技術(shù)主要是在任務(wù)機(jī)中搭載高分辨率的遙感影像攝影系統(tǒng),對(duì)空中及地面進(jìn)行精準(zhǔn)、高效率的拍攝與訪問,同時(shí)還具備監(jiān)控、自動(dòng)壓縮、圖像智能化處理等各項(xiàng)能力。無人機(jī)主要是由以下幾個(gè)部分組成:(1)無人駕駛飛行器。該部分是由飛行平臺(tái)、空中系統(tǒng)等組成[1]。(2)傳感器。所使用的相機(jī)為5D Mark Ⅱ定焦數(shù)碼相機(jī),像素達(dá)到2100 萬。(3)飛行空中系統(tǒng)。自動(dòng)駕駛儀UP30 為飛行空中系統(tǒng),該系統(tǒng)是由飛行員的集成GPS 接收機(jī)、壓力與速度傳感器等組成。(4)地面監(jiān)控系統(tǒng)與遠(yuǎn)程控制。主要是由便攜式工作站、飛行器控制軟件等組成。無人機(jī)技術(shù)在礦山測(cè)繪中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)顯著,主要表現(xiàn)為:操作周期短、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度高;操作簡(jiǎn)單方便,節(jié)省成本。無人機(jī)技術(shù)作為新型技術(shù),在礦山測(cè)繪中發(fā)揮著重要作用,在了解礦山地形地貌等實(shí)際信息方面發(fā)揮重大作用。

        3 案例概況

        某礦山位于我國(guó)西北部,屬于露天礦,礦產(chǎn)公司為對(duì)工作量進(jìn)行核算,需對(duì)排土場(chǎng)進(jìn)行土方測(cè)量。但是傳統(tǒng)的GNSS RTK 測(cè)量方式,不僅效率低下,危險(xiǎn)性較高,而且一般需要組建3 人小組連續(xù)工作1 周完成測(cè)量任務(wù)。所以礦山公司最終決定使用無人機(jī)測(cè)量,將礦山測(cè)繪周期縮短為1 d,且能對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)誤差進(jìn)行有效控制。本文對(duì)該項(xiàng)目案例中無人機(jī)技術(shù)的有效應(yīng)用進(jìn)行介紹。

        4 無人機(jī)技術(shù)在礦山測(cè)繪中的應(yīng)用流程

        測(cè)量前礦產(chǎn)公司對(duì)測(cè)量項(xiàng)目的難點(diǎn)進(jìn)行明確,由于測(cè)量時(shí)期為初春,項(xiàng)目所在區(qū)域風(fēng)力較大,測(cè)量區(qū)域高低起伏較大,且由于春季風(fēng)沙大,在風(fēng)沙影響下對(duì)無人機(jī)防護(hù)要求較高。所以在了解測(cè)量難點(diǎn)后,結(jié)合實(shí)際情況制定下面的應(yīng)用流程[2]。

        4.1 選擇無人機(jī)系統(tǒng)

        在礦山測(cè)繪中選擇的無人機(jī)系統(tǒng)為mdLiDAR1000 無人機(jī)掛載激光雷達(dá)套裝,具有較高的集成性,以md4-1000 為飛行平臺(tái),在無人機(jī)上搭載激光雷達(dá)傳感器與相機(jī),型號(hào)分別為SICK LD-MRS4 與FLIR 5MP Global Shutter, 而且還配有APX-15 UAV 慣導(dǎo)單元。LiDAR1000 無人機(jī)的測(cè)量工作流程比較簡(jiǎn)單,具體見圖1。無人機(jī)系統(tǒng)所使用的技術(shù)為L(zhǎng)iDAR;可交付成果為點(diǎn)云與DSM;精度為10 cm;DSM 網(wǎng)絡(luò)中觀測(cè)點(diǎn)布置間隔為10 cm;數(shù)據(jù)在1 d 內(nèi)完成收集;坐標(biāo)參照系為CTRF2000;投影為CGCS2000CM111E;垂直參考基準(zhǔn)為橢球高/ 大地高。

        圖1 Li DAR1000 無人機(jī)的測(cè)量工作流程

        4.2 明確無人機(jī)遙感操作流程

        1)收集整理資料。接到任務(wù)后工作人員需對(duì)調(diào)查的任務(wù)與目標(biāo)進(jìn)行全面細(xì)致分析,最終確定飛行平臺(tái)與遙感設(shè)備,結(jié)合當(dāng)?shù)靥鞖鉅顩r選擇最佳時(shí)間開展測(cè)繪工作。

        2)選擇起飛場(chǎng)地。在礦區(qū)周圍選擇最佳無人機(jī)起落場(chǎng)地,場(chǎng)地要保證無人與開闊,能為無人機(jī)的安全起飛與落地提供支持,且能為飛機(jī)機(jī)載設(shè)備的安全性提供保障[3]。

        3)設(shè)計(jì)飛行方案。通過飛行方案的科學(xué)設(shè)計(jì),能縮短飛行時(shí)間,提升測(cè)繪效率。要求工作人員能對(duì)目標(biāo)區(qū)域位置、面積等基礎(chǔ)信息進(jìn)行了解,對(duì)飛行效率予以考慮,保障無人機(jī)能全部覆蓋目標(biāo)區(qū)域。

        4)機(jī)載飛行控制系統(tǒng)檢查。優(yōu)良的機(jī)載裝備是確保遙感飛行質(zhì)量的關(guān)鍵所在,要求在無人機(jī)起飛前與落地后,要對(duì)飛機(jī)的各個(gè)零部件、設(shè)備及系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)致檢查,確保無人機(jī)的安全性與可靠性。

        5)飛行質(zhì)量和影像質(zhì)量檢查。無人機(jī)在飛行結(jié)束之后,需對(duì)飛行質(zhì)量及獲得的遙感影像質(zhì)量進(jìn)行細(xì)致檢查,確保原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量,為后期數(shù)據(jù)處理提供保障。無人機(jī)在航攝期間,會(huì)受到高空氣流、飛機(jī)重量的影響,導(dǎo)致飛行會(huì)偏離航線,所以需要在檢查期間,確定檢查重點(diǎn)為相片重疊度、傾角等[4]。

        4.3 航線和控制點(diǎn)設(shè)計(jì)

        無人機(jī)礦山測(cè)繪中航線設(shè)計(jì)屬于基礎(chǔ)性工作,會(huì)對(duì)測(cè)量質(zhì)量產(chǎn)生極大影響。在測(cè)繪期間測(cè)繪人員需了解礦山的面積、地貌等不同內(nèi)容,由于礦山面積較大,需將礦山劃分為小區(qū)域,然后分區(qū)域進(jìn)行測(cè)繪[5]。為確保測(cè)繪質(zhì)量,需結(jié)合礦山實(shí)際情況,對(duì)空中航線進(jìn)行合理規(guī)劃,為避免無人機(jī)測(cè)繪留白,需設(shè)計(jì)旁向重疊度與航向重疊度,將無人機(jī)航線標(biāo)明。無人機(jī)的精準(zhǔn)飛行會(huì)受到地面像控點(diǎn)的影響,所以像控點(diǎn)布置需均勻合理。測(cè)繪人員需嚴(yán)格遵循1∶1 000 地形圖航空攝影測(cè)量領(lǐng)域的代碼要求,在礦區(qū)測(cè)繪領(lǐng)域開展網(wǎng)絡(luò)布局,為避免在地面區(qū)域留有死角,要求按照礦山地形野生刺外觀進(jìn)行操作。根據(jù)露天礦山的地形等各項(xiàng)情況,生態(tài)修復(fù)范圍能有效獲取,并能將其生成飛行航線。在飛行高度設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)飛行面積、時(shí)間等進(jìn)行綜合考慮,確保具有較高對(duì)地面分辨率,要求飛行高度、航向重疊率、旁向重疊率、平均地面分辨率分別為200 m、80%、60%、10 cm。

        4.4 像控點(diǎn)測(cè)量要求

        在礦山礦區(qū)內(nèi)設(shè)置的有效E 級(jí)控制點(diǎn)為6 個(gè),以這6 個(gè)點(diǎn)作為控制測(cè)量的起算數(shù)據(jù)。但是控制點(diǎn)布設(shè)不均勻,需對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行加密處理,使用GPS 靜態(tài)觀測(cè)的方式,并對(duì)網(wǎng)平差有具體要求。要求衛(wèi)星高度角≥15°,有效觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)≥4;平均重復(fù)設(shè)站數(shù)≥2,采用時(shí)長(zhǎng)為45 min、數(shù)據(jù)采樣間隔為15 s;要求點(diǎn)為結(jié)合圖形強(qiáng)度因子<6。完成控制點(diǎn)加密工作后,使用GPS-RTK 在測(cè)區(qū)內(nèi)測(cè)量像控點(diǎn)坐標(biāo),為確保GPS-RTK 動(dòng)態(tài)觀測(cè)的可靠性與精準(zhǔn)性,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溄樱跍y(cè)區(qū)高程較大的地區(qū)架設(shè)基準(zhǔn)站。測(cè)量期間,為保證數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度,需將平面點(diǎn)位誤差、高程點(diǎn)位誤差分別控制在5 cm、10 cm 以內(nèi)。

        4.5 空中三角加密處理

        無人機(jī)技術(shù)在礦山測(cè)繪中的應(yīng)用,能有效縮短數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)間,提升測(cè)繪效率。但是由于礦山地形地貌相對(duì)比較復(fù)雜,且在礦山上長(zhǎng)有植被,會(huì)影響測(cè)繪質(zhì),當(dāng)留白比較嚴(yán)重時(shí)測(cè)量精準(zhǔn)度就會(huì)下降。所以為提升測(cè)量精準(zhǔn)度,在這種區(qū)域進(jìn)行測(cè)量時(shí)可以通過空中三角加密的方式予以處理。影像方位是空中三角加密的基礎(chǔ),要求通過數(shù)據(jù)計(jì)算與預(yù)測(cè)。

        4.6 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

        為提升數(shù)據(jù)處理的精準(zhǔn)度與處理效率,本項(xiàng)目中所選擇的軟件為Sart3D Captuer,Sart3D Captuer 也叫作“CC”,能快速完成三維建模,將高密度點(diǎn)云生成,對(duì)礦山進(jìn)行真實(shí)還原。

        POS 文件中在原始數(shù)據(jù)中以文檔的格式存在,要將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Execl 表格中。(1)打開軟件,新建工程目錄;(2)添加圖片,做好檢查;(3)添加相片控制點(diǎn),控制點(diǎn)需在相片上選擇;(4) 在軟件中進(jìn)行空三運(yùn)算;(5) 分模塊處理所拍攝的影像;(6)確定輸出格式與坐標(biāo)系統(tǒng);(7)完成建模。

        4.7 成果圖件輸出

        在礦上測(cè)繪中通過無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用,能有效縮短外業(yè)數(shù)據(jù)采集周期,提升數(shù)據(jù)采集效率。無人機(jī)在對(duì)礦山進(jìn)行航拍期間,采集的信息比較多樣,如地形、建筑物等各類信息,數(shù)據(jù)處理成為無人機(jī)航拍中的要點(diǎn)與難點(diǎn)。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理比較常見的方式為影像拼接和像控點(diǎn)聯(lián)測(cè)。在完成數(shù)據(jù)初步處理后,在繪圖軟件中導(dǎo)入數(shù)據(jù),然后通過軟件處理就能進(jìn)行采編,將成果圖件輸出。

        4.8 質(zhì)量要求

        4.8.1 無人機(jī)圖像獲取

        無人機(jī)的影像質(zhì)量將直接影響后期數(shù)據(jù)處理及結(jié)果輸出的整體效果,為確保影像獲取的精準(zhǔn)性,要求做好以下工作。

        1)攝影分區(qū)。保證分區(qū)接線與圖廓線保持一致;在測(cè)繪期間對(duì)于不同測(cè)區(qū)的高差需合理控制,一般需控制在0.25 倍相對(duì)航高以內(nèi);航攝分區(qū)的跨度需劃大,并對(duì)加密方法和布點(diǎn)方案進(jìn)行綜合考慮。

        2)航向敷設(shè)。一般情況下飛行方向?yàn)闁|西走向,當(dāng)無法滿足東西走向時(shí),可以設(shè)置為沿河流、境界等方向;當(dāng)航線內(nèi)有水域時(shí),需避免像主點(diǎn)為在水域中。

        3)飛行質(zhì)量控制。在無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展期間,各類先進(jìn)攝影設(shè)備、感應(yīng)設(shè)備能搭載在無人機(jī)上,且這些設(shè)備的體積較小,精準(zhǔn)度更高,操作更加便捷,所以要求在做好無人機(jī)飛行質(zhì)量控制,保證圖片清晰,無云遮擋。具體要求為:相片旋轉(zhuǎn)角、整條航線的完全度需分別控制在15°以內(nèi)、1.5%以內(nèi)。

        4.8.2 相機(jī)檢校文件

        無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)的處理并不難,參數(shù)檢校可以通過已知點(diǎn)與目標(biāo)的像點(diǎn)建模,獲得圖像的幾何參數(shù),讓影響與目標(biāo)地物建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系。檢校的主要內(nèi)容有主點(diǎn)位置測(cè)定、光學(xué)畸變系數(shù)測(cè)定、偏心常數(shù)測(cè)定、成像分辨率測(cè)定等。對(duì)于這些數(shù)據(jù)信息的測(cè)定,是要確保二維影像信息得到三維空間信息。

        4.8.3 攝影測(cè)量常用的坐標(biāo)系

        攝影測(cè)量時(shí)常使用的坐標(biāo)系主要包括:(1)像平面坐標(biāo)系O-XY。像平面坐標(biāo)系為平面內(nèi)的直角坐標(biāo)系,位置坐標(biāo)可以通過像點(diǎn)表示,確定中心點(diǎn)、攝影方向與平面度交點(diǎn)、航線分別為S、O、X 軸。(2)像空間坐標(biāo)系S-XYZ。像點(diǎn)的空間位置可以使用像空間坐標(biāo)系表示,坐標(biāo)原點(diǎn)(投影中心)、相機(jī)的主軸分別為S、Z 軸,X 與Y 互相垂直,這樣攝影機(jī)的主軸長(zhǎng)在坐標(biāo)系內(nèi)Z 軸。(3)攝影測(cè)量坐標(biāo)系A(chǔ)-XYZ。對(duì)測(cè)量過程中模型點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行描述時(shí)所使用的坐標(biāo)為攝影測(cè)量坐標(biāo),坐標(biāo)原點(diǎn)為地面點(diǎn)A,XYZ 軸為空間輔助坐標(biāo)系平行。

        5 結(jié)語

        無人機(jī)技術(shù)在礦山測(cè)繪中的應(yīng)用是時(shí)代發(fā)展的產(chǎn)物,對(duì)礦山開采、治理等都具有重要意義。在無人機(jī)技的應(yīng)用過程中,要求能合理選擇無人機(jī)系統(tǒng)、明確無人機(jī)遙感操作流程、明確像控點(diǎn)測(cè)量要求、空中三角加密處理等各個(gè)環(huán)節(jié)的細(xì)節(jié)控制。無人機(jī)技術(shù)在發(fā)展過程中會(huì)向自動(dòng)化、智能化、輕便化方向發(fā)展,提升測(cè)繪數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度,滿足測(cè)繪要求。

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