无人机航空摄影测量技术在矿山地质环境治理中的应用

【摘 要】随着无人机飞行航摄系统的快速发展及应用，无人机航摄在获取测绘成果的优势已经越来越明显，将无人机摄影测量技术全面发展，扩展到地质找矿及矿区灾害治理等领域，已经成为了无人机技术发展的另一个领域，本文通过实例介绍无人机摄影测量技术在矿山地质环境中的应用，论证无人机摄影测量技术在大比例尺地形图测图的可行性。

【关键词】无人机；地质环境治理；DOM；DEM

近些年，无人飞机航摄系统在测绘方面的应用越来越广泛。卫星遥感和常规航摄技术由于周期长、费用高，无法及时有效地满足应急测绘、小面积高分辨率地理信息数据更新的需求。无人飞机航摄系统是传统航空摄影测量手段的有力补充，具有机动灵活、高效快速、精细准确、作业成本低、适用范围广等特点，在小区域和飞行困难地区高分辨率影像快速获取方面具有明显优势。本文通过介绍固定翼无人机在大通煤矿地质环境的应用，以体现无人机飞行技术在基础测绘中的优越性。

1 引言

目前，航空遥感传感器作为数据采集的主要设备，包括航空摄影仪（相机）、摄像仪、扫描仪、雷达等。近年来，随着电子技术的发展，数字航摄仪向小巧、轻便的方向发展，特别是数码相机的分辨率越来越高，搭载在航摄飞机上后，可以获取高分辨率的影像数据，实现影像的数字获取和全数字化处理。通过目前的“3S”技术在无人机航测遥感系统中的集成应用，使无人机遥感航测系统具有实时对地观测能力和遥感数据快速处理的能力，既能完成有人驾驶飞机执行的任务，更适应于有人飞机不宜执行的任务，如危险区域的侦察和遥感航测、需要长航时和定期遥感监测的任务等，是未来航空摄影测量的重要发展方向。本文利用固定翼无人飞机航摄系统，对青海省西宁市大通煤矿地质环境治理示范工程进行无人机航测，以期对高原地区的地质灾害治理提供科学依据。

2 工程实施关键技术及应用

2.1 工艺流程

工程航拍及航测具体操作步骤如下：

（1）通过无人机航摄技术进行原始数据的获取，并进行基础控制测量及像控点测量；

（2）进行空三加密，通过自动获取像点坐标，经过区域网平差解算，以确定加密点的空间位置和影像的外方位元素。

（3）利用空三加密的结果进行“3D”产品的制作，包括数字正射影像图、数字高程模型、数字线划图。其中数字线划图为通过内业立体模型采集的地形图数据，并结合外业调绘的数据就可形成最终的数字线划图。

2.2 关键技术

2.2.1 无人机航空摄影

该项目采用无人机航摄系统进行，。测图比例尺为1∶1000，其中航摄比例根据项目规划设计所需地形图比例和精度要求为准，根据大比例尺航测测图的特点，结合航摄区的地形条件、成图方法及所用仪器的性能诸因素综合考虑。在确保测图精度的前提下，本着有利于缩短成图周期、降低成本、提高测绘综合效益的原则选择。数码航空摄影的地面分辨率（GSD） 取决行高度：

式中：h―飞行高度；f―镜头焦距（35mm ） 。

α―像元尺寸（6.41μm） ；GSD―地面分辨率。

航摄参数数据见表1。

航摄完后把当天的影像数据传出来，进行重叠度检查，经检查，大部分像片的倾斜角小于4.5°，超过8°的航片仅占总数的1.3%。所拍影像色彩均匀清晰，颜色饱和，无云影和划痕，层次丰富，反差适中。每条航线的有效航片根据飞机转弯半径及保证有效相片，超出成图范围约700米左右，均满足设计要求。

2.3 像控点测量

像控点的布设采用两种方法，一是在四等GPS控制点上布设地标，二是利用航片进行刺点。在无人机航摄系统进行航空摄影当日，在四等GPS控制点上布设9个地标点。在完成航空摄影后，根据CH/Z 3004-2010《低空数字航空摄影测量外业规范》4.3.1和4.3.2条区域网布点的规定以及“设计方案”的要求和项目特点，选刺像控点时按航向间两相邻控制点的间隔跨度不超过6-7张影像，旁向间两相邻控制点的间隔跨度不超过3条航线进行，共计布设209个像控点。

2.4 空三加密`

由于无人机搭载的相机是非量测相机，所以在进行空三加密前必须对原始的影像进行畸变纠正，然后再进行自由网平差。在自由网平差过程中，通过挑粗差和精细匹配，调整同名像点的精度，确保同名像点误差均小于半个像素值，同时检查测区中同名像点的分布情况，使其分布均匀，并在连接不好的区域手动添加连接点，保证模型间有足够的连接强度，最后进行该测区的区域网平差，通过调整像点及像控点，其绝对定向的精度为：平面精度最大的是±0.201m，高程精度最大为±0.210m，满足该测区1∶1000测图比例尺的精度要求。

2.5 DOM、DEM生成制作

利用像素工厂Pixel Factory进行彩色正射影像图的制作，该系统直接利用前期空三的成果生成立体模型，输出若干块块状的数字正射影像，将这些块状影像匀光调整后（保证后期制作的DOM影像颜色均匀、无较大色差），像素工厂即可自动生成高分辨率的数字地表模型（DSM），并将其自动过滤得到数字高程模型（DEM），由DSM、DEM自动生成拼接线，利用DEM对原始影像进行正射纠正，由拼接线对整个测区的正射影像进行无缝无变形的拼接，参考前期匀色制作的影像快视图，将整个拼接好的影像进行自动匀色，即可完成DEM、DEM的制作，之后就可按照要求的标准分幅大小进行影像的裁切、整饰并出图。在成图范围内采用对保密点的检测，并计算出单点检测较差及中误差，检测所生成的DOM的精度是否达到要求。共用到84个检查点，单点较差最大为78为0.734m。

检查点较差中误差依据下列公式进行计算：

其中，RMS为检查点较差中误差，n为检查点个数，Xi，Yi为检查点的加密坐标，xi，yi为检查点对应在DOM影像上的同名点坐标。 依据上述计算公式，计算出青海大通测区1：1000 DOM检查点较差中误差为0.153m，根据《低空数字航空摄影测量内业规范》规定，满足精度要求。

2.6 全数字化立体测图

全数字化立体测图采用适普的VirtuoZo NT全数字摄影测量系统完成，采用空三成果所恢复的立体模型进行测图，之后进行立体模型套合抽样检查，并通过将DLG与DOM叠合，采用3D模块检查地物与高程一致性，检查平面与高程是否有异常及突变的地方，并返回立体模型下重新采集并核对，我们对288个控制点进行了原图平高点与检测平高点的检查，检查结果如下：

高程中误差m=± =±0.42m

点位中误差=± =±0.48m

以《低空数字航空摄影测量内业规范》规定，其平面与高程中误差小于限差，满足规范要求。

通过以上可以看出，航测成果不受地形条件的限制，精度均匀，对微地貌表示比较逼真，可以从整体上提高地形图的精度。在该项目中，通过在治理前已经获取的能够真实反映地表状况的影像数据，和计划在治理工程实施后相同季节和时间分别进行一次飞行和成图，为治理成效评价提供基础数据资料。其中治理前已经生成的DEM和DOM数据用于构建该矿区三维场景，DLG数据用于主要地物三维建模工作。在收集以往地形、影像、地质灾害以及煤矿开采等资料的基础上，开展遥感解译以及多元数据叠加分析，综合选取监测点位和基准点位，监测地质灾害的变化趋势并能及时进行报警。

3 结论

经过该对项目的研究，可以看出，无人机航测在矿山地质环境治理中获取矿区地形图方面具有很大的优势，通过DOM可以很直观的看出矿山治理前后的变化，而传统的测绘方法只能提供单一的地形图，无人机航测不仅作业速度快，减少外业工作量及成本，无人机航测不仅能提供地形图，而且还能提供DOM、DEM等数据成果，通过这几种成果结合使用，效果突出，并且无人机航摄测绘1∶1000地形图在该矿区中能够满足规范的要求，可在以后的矿山治理及将来的“数字矿山”的建设中发挥更大的作用。

参考文献：

[1]张祖勋，张剑清.数字摄影测量学.武汉大学出版社，2012.

[2]张启元，郑永虎等.高原无人机航测技术.青海民族出版社.2013.

[3]郑永虎，张启元，陈丰田.无人机航测在高原矿区测绘中的应用.青海大学学报.2013.