礦山測(cè)量中無人機(jī)航測(cè)的應(yīng)用實(shí)踐

田永欣 馬順明

摘 要：無人機(jī)航測(cè)遙感系統(tǒng)是繼衛(wèi)星遙感和有人駕駛飛機(jī)遙感之后的一種新型航空遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，是航空、信息、自動(dòng)化控制、微電子、計(jì)算機(jī)、通訊、導(dǎo)航、傳感器以及“3S”等多學(xué)科高新技術(shù)的集成應(yīng)用，具有機(jī)動(dòng)、快速、靈活、影像分辨率高等特點(diǎn)，適合在條件極為復(fù)雜的高寒地區(qū)和無人區(qū)開展測(cè)繪工作，成為世界各國(guó)爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)。文章通過實(shí)例分析，主要以無人機(jī)航測(cè)技術(shù)為主線，對(duì)于礦山測(cè)量方面的問題進(jìn)行的探討

關(guān)鍵詞：礦山測(cè)量；無人機(jī)航測(cè)；應(yīng)用

無人機(jī)航測(cè)技術(shù)作為一項(xiàng)空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段，具有續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、影像實(shí)時(shí)存儲(chǔ)傳輸、分辨率高、機(jī)動(dòng)靈活、相對(duì)于載人機(jī)來說，運(yùn)輸維護(hù)、作業(yè)成本等都較低等優(yōu)點(diǎn)。目前大量應(yīng)用于地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)、高海拔礦區(qū)的測(cè)量工作中。

1 無人機(jī)航攝系統(tǒng)

無人機(jī)航攝系統(tǒng)是以無人機(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，利用空中和地面控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)影像的自動(dòng)拍攝和獲取，同時(shí)實(shí)現(xiàn)航跡規(guī)劃和監(jiān)控、信息數(shù)據(jù)壓縮和自動(dòng)傳輸、影像預(yù)處理等功能，是具有高智能化程度、穩(wěn)定可靠、作業(yè)能力強(qiáng)的低空遙感系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括①無人機(jī)飛行平臺(tái)。為DBⅡ型無人機(jī)，由機(jī)體、操縱系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)三部分組成。②傳感器。配備佳能5DmarkⅡ定焦數(shù)碼相機(jī)，焦距為35mm。相機(jī)像素大小為6.41μm，像幅大小為5616像素×3744像素（2100萬像素）。③飛控系統(tǒng)。飛控采用自動(dòng)駕駛儀UP30，該駕駛儀集成了GPS接收機(jī)、氣壓傳感器、空速傳感器、飛行控制系統(tǒng)等部件，可以穩(wěn)定控制各種氣動(dòng)布局的中低速無人機(jī)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、定位和自主飛行。④地面監(jiān)控系統(tǒng)與遙控器。包括DELL便攜式工作站、UP30飛控軟件、電臺(tái)和天線。其中，在UP30飛控軟件中設(shè)計(jì)編輯航線和航路點(diǎn)，實(shí)時(shí)修改無人機(jī)的飛行姿態(tài)和目標(biāo)航點(diǎn)，并實(shí)時(shí)顯示無人機(jī)的各種飛行參數(shù)和電池電壓。所有數(shù)據(jù)均通過電臺(tái)和天線與無人機(jī)進(jìn)行通訊。遙控器是手動(dòng)控制無人機(jī)飛行的遠(yuǎn)程控制設(shè)備，技術(shù)嫻熟的操控手利用遙控器可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)滑跑起飛和降落。⑤地面運(yùn)輸與保障系統(tǒng)。配有一輛四驅(qū)依維柯汽車，可長(zhǎng)距離裝載運(yùn)輸無人機(jī)設(shè)備。另外還配有警示筒、警示繩等安全保障設(shè)備。⑥配套軟件：包括航攝質(zhì)量快速檢查軟件、影像預(yù)處理軟件、影像處理軟件PixGrid等。

2 項(xiàng)目任務(wù)

為適應(yīng)現(xiàn)代礦山企業(yè)發(fā)展建設(shè)不斷加快的形勢(shì)，滿足加強(qiáng)安全生產(chǎn)，加大對(duì)煤礦規(guī)劃管理力度的需要，對(duì)礦山進(jìn)行航空數(shù)碼測(cè)繪。內(nèi)容包括1∶2000及1∶5000數(shù)字線劃圖（DLG）采集、數(shù)字正射影像圖（DOM）、礦區(qū)地形地質(zhì)圖，以及驗(yàn)證無人機(jī)航攝系統(tǒng)用于礦山地形數(shù)據(jù)采集的測(cè)量精度。該測(cè)區(qū)采用Quickeye（快眼）II型無人機(jī)搭載非量測(cè)型數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行攝影作業(yè)，又布置大量的地面控制點(diǎn)，然后對(duì)航飛數(shù)據(jù)通過區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量的自檢法來計(jì)算全部系統(tǒng)誤差根源對(duì)像點(diǎn)位置坐標(biāo)的綜合改正值，從而確定內(nèi)方位元素和物鏡的光學(xué)畸變值，實(shí)現(xiàn)相機(jī)的高精度標(biāo)定；并將標(biāo)定結(jié)果用于測(cè)繪產(chǎn)品生產(chǎn)，以此來對(duì)無人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)在小區(qū)域大比例尺地形圖立體采集中所能達(dá)到的精度水平進(jìn)行評(píng)估和驗(yàn)證。

3 航攝系統(tǒng)組成

本測(cè)區(qū)采用的航攝系統(tǒng)組成部分有：無人機(jī)飛行平臺(tái)、飛行控制系統(tǒng)和非量測(cè)型面陣CCD數(shù)碼相機(jī)；以及地面站、遠(yuǎn)程無線通信裝置；地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等輔助設(shè)施。飛行平臺(tái)采用Quickeye（快眼）II型無人機(jī)，控制系統(tǒng)采用NCG―1微型無人機(jī)控制系統(tǒng)。攝影搭載CanonEOS5DMarkII高分辨率數(shù)碼單反相機(jī)，像素為5616×3744pixel，像元大小為6.41um。飛行過程中采取飛控系統(tǒng)控制快門定點(diǎn)曝光，將對(duì)焦環(huán)固定在無窮遠(yuǎn)處鎖定相機(jī)的內(nèi)方位元素，并采用固定光圈以保證統(tǒng)一物鏡畸變參數(shù)。

4 項(xiàng)目實(shí)施情況

4.1航線設(shè)計(jì)

測(cè)區(qū)總面積為21.6km2，地處青海高原東北部，屬中低山區(qū)。地勢(shì)東南高，西北低，中部平坦，為灘地草原，海拔3660m，最低點(diǎn)位于西北部，海拔約2800m，最大相對(duì)高差約860m，植被覆蓋率較高，有少量建筑物，交通便利。參照測(cè)區(qū)地形條件、成圖面積、形狀規(guī)劃及成圖比例等要求，此次航飛方向?yàn)槟媳狈较颍苍O(shè)計(jì)八條航線。航向重疊度>65%，旁向重疊度>35%，航高為3693m，分辨率為0.18m，采用GPS飛控管理系統(tǒng)進(jìn)行定點(diǎn)曝光，每條航線獲取15張航片。

4.2地面控制

地面控制是由內(nèi)業(yè)布點(diǎn)，外業(yè)人員野外刺點(diǎn)。本區(qū)野外像片控制點(diǎn)的布設(shè)按照《1∶500，1∶1000，1∶2000地形圖航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》中區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)要求進(jìn)行布設(shè)。共像片控制點(diǎn)布設(shè)在航向及旁向3片或4片重疊的范圍內(nèi)，共布設(shè)39個(gè)平高點(diǎn)，布設(shè)的像片控制點(diǎn)均可公用。采用山西省測(cè)繪局工程測(cè)繪院建立的GPSCORS網(wǎng)。它是通過現(xiàn)有的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)和無線數(shù)據(jù)播發(fā)網(wǎng)，向各類需要測(cè)量和導(dǎo)航的用戶以國(guó)際通用格式提供碼相位/載波相位差分修正信息，可實(shí)時(shí)解算出流動(dòng)站的精確點(diǎn)位。平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用1980西安坐標(biāo)系，高程基準(zhǔn)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

4.3加密結(jié)果精度及采集精度評(píng)定分析

空中三角測(cè)量采用DATMatrix+ATMatrix+PATB進(jìn)行，該系統(tǒng)是由航天遠(yuǎn)景公司自主研發(fā)的空中三角測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要針對(duì)小數(shù)碼影像，利用少量地面控制點(diǎn)來計(jì)算一個(gè)測(cè)區(qū)中所有影像的外方位元素和所有加密點(diǎn)的地面坐標(biāo)，并集成PATB光束法區(qū)域網(wǎng)平差軟件，所以粗差檢測(cè)功能和平差計(jì)算功能都很強(qiáng)大。

成果精度分析：

參照《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范（CH/Z3003——2010）》，由平差結(jié)果可知，本測(cè)區(qū)采取普通數(shù)碼相機(jī)，以無人飛行器為平臺(tái)進(jìn)行相對(duì)航高為1124m航攝作業(yè)，通過檢校加密糾正后立體像對(duì)結(jié)果可以滿足1∶2000地形圖測(cè)圖的平面精度要求。表明無人機(jī)航攝系統(tǒng)可以云下低空飛行，能夠獲取衛(wèi)星和有人飛機(jī)無法得到的高分辨率影像數(shù)據(jù)，并且針對(duì)小區(qū)域大比例尺的地形圖測(cè)繪，可以采用無人機(jī)航攝作為其獲取影像數(shù)據(jù)的基本方法之一。由采集結(jié)果可知：其相對(duì)定向與絕對(duì)定向及加密中的各項(xiàng)限差均符合規(guī)定及設(shè)計(jì)，平面精度會(huì)因?yàn)楸嬲J(rèn)誤差而有所降低，但高程精度不會(huì)有大的改變，還可以看出，采用該系統(tǒng)成圖的平面精度還有較大的潛力，適當(dāng)?shù)胤艑挼孛娣直媛剩黾雍礁?，還可以進(jìn)行小比例尺地圖的測(cè)量工作，例如成1∶1000圖時(shí)，設(shè)計(jì)地面分辨率為10cm，采用全野外布點(diǎn)或區(qū)域網(wǎng)空三加密。成1∶500圖時(shí)，設(shè)計(jì)地面分辨率為7.5cm，采用全野外布點(diǎn)或區(qū)域網(wǎng)空三加密。

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