消费级无人机在复杂矿山地形生态修复中的应用分析

张启慧，李忠涵，杜 莹

(山东省煤田地质局第一勘探队，山东 青岛 266000)

倾斜摄影测量技术是近年来新兴的一项高新技术[1-3]，通过在飞行平台上搭载高像素或多镜头相机，从而设置不同的重叠率，从不同角度采集影像信息，获取地面物体的完整的纹理、空间信息，构建地物的三维实景模型[4-5]。无人机倾斜摄影技术不仅能够真实准确地反映地物信息，更能通过先进的定位、建模等技术，形成真实的三维实景模型[6-10]，为决策与矿山管理提供直观的数据支撑。无人机倾斜摄影测量技术相较传统测量，在成本、效率、成果的可视化方面，具有非常显著的优势[11-13]。

虽然倾斜摄影测量技术有着以上技术优势，但受限行业级无人机成本高、操作难度大、无人机超过7 kg需持无人机驾照及每次起飞需申请空域等客观条件影响，无人机测量还未广泛应用于废弃矿山地质环境治理、矿山生产及动态储量监测中[14]。

通过使用消费级无人机(大疆精灵4)，利用其无需驾照及低空无需申请空域的优势，探讨其在生态修复、废弃矿山地质环境恢复治理、矿山生产中的应用。通过实验对建筑用花岗岩集中开采区及治理区进行低空摄影测量，优化航摄参数，采集有效照片，实现对开采区及治理区的有效建模，并验证模型的精度。为生态修复、废弃采坑治理、矿山生产管理提供准确有效的测量数据，加快数字化矿山、智慧矿山、绿色矿山的建设进程，为进一步规范矿山生产活动、加强矿山管理、减少重复投入、实施动态资源储量监测等提供技术支撑与数据支撑。

1 实验设计

消费级无人机主要指大疆精灵4无人机，其重量1 380 g(包含电池)，轴距350 mm，最大水平飞行速度72 km/h，因灵活易操作，且有官方配套软件，可实现一定区域的航线规划，设定分辨率及重叠率，实现对一定区域的影像采集工作。实验使用精灵4无人机进行航飞，使用GPPS-RTK布设地面像控点及检查点，像控点用于后期模型精度校正，检查点用来验证模型精度，验证消费级无人机用于生态修复及矿山生产管理的可行性。

实验涉及的测量技术包括：无人机低空倾斜摄影、POS辅助空三、GNSS测量、倾斜摄影三维实景建模、三维数字测图等技术。

实验总体技术路线如图1。首先使用大疆精灵4无人机对集中开采区进行航拍，对航高、像控点布设、航线进行优化，航拍完成后，运用Context Capture软件进行空三加密、模型建设、正射影像生产[15-17]。使用Acute3D Viewer进行三维模型的浏览与简单测量。采用EPS软件进行三维测图，快速对模型进行详细的信息采集。配合使用Cass软件做DLG线划图。

实验平面坐标采用2000国家大地坐标系，高斯-克吕格(Gauss-Kruger)投影，中央经线120°，按3°分带。高程基准采用1985国家高程基准。

设备有大疆精灵4无人机1台、GPS-RTK 1台(南方银河1P，精度：动态测量：水平：±10 mm+1 ppm RMS，垂直：±20 mm+1 ppm RMS)，数据处理电脑5台、汽车1台，Context Capture软件1套、ArcGis软件1套、山维EPS软件1套、CASS及其它相关软件。

图1 无人机航测技术路线

通过本次实验预期获取以下目标成果用于精度分析。

(1)三维数据成果：OSGB格式；

(2)TDOM数字真正射影像成果：TIF格式；

(3)DEM数字高程模型：TIF格式；

(4)数字线划图成果：DWG格式。

2 外业测试

2.1 摄影方式优化

摄影测量方式有倾斜摄影方式和垂直摄影方式，倾斜摄影测量可以更好地拍摄到立面纹理信息，对于近垂直的地物可以达到更好的成模效果。但消费级无人机只有单镜头，若采用调整镜头倾斜角度来模拟倾斜摄影的方式，需采取井字型航线的方式，大大增加了航飞的航线路程。因此针对复杂矿山，虽地表起伏较大，但立面岩石较少的情况，设计采取垂直摄影的方式，来验证模型的精度能否达到规范要求。

2.2 高程、航线(重叠率)优化

对于无人机飞行高度的确定采用以下公式：

式(1)中，H为飞行高度，m；α为像元尺寸大小，μm；f为焦距，mm；GSD为地面分辨率，cm。

镜头α与f为已知定值(α=2.4 μm；f=9 mm)。根据公式(1)可知，飞行高度越高，地面分辨率越差，一张照片覆盖的面积越大，完成相同面积，采用相同重叠率设置，拍摄的照片数量越少。

针对复杂矿山地形，因存在较多山头，地形高低起伏不定。采用单一的航高与重叠率设置，会产生以下3种影响。

(1)只保证地形低处的地面分辨率情况下，会导致地形高处重叠率不够，从而导致模型产生空洞，无法完成模型建设(图2)。

图2 高处重叠率不够示意

(2)在航高不变，要保证高处重叠率情况下，会导致低处重叠率过高，航速降低，照片数量剧增，作业效率骤降(图3)。

图3 低处重叠率过高示意

(3)通过提高航高来保证高处重叠率情况下，会导致地形低处地面分辨率不够(图4)。

图4 低处分辨率降低示意

为解决复杂矿山地形起伏不定导致的以上3个问题，设计采取以下优化方式：

(1)采用分层飞行的方式。第一层在保证航飞高度不撞山的前提下，以保证矿区最低处地面分辨率与重叠率的方式来规划设计航飞路线。

(2)第二层在以保证矿区最高处分辨率和重叠率的前提下，提高航飞高度。实验矿区面积1.0 km2，最低处海拔高度大于50 m，最高处海拔高度大于150 m。第一条航线设置航高为海拔高度170 m，相对地形最低处的相对航高为120 m，相对地形最高处的相对航高为20 m，地面分辨率为1～4 cm。

第二条航线设置航高为海拔高度230 m，相对地形最低处的相对航高为180 m，相对地形最高处的相对航高为80 m，地面分辨率为2～10 cm。

航线按摄区蛇形敷设，平行于摄区边界线的首末航线确保侧视镜头能获得测区有效影像，像片航向重叠度设计为 70%～80%，旁向重叠度设计为 50%～80%。

2.3 像控点优化

像片控制点(像控点)是航测内业加密和进行质量检查的依据。为确保成果精度和各项成果质量检查需要，本实验设计像控点和检查点的密度为20点/km2。像控点和检查点采用基于JSCORS网络RTK技术施测，本次将复杂矿山内地形高处、低处均布设像控点，用来模型约束和质量检查。

3 数据处理

摄影时天气情况要求良好，确保有足够的光照度，共飞行4个架次，作业时间50 min，采集照片545张。

3.1 三维实景建模

3.1.1 数据准备

大疆无人机采集的照片中，包含了EXIF信息，其中包含照片的POS信息，其采取的坐标系为WGS84坐标系，可将其直接导入Context Capture进行数据处理。

3.1.2 空中三角测量

(1)在空中三角测量前，先对原始影像进行预处理，对原始影像进行色彩、亮度和对比度的调整和匀色处理，以缩小影像间色调差异，使色调均匀，反差适中，层次分明，保持地物色彩不失真。

(2)空中三角测量采用Context Capture软件，将相机参数、影像数据、 POS 数据进行多视角影像特征点密集匹配，并以此进行区域网的自由网多视影像联合约束平差解算，建立在空间尺度可以适度自由变形的立体模型，完成相对定向。

(3)将外业按20点/km2采集的像控点和检查点，均匀取一半用于对模型进行约束平差解算，将区域网纳入到精确的大地坐标系统中，完成绝对定向。另一半留作质量检查。

(4)检查像控点精度。空三结束后应及时查看精度报告以符合精度要求。经Context Capture导出质检报告，像控点误差满足测量要求。像控点残差统计见表1。

表1 像控点残差统计

3.1.3 倾斜摄影模型生产

使用Context Capture进行三维实景模型(OSGB格式)、TDOM正射影像模型与DEM数字高程模型生产。

全自动三维建模采用多机多节点并行运算的Context Capture Center软件进行，将空三后的成果数据直接提交生成三维 TIN 格网构建、三维模型创建、自助纹理映射和三维场景构建。

3.2 DLG数字线划地形图生产

使用山维EPS数字测图软件进行内业数据采集，生成DLG数字线划图[18-19]。主要步骤如下：

(1)数据转换：将生成的三维实景模型(OSGB格式)导入清华山维EPS三维数字测图软件平台中，进行数据转换，生成DSM。

(2)加载本地DOM数据后，在三维模型上直接进行大比例尺地形图数据采集。最终将调绘资料转绘，完成最终1∶1000比例尺地形图成果。

4 精度对比分析

实验将另一半外业采集的像控点作为校验点，将其作为真值，来评价模型与线划图的精度。

经检验，图幅平面位置中误差为±0.38 m，高程中误差为±0.32 m(见表2)，均满足1∶1000地形图的精度要求。

表2 模型精度检查

5 结 语

(1)使用消费级无人机，采用垂直摄影，配合蛇形航线，采取分层航高的方式，配合像控点测量，进行矿区三维模型的快速重建，大大降低了矿山测量的外业工作强度，提高了矿山测量的效率。通过过程优化，其精度可以满足1∶1000的要求。

(2)复杂地形矿山通过无人机采集的数据生产正射影像，可得到高质量的影像数据，可方便圈定废弃采坑需要进行生态修复的范围和面积，并通过叠加三调或二调成果，及时了解废弃采坑损毁的土地利用类型，为后期治理规划提供基础数据支撑。同时三维可视化模型的应用，能提供更直观的矿区现状，从而为进一步规范矿山生产活动、加强矿山管理，建设绿色矿山等提供重要依据。

(3)采用无人机测绘，可以弥补传统测绘的一些弊端，尤其是提供了原始资料的多种展示方式，对于治理工程的监理、治理成果的展示、测绘精度的提高都起到了提高的作用。

(4)内外业一体化作业，高效快捷的输出影像和三维实景模型，是实现快速决策、快速生产的关键，消费级无人机(行业入门级无人机)可实现快速、精确的无人机测绘，满足了多行业，不同种类，多角度的应用需要，这些便捷，必将为行业带来巨大的改变与进步，推动行业向便捷、简单、高效、直观的方向发展，值得大力推广与宣传。

随着无人机定位精度、拍照精度、续航能力、控制半径的进一步提升，无人机在矿山测量方面的优势越来越明显。利用无人机航测搭配地理信息技术，不仅在矿山测量方面提供基础数据，并且在矿山执法、地质调查、地质灾害调查与救援等方面有着广阔的应用前景。