无人机航测在矿山地质带状地形图中的精准分析

时间：2024-11-02

郭岑怡，朱俊臻，毛云松

（中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南昆明 650000）

1 无人机航测在矿山地质带状地图的任务

通过无人机开展矿上的航测工作，可以充分满足我国实际发展的要求，并让生产的安全性得到保证。无人机会对矿山测绘对矿山的开发造成重要影响，为此要提高对矿山测绘精准度的重视程度。将无人机航测技术与矿山测绘相结合，管理的强化工作十分重要，对测绘所得到的数据一定要确保有足够的精确度。由于矿山测绘对于数据方面的要求非常高，在进行航测的区域一定要安置地面控制点，这样就可以比较有效的得到准确的数据信息。制定项目任务的过程中，一定要权衡航测矿山的区域地形与实际海拔；充分考虑实际情况能够保证航测方案制定的合理性与科学性。

2 非量测相机的优势

拥有非量测相机传感器的无人机摄影测量系统不仅可以节约成本，还拥有灵活便捷等特点。换句话说，它在科研、生产方面的应用拥有未来动态趋势。非量测数码相机也被称作普通数码相机，由于其体积之小，重量之轻，与无人机的配合（搭载）十分融洽。利用数码相机所生成的影像信号，不仅能够通过计算机完成在线作业，还能够将其倒入影像存储卡中。近几年，我国的普通数码相机的单景影像能够利用自身强大的功能达到大比例尺低空航测制图工作对成像分辨率的要求。

3 飞行平台与成像传感器

飞行平台所采取的固定翼型无人机，其技术参数的详情由表1可知。

表1 飞行平台技术参数

成像传感器由Canon EOS 5DMark 2普通数码相机组成，其传感器属于CMOS类型。设计、制造非量测摄像机的初衷并不是将其用于摄影测量，因此它不具备内方位元素值的提供功能；将其与量测摄影机相对比还可发现，二者的成像几何质量相差较大。以我国目前用于量测的普通数码相机为基础，开展相应的检校工作可以掌握内方位元素等参数，进而为今后的一项数据处理提供帮助。该实验所需的相机，其检校需要在室内精密控制长开展，算法以管线束为主。

4 航空摄影与像片控制

第一，实验航线的设计工作。以矿山地质测区范围及形状为基础，将及成图的比例尺设定在1：2000，并保证设计影响的比例尺处于1：20000左右、航摄地面分解力是14cm，然后通过GPS飞控管理系统开展定点曝光工作。

第二，线控点的布设方案。由区域网布点法可知，两条和两条以上的平行航线布设平高按制点，并保证每对像控点之间的相距不高于4条基线。至于不规则区域网，想要让像控加密的精度得到强化，不仅要在网的凸角部位设立平高点，还要在凹角部位设立高程点。然而，如果凹凸角之间距离高于2条基线，凹角处同样需要设立平高点。像控点需要选刺在棱角分明的地物上，这样可以让物方与像方的坐标观测精度得到进一步地保障。

第三，相控点的联测工作。试验通过GPS-RTK作业模式进行像控点的联控，能够为现有的控制点成果增添物方三维坐标。加密质量的保障，在测定高程控制点平面坐标的同时，还能够为内业加密的纠错提供帮助。与此同时，试验中外业观测平高像控点有48个，分布较为密集，以利于考察无人机航测的摄影测量精度。

5 空中三角测量

无人机所携带的普通数码相机成像吉和质量较量测相机差，即不能达到提供准确内方位元素的目的，还会让无人机的航摄质量受到环境因素的影响。换句话说，光束法区域网空中三角测量的运用已经成为了必然。

光束法区域网平差，旨在将像片中的一束光线视做平差单元，中心投影的共线方程使用能够实现平差的获取，然后利用光线束的空间平移与旋转完成彼此之间的最优交会；让使用者能够掌握更加精准的加密点地面坐标的同时，还能够了解实际的外方位元素。选择自检校光束法的过程中，还可以大大地降低平差结果中出现系统性误差的概率。如图所示，光束法区域网平差的误差方程，其中不涉及POS观测数据。

图1 光束法区域网平差的误差方程

由上述的方程形式可知：第一式属于像点坐标观测误差方程，其中t代表相片方位元素，x代表物方坐标、c代表附加参数改正数向量，三者都是解算当中充当未知数向量这一角色；而lx则是常数项的代表。第二式属于物方坐标观测误差方程，x代表控制点物方坐标；lc是常数项的代表。第三式属于附加参数虚拟观测误差方程。C作为附加参数，其主要是用于代表相畸变误差。与此同时，方程形式中的E、Pc、Px，代表不同观测值联合平差所设置的权矩阵。

运用传统航测光束法的过程中，区域网平差的结果会受到多种因素的干扰，如：控制点的分布与数量。故航线的实际工程形式等。然而，运用无人机摄像时，其主要影响因素只有：摄像质量较差所导致的像点观测精度存在问题。综上所述，笔者在试验过程中选择了Aberrations Correction Syestem程序模块，进而实现纠正原始性向中切向、径向畸变的目的；再配合VirtuoZoAAT自动空中三角测量软件使用。具体的作业流程可分为以下三部：

第一，数据的准备工作。该项涉及到测区的建立工作、GPS参数的输入工作、航线偏移量的确认工作等。第二，自动赚点工作。第三，空中三角测量加密。

6 立体模型数据采集与精度分析

第一，对建筑物等形态特征良好的数据点，立体模型采集点与空三加密控制点的坐标精度基本相当。这说明立体测绘虽然加入了作业员的观测误差，但该项观测误差很小，建筑物等立体测绘数据点可以用作独立检查点，评价空中三角测量成果质量。

第二，本次试验的航摄和像控设计参照了1：500～1：2000地形图航空摄影测量规范，提供了大比例尺成图的数据处理条件。如果按照目前量测用数码航空相机的作业能力，航测应该能够达到1：2000地形图的精度要求。试验中平面误差满足了1：2000地形图的精度要求，但高程点中误差没有达到相应精度要求，且差距较大。这说明普通数码相机的像元尺寸虽然已与量测用数码航空相机相仿，但构像质量较后者仍有明显差别。

第三，尽管在影像预处理和空中三角测量过程中，考虑了构像畸变校正，但普通数码影像仍使得按常规的基高比立体摄影，无法达到足够的高程精度。普通数码相机采用双拼或四拼机组应该是目前更为实用的航摄方法。

第四，试验中单台普通数码相机摄影的像对覆盖面积小，导致航线数量和像对数量增多。使得空三加密人员增加了10倍于常规航测的工作量。显然，多拼相机作业亦有利于改善这-缺陷。

第五，本试验覆盖2条～4条航线，以2条航线的长形区域为主，近似密集像控布点，取得了均匀且较为理想的平面精度。但高程控制密集下，并没有取得按量测相机的理论上为1.69σo的高程加密精度，且远低于该理论估计精度。这说明普通数码相机的构像畸变残差影响仍然很大，按量测相机作业的基线跨度布设高程控制点，远不能消除普通数码影像系统性误差的对高程观测的影响。

7 无人机航测在矿山测绘中的应用

第一，航线与地面控制的设计工作。无人机航测在矿山测绘中应用过程中，首先需要设定航测基本坐标，航向以及飞行航线等，这样能够保障无人机在实际航测过程中能三度重叠。在航测过程中，需要确定矿区中需要进行测绘的区域，可以选用横纵方向交叉布置方式，无人机可以需要根据提前设置的航线进行航测，操作人员在无人机执行航测任务过程中需要对无人机基本用电量进行关注，预测到问题的出现后及时解决，让航测工作的稳定进行得到保障。

第二，进度与采集精度的评定工作。无人机航测过程中应用的三角测量法主要是数码影像对小面积控制点进行测量时，获取的信息量较少，主要是对矿山勘测区域内获取的影像数据进行提取，然后对外方位元素以及加密点地面坐标进行计算。通过将获取的信息传输到相关软件之后进行处理，在现代计算机网络技术基础上使得测量效果全面提升，这样能够提高测量准确性。在航航过程中，相关技术人员需要结合测量标准计算定向点位置，掌握各项计算误差值，确定各个连接点之间的误差值。