劉戈劍，辛 瑤

（華北地質(zhì)勘查局綜合普查大隊普冠公司，河北 廊坊 065201）

1 無人機遙感技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

無人機是以空氣提供升力、機上無人駕駛、可重復(fù)使用航空器。無人機遙感是在無人機技術(shù)成熟后形成的新型航空遙感系統(tǒng)，無人機遙感的載體是無人機，主要構(gòu)件是小型高性能遙感傳感器，如光電傳感器、紅外傳感器等。20世紀(jì)60年代，我國正式生產(chǎn)出低速遙控靶無人機，21世紀(jì)后，無人機遙感技術(shù)開始快速發(fā)展。早期無人機遙感技術(shù)主要由空中部分、地面部分、輔助部分構(gòu)成，空中部分涵蓋了遙感傳感器、無人機遙感平臺、空中遙感控制系統(tǒng)；地面部分涵蓋了無人機地面控制子系統(tǒng)、航跡規(guī)劃子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接受解壓縮系統(tǒng)、實時顯示系統(tǒng)、數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng)；輔助部分涵蓋了定標(biāo)系統(tǒng)等，可以滿足自動拍攝獲取遙感圖像、實時生成傳輸快視圖、接收地面數(shù)據(jù)等要求。當(dāng)前，無人機遙感技術(shù)分辨率更高，且呈現(xiàn)出系統(tǒng)化、定量化特點，如基于衛(wèi)星中繼的無人機遙感、基于北斗的無人機遙感、基于GPRS的無人機遙感，可以滿足高速異地實時傳輸數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)自動處理、高空地協(xié)同精準(zhǔn)監(jiān)測等要求[1]。

2 無人機遙感技術(shù)應(yīng)用對礦山測繪工程測量的影響

2.1 提高礦山測繪工程測量精度

定量化是無人機遙感技術(shù)的主要特點，無人機定標(biāo)場的構(gòu)建，為無人機遙感提供了高度精準(zhǔn)標(biāo)尺，可以滿足礦山測繪工程厘米級高分辨率測量要求[2]。特別是近幾年基于無人機定標(biāo)場的航空航天定標(biāo)場的構(gòu)建，可以實現(xiàn)無人機遙感數(shù)據(jù)、航空航天數(shù)據(jù)融合，在物理空間內(nèi)貫通地學(xué)、光電參量，從源頭消除礦山測繪工程中地面影像上端光電儀器系統(tǒng)誤差，提高礦山測繪工程測量精度。

2.2 提高測繪工程測量效率

自動化是無人機遙感技術(shù)的主要表現(xiàn)?；跓o人機遙感通用物理模型可以自動完成成像載荷多剛體拼接向單剛體成像的轉(zhuǎn)變，簡化荷載控制體系的同時，提高礦山測繪工程測量效率。同時，一體化無人機遙感操作，可以自動依托無人機搭載的傳感器完成地面成像，并在飛行后地面調(diào)整定標(biāo)數(shù)據(jù)，機動靈活，可以提高礦山測繪工程測量效率。

2.3 提高測量數(shù)據(jù)應(yīng)用效率

大尺度是無人機遙感技術(shù)的特殊優(yōu)勢。在我國無人機遙感技術(shù)發(fā)展規(guī)模逐步擴(kuò)大進(jìn)程中，無人機遙感適應(yīng)的測繪目標(biāo)尺寸愈發(fā)多樣，可以滿足不同礦山測繪工程測量尺寸要求。足夠的無人機遙感測繪尺寸，可以在確保礦山不同尺寸測繪工程測量任務(wù)順利完成的同時，以立體模型方式即時傳遞礦山測繪工程測繪區(qū)域狀態(tài)信息，為礦山測繪工程測量數(shù)據(jù)應(yīng)用提供依據(jù)[3]。

3 無人機遙感技術(shù)在礦山測繪工程測量中應(yīng)用實踐

3.1 工程概況

礦山測繪工程正線全長101km，總占地面積27.53hm2，其中永久占地19.36hm2，其余為臨時占地。工程具有線路長、施工周期長、擾動和破壞植被面積大、廢棄土石方量大的特點。所在地區(qū)為中低山丘陵地貌，相對高差25m～596m，海拔125m～1056m。區(qū)域土壤成土母質(zhì)為可蝕性較高的沖積物。區(qū)域山坡植被叢生，坡腳植被覆蓋率為15.23%，斜坡植被覆蓋率為32.50%。區(qū)域為暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均溫為12.9℃，年均降雨量854mm。

3.2 應(yīng)用情況及效果分析

3.2.1 應(yīng)用情況

礦山測繪工程測量是通過測量大地、測量空間信息進(jìn)行地形圖繪制的作業(yè)，其是大規(guī)模礦區(qū)工程建設(shè)的前期操作，也是工程投資決策與規(guī)劃設(shè)計的依據(jù)。在礦山測繪工程測量中應(yīng)用無人機遙感技術(shù)的流程包括測量設(shè)備準(zhǔn)備、測繪數(shù)據(jù)采集（測繪影像獲?。?、拍攝數(shù)據(jù)處理幾個步驟。

在測量設(shè)備準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，測量技術(shù)人員應(yīng)確定工程范圍與精度要求，準(zhǔn)備設(shè)備并規(guī)劃線路，包括飛行高度、飛行方向、風(fēng)向角度等。根據(jù)《低空數(shù)字航空攝像測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》（CH/Z 3003-2010）、《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》（CH/Z 3005-2010）等規(guī)范要求，工程無人機遙感技術(shù)應(yīng)用范圍呈“Z”字形，多數(shù)廢棄渣土長位于線路兩側(cè)50km直線范圍（以線路為中心線兩端各外擴(kuò)50km）內(nèi)，監(jiān)測范圍超過19hm2。無人機遙感在礦山測繪工程測量中應(yīng)用成果精度設(shè)定為數(shù)字高程模型高程精度2m～5m，數(shù)字正射影像地面分辨率0.22m，水平精度1m～3m。

根據(jù)成果設(shè)定要求，準(zhǔn)備發(fā)動機引擎、機身、螺旋槳、起落架、機翼、降落傘組成的固定翼無人機以及2110萬像素全畫幅數(shù)碼相機（含35mm紅圈定焦鏡頭）、機載飛行和地面站控制系統(tǒng)、精度達(dá)到0.5m～1m的Trimble GEO XT手持GPS（地面控制點采集）、Pix4UAV Desktop 3D（遙感影像后期處理），其中機載飛行和地面站控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)按照規(guī)劃路線自動飛行導(dǎo)航、控制與俯仰角、側(cè)滾角、遠(yuǎn)程控制，在飛行中確定姿態(tài)角、運動參數(shù)、坐標(biāo)參數(shù)并輸出。設(shè)備準(zhǔn)備完畢后，測量技術(shù)人員應(yīng)對無人機航拍狀態(tài)進(jìn)行檢查，根據(jù)無人機作業(yè)指導(dǎo)說明書逐一核對無人機相關(guān)配件與影像系統(tǒng)完好性、通信設(shè)備完好性。進(jìn)而根據(jù)實際情況，調(diào)試無人機遙感地面站軟件，確定無人機航拍過程影片質(zhì)量清晰、色彩效果佳。

測繪數(shù)據(jù)采集是礦山測繪工程測量工作必不可少的一個步驟，測繪數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確度、采集速度均會影響礦山測繪工程測量效果。

因此，測量技術(shù)人員應(yīng)利用控制系統(tǒng)，依據(jù)設(shè)計方案推進(jìn)無人機飛行、拍攝，協(xié)調(diào)無人機垂直傳感器與傾斜傳感器，從多個角度獲取足夠的原始影像數(shù)據(jù)。根據(jù)測量規(guī)程遙感范圍設(shè)定、項目現(xiàn)場地形地貌，結(jié)合遙感測量成果精度要求，分測區(qū)飛行，飛行距離為32km，以E105.25123、N31.251251，H426m為基準(zhǔn)的航高為1156m，單張照片覆蓋面積為1km2（1233.251m×821.365m），拍攝正向影像時的航線呈“Z”字形，照片拍攝航向間隔159m，航向重疊率超過82%，航帶之間間隔615m，旁向重疊率超過50%，實際覆蓋空間范圍為197km2。而無人機航攝系統(tǒng)技術(shù)要求航向重疊度不低于53%、旁向重疊度不低于13%，本次測量均滿足航空攝影技術(shù)規(guī)范，便于獲得分辨率為5472×3078的高質(zhì)量遙感數(shù)據(jù)。整條線路工拍攝照片562張，去霧處理、篩選姿態(tài)后具備實際應(yīng)用價值的照片為558張（.JPG格式）。

在原始影像數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，測量技術(shù)人員可以開展地面控制點采集，確保數(shù)據(jù)精度達(dá)標(biāo)。整條線路地面控制點共采集25個點位，檢查點數(shù)量為9個，各點位在不同飛行測段內(nèi)均勻分布，可為整體精度提供保障。

拍攝數(shù)據(jù)處理是基于專業(yè)軟件處理原始影像數(shù)據(jù)的操作，需要在拼接數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上開展高程糾正、幾何糾正，確保DOM、DEM格式的數(shù)據(jù)與精度要求相符。即在去霧預(yù)處理的基礎(chǔ)上，借助Pix4UAV Desktop 3D軟件提取與精度要求相符的DEM、DOM格式影像。同時，在原始影像中找到控制點，輸入GPS記錄的控制點實際高程、經(jīng)緯度，提取DOM與DEM影像疊加信息，勾畫工程邊界。進(jìn)而根據(jù)0.22m的地面分辨率要求，以tile（瓦片）形式存儲。

后期測量數(shù)據(jù)應(yīng)用時，根據(jù)精度要求，在Globalmapper15軟件內(nèi)生成成果數(shù)據(jù)，成果數(shù)據(jù)采樣率、格式均不同，得出結(jié)果見圖1。在高程渲染圖得出之后，可以從DEM上直接觀測工程情況，或者利用GLobalmapper15軟件自帶的測量工具，進(jìn)行多邊形創(chuàng)建，提取監(jiān)測所需長度（擋渣墻、路基擋墻、截排水長度）、面積（土地整治、工程護(hù)坡長度）信息（見表1），或者結(jié)合實地調(diào)查結(jié)果進(jìn)行體積（挖方量、截排水工程量、擋墻工程量等）數(shù)據(jù)的間接計算，為工程開展提供數(shù)據(jù)。

表1 測繪工程面積計算結(jié)果

圖1 測繪工程無人機遙感數(shù)字高程渲染圖

3.2.2 應(yīng)用效果

如圖1所示，工程東北部邊緣出現(xiàn)小幅度畸變，與實際情況相符。表明將無人機遙感技術(shù)應(yīng)用到測繪工程中，可以第一時間全面準(zhǔn)確反映工程進(jìn)程，在大規(guī)模線性工程中優(yōu)勢較為突出。較之傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感，無人機遙感機動靈活，時效性佳，可以根據(jù)礦山測繪工程測量需求，由現(xiàn)場監(jiān)測人員規(guī)劃遙感范圍、遙感時間，在短時間內(nèi)提取遙感影像，滿足工程常規(guī)監(jiān)測要求。同時，無人機遙感可以達(dá)到亞米級監(jiān)測要求，并根據(jù)需求進(jìn)行無人機飛行高度調(diào)整，獲得多精度成果，滿足測繪工程位置、面積等信息持續(xù)監(jiān)測判讀要求。除此之外，無人機遙感成果可以更加全面、直觀地展現(xiàn)測繪工程當(dāng)前測量情況，為工程建設(shè)方開展施工布局、施工管理、進(jìn)度控制提供參考。

由表1可知，在計算面積時，無人機遙感技術(shù)輸出的結(jié)果精度不高，各測區(qū)誤差的差異不顯著，可能是由于初步處理環(huán)節(jié)軟件應(yīng)用不到位，而在獲取DEM、DOM影像后的面積提取技術(shù)較為成熟。加之無人機成像具有絕對誤差較大、相對誤差較小的特點，相當(dāng)于礦山測繪工程整體在空間中傾斜，各測區(qū)之間面積計算結(jié)果受影響程度相當(dāng)，檢查點誤差均值差別較小。

3.3 應(yīng)用反思

第一，在無人機遙感技術(shù)應(yīng)用于礦山測繪工程測量時，所操作的無人機載重相對較小，操作高度上升時易受空氣壓力、氣流等多種因素影響出現(xiàn)失穩(wěn)甚至偏離預(yù)先設(shè)定飛行路線情況，影響最終測量圖像拍攝精確性。特別是在云霧、雨雪等惡劣天氣，檢測成果難以滿足精度要求。針對這一問題，根據(jù)外業(yè)實際測量的參數(shù)進(jìn)行精度分析。即在拼接而成的DOM影像中尋找地面檢查點并讀取其經(jīng)度、緯度，將讀取數(shù)值作為影像值，以地面GPS實測檢查點對應(yīng)的經(jīng)緯度為實測值，進(jìn)行精度分析，分析公式為：

式1中，mx為X方向精度，cm；xi為地面檢查點影像橫坐標(biāo)，cm；xio為地面檢查點實測坐標(biāo)，cm；n為檢查點個數(shù)；i為檢查點；yi為地面檢查點影像縱坐標(biāo)，cm；my為Y方向精度，cm；yi0為地面檢查點實測縱坐標(biāo)，cm；mxy為影像平面位置精度，cm。在精度計算的基礎(chǔ)上，測量技術(shù)人員應(yīng)從測繪數(shù)據(jù)采集、處理幾個方面著手，加強無人機飛行控制，并優(yōu)化內(nèi)業(yè)處理軟件，降低外部因素干擾。比如：在測繪工程項目區(qū)高度差異處于較高水平時，因單“z”字形航線拍攝時，主航線兩側(cè)高程出現(xiàn)了由一側(cè)向另外一側(cè)逐漸減?。ɑ蛑饾u增大）的趨勢，可改用雙“z”字形航線，消除精度誤差。

第二，經(jīng)過精度經(jīng)驗，礦山測繪工程無人機遙感數(shù)字高程渲染圖的高程誤差在2m～5m之間，提取監(jiān)測所需體積數(shù)據(jù)無法滿足前期精度要求，僅可作為參考數(shù)據(jù)，直接使用價值較低。為確保無人機遙感測量精確度，在礦山測繪工程測量之初，測繪技術(shù)人員可以從實際測繪目標(biāo)區(qū)域情況著手，調(diào)整無人機飛行路線，規(guī)避外在因素對無人機飛行的干擾。并借助無人機遙感攜帶照相設(shè)備自動調(diào)整飛行階段鏡頭焦距，規(guī)避獲取圖像重疊等對清晰圖像獲取的不利影響。同時利用無人機遙感數(shù)據(jù)處理模型代替基于施工單位計量值的微分法估算，適應(yīng)測繪工程特殊的空間尺度（介于坡面尺度、流域尺度之間），快速獲取測繪工程的高精度測量數(shù)據(jù)。

第三，礦山測繪工程無人機遙感測量數(shù)據(jù)處理工作量較大，需要技術(shù)人員在熟悉測繪工程情況的基礎(chǔ)上人工處理提取，時間成本、人工成本投入量較大。同時，較之當(dāng)前礦山測繪工程測量費用，無人機遙感測量成本較高，無法實施長期連續(xù)監(jiān)測，只能根據(jù)礦山測繪工程情況、遙感測量必要程度，有計劃地開展典型區(qū)監(jiān)測。針對這一問題，測量人員可以定期調(diào)查分析國內(nèi)市場測繪工程測量軟件價格，協(xié)調(diào)無人機遙感設(shè)備價格與精度，發(fā)掘無人機遙感應(yīng)用潛力，為無人機遙感在測繪工程中長期應(yīng)用提供依據(jù)。

4 結(jié)語

綜上所述，無人機遙感兼具靈活機動、全天候作業(yè)、長時間續(xù)航的特點。在礦山測繪工程測量中應(yīng)用無人機遙感技術(shù)，不僅可以提高礦山測繪工程測量效率，而且可以提高礦山測繪工程測量精度。

因此，測繪技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)工程測量任務(wù)內(nèi)容，科學(xué)應(yīng)用無人機遙感技術(shù)。根據(jù)無人機遙感技術(shù)在礦山測繪工程測量中的應(yīng)用效果，及時反思，及時優(yōu)化，為無人機遙感技術(shù)在礦山測繪工程中的有效應(yīng)用提供依據(jù)。