摘要：本文以无人机航测技术应用于某矿山地质环境治理工程为例，分析了无人机航测技术较传统作业手段具有效率快、精度高的优点，同时其生产过程中构建的实景三维模型能有效提升设计精度和设计水平，在该行业具有良好的应用前景。
关键词：无人机航测技术；矿山地质环境治理；三维模型
Application of UAV Aerial Survey Technology in Mine Geological Environment Treatment Project
WANG Yucheng1，LI xiaoqian2，ZHANG quantong1，WANG yedong1
（1. Nanjing GuangNing Survey Technology Co., Ltd., Nanjing 211100, China;2. China Energy Engineering Group Jiangsu Power Design Institute Co., Ltd. ,Nanjing 211100, China）
Abstract:This article takes the UAV aerial survey technology applied to a mine geological environment governance project as an example, analyzes the UAV aerial survey technology has the advantages of high efficiency and high precision compared with traditional operation methods. At the same time, the real scene 3D model constructed in the production process can be effective to improve the design accuracy and design level and it has a good application prospect in the industry.
Keywords:UAV aerial survey technology; mine geological environment treatment; 3D model
近年来，随着无人机技术的飞速发展，其在我国现代化建设各个领域的应用越来越广泛。利用无人机作为载体，搭载高像素相机、摄影机等影像传感器结合实时空间定位技术对测绘区域进行影像数据获取的技术被称为无人机航测技术。将该技术应用到矿山地质环境治理工程的测绘工作中，能有效避免复杂地形、密林、通视条件弱等不利因素对测绘工作造成的影响，大大提高测绘作业效率，提升数据精度水平。
1 无人机航测技术介绍
无人机航测系统主要由小型固定翼或多旋翼无人驾驶飞行器、影像采集设备、导航模块、遥控模块、储存模块和探测雷达等设备组成。随着现代电子信息技术的发展，数码拍摄器材的体积、质量得到了显著优化，且拍摄出的影像分辨率有了显著提高；将这种优势与小型无人机的灵活、便携等优点相结合应用于低空航测中，可以快速获得分辨率高的地面影像测量数据。通过将数据导入相应的计算机软件，能够实现对航测数据进行全自动化的处理，测绘工作人员在现场可以通过简易报告来判断得到的影像是否满足测量要求。同时，利用软件还能按照内业规范要求进一步生成高精度且具有不同比例尺的图像以及三维模型，通过这些模型的反映可以对所观测区域的地理环境做出可靠的陈述和预测。无人机航测技术在测绘时的主要流程如图1所示。
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图1 无人机航测技术应用流程示意图
2 无人机航测技术在矿山地质环境治理工程中的应用优势
传统意义上矿山地质环境治理项目的测绘工作，需要测绘人员使用全站仪结合GPS RTK现场采集数据，劳动强度大，且受山地地形复杂、树木遮挡、通视条件差等因素影响，获得的数据精度并不高。而利用卫星遥感等航空遥感技术，则容易受到大气层实时监测质量以及卫星运行旋转周期的约束，工作效率和观测精度都会大大降低【1】。因此，作为新型航空测量技术，无人机航测技术在实际应用中的优势十分明显。第一，无人机航测具有快速测绘能力，无人机的便携性和机动性使其不需要大型的起降场地，可以随时随地进行起飞和降落，大大提高了测绘的效率。第二，在测量过程中无人机不易受到测绘环境和地形的影响，只要在天气条件良好的情况下，可以迅速完成大面积的低空测绘任务；同时不像载人飞行器航测那样需要人员驾驶，远程遥控无人机飞行即可，降低了测绘人员在复杂地形中移动和驾驶飞行器时受到危害的可能性。第三，由于无人机设备不受严格的空域管控等束缚，只要能够符合国家对于无人机飞行的相关规定，即可进行正常的飞行测绘任务。第四，无人机航测过程中可搭载高分辨率CCD航摄相机或多光谱形式传感器等高科技设备，采集得到的影像分辨率可以精确到5cm范围内，这种具有高质量的地理影像数据可以满足实际测绘工作的需求，并且能很大程度上减少后期软件处理时的工作量。
3 无人机航测技术在矿山地质环境治理工程中的应用
3.1测绘矿区概况
本次实例结合江苏省句容市某石灰岩矿地质环境治理工程的测绘工作，航测面积为0.13km2，测图比例尺1:1000。项目区地形呈西北部低、东南部高的态势，区域内峰谷纵横、植被分布密集，同时存在几处小面积水域，若仅仅依靠传统人工方式进行测量费时费力且效率不高。因此，采用无人机航测技术对该矿区进行测绘工作【2】。
3.2无人机飞行计划
在对矿区进行实地航飞前，需要根据已有资料规划好无人机飞行路径，并做好无人机飞行条件检查以确保测绘工作顺利完成。本次飞行使用大疆精灵Phantom 4 RTK飞机，无人机相关参数如表1所示。
具体工作计划如下：飞行任务高度为150m；飞行速度（下视90°）为11.9m/s，飞行速度（倾斜45°）为11.9m/s；旁向重叠率及旁向重叠率（倾斜45°）均为70%，航向重叠率及航向重叠率（倾斜45°）为80%。航线总长度为17935m，共计74个航点，总计拍摄照片668张。
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3.3数据处理
航飞完成后，需对无人机采集得到的原始照片数据进行预处理。通过对比查看影像是否与实际对应，并检查影像清晰度能否满足要求，有无遗漏区域或影像质量不佳，必要时需进行补飞重摄。
影像数据经过预处理后导入Context Capture软件，输入影像传感器相关参数，将无人机像控点与航测图像进行匹配，提高模型配置的准确性。对于受无人机影像传感器的镜头准确度、气候和运行状态改变所造成的影像畸变需要获取相应的畸变参数，在软件中进行畸变处理。在航测过程中因部分区域可能受到地形、植被或房屋遮蔽影响，拍摄得到的影像会出现所谓“留白”问题，此时需进行空中三角加密解算对影像特征点进行匹配计算，反向解算得到每张影像的空间位置与姿态角度的关系。三维建模工作流程见下图2。
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图2 三维建模流程示意图
经过空中三角测量解算后构建模型立体像对，生成地物三维模型点云，根据三维点云在软件中进一步构建三维不规则三角网，优化后得到三维白模型，依照航测得到的影像纹理数据对模型进行纹理映射，输出得到纹理逼真的实景三维模型，效果如图3所示。
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图3 无人机航测区域实景三维模型
基于实景三维模型的立体采集可以快速完成较高精度的地形测绘工作，实现裸眼测绘的效果，在减轻外业测绘工作量的同时能够大幅度提高地形测绘效率。当前内业采集常用的三维采集测图软件包括北京山维公司的EPS平台、南方数码公司的CASS_3D软件等。
本文采用CASS_3D软件对倾斜摄影三维模型进行地形数据矢量采集工作。通过与AutoCAD联动作业能够方便快速地对地形图中地物点进行精准定位，同时可以多窗口、多角度地实时显示地形信息，支持自动采集高程点、批量绘制等高线等实用功能，做到二维平面投影视图及三维模型的同步绘制及显示。操作实际界面如图4所示。
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图4 CASS_3D立体采集测图界面
3.4精度分析
内业数据采集成图后，对图面数据精度进行检验分析。现场采用GPS RTK采集平面坐标和高程数据，与航测内业获取数据进行数据精度比较。部分特征点坐标及高程误差分析结果见表2。
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通过比对得出：航测内业采集数据的平面中误差为0.072m，高程中误差为0.093m。误差满足《1:500 1:1000 1:2000 外业数字测图技术规程》GB/T14912-2017中所规定的1:1000比例尺情况下高程中误差小于等于±0.30m 和平面中误差小于等于±0.40m的精度要求，说明利用无人机航测技术应用于矿区测绘中效果可以满足实际测量需要。
4 结语
无人机航测技术应用于矿山地质环境治理工程中，较传统作业手段能有效提高作业效率，提升数据精度水平，同时其生产过程中构建的实景三维模型能帮助设计人员全面、直观的掌握治理区域地形条件，有助于提升设计精度，提高设计水平，节约工程建设成本，推动矿山地质环境治理工作的发展。
参考文献
[1]郭平.无人机数字测量技术在矿山测绘中的应用分析[J].世界有色金属,2019(24):19-20.
[2]谢梅秀,陶丹丹.无人机航测技术在矿山地形图测绘中的应用[J].世界有色金属,2019(20):45-46.