孫茂春 郭 嘉 李建虎 崔 杰 劉 驥

（五礦邯邢礦業(yè)有限公司北洺河鐵礦）

近年來，隨著無人機(jī)飛行航攝系統(tǒng)的快速發(fā)展和應(yīng)用，無人機(jī)航測(cè)技術(shù)在礦山地形圖測(cè)量領(lǐng)域發(fā)揮的作用非常重要。無人機(jī)遙感測(cè)量技術(shù)具有機(jī)動(dòng)性好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、構(gòu)成單元數(shù)量少、價(jià)格低廉、安全系數(shù)高、效率高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為未來礦山測(cè)量的主要技術(shù)手段之一［1］。

目前，航空遙感傳感器作為數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵設(shè)備，主要包括航空攝影儀（相機(jī)）、攝像儀、激光掃描儀、雷達(dá)等［2］。無人機(jī)遙感技術(shù)是高分辨數(shù)碼相機(jī)搭載在航攝飛機(jī)上，獲取高分辨率的影像數(shù)據(jù)，完成影像的數(shù)字獲取和全數(shù)字化處理。將無人機(jī)遙感系統(tǒng)應(yīng)用于管理領(lǐng)域，可有效提高管理數(shù)據(jù)資料的精準(zhǔn)性、可靠性和實(shí)效性，為管理工作提供可靠的技術(shù)支持，為做出決策打下良好基礎(chǔ)［3］。

北洺河鐵礦采用無底柱崩落法采礦，導(dǎo)致采空區(qū)塌陷嚴(yán)重，部分區(qū)域目前已經(jīng)無法用全站儀等傳統(tǒng)測(cè)量方式進(jìn)行地形圖測(cè)量。由于近期要進(jìn)行塌陷區(qū)環(huán)境治理和尾礦濃縮塌陷區(qū)干排等項(xiàng)目設(shè)計(jì)，原有地形圖已經(jīng)不能滿足設(shè)計(jì)需求，本研究通過利用固定翼無人機(jī)遙感系統(tǒng)對(duì)河北省武安市北洺河鐵礦塌陷區(qū)進(jìn)行無人機(jī)航測(cè)，通過測(cè)量結(jié)果和航測(cè)過程等分析，證明了無人機(jī)航測(cè)技術(shù)在礦山地形圖測(cè)量中的可行性和優(yōu)越性［4］。

1 技術(shù)架構(gòu)

通過現(xiàn)場(chǎng)踏勘、航線設(shè)計(jì)、像控點(diǎn)測(cè)量、無人機(jī)航攝等測(cè)量技術(shù)方法獲取航拍數(shù)據(jù)成果。通過成果分析，為北洺河鐵礦塌陷區(qū)地質(zhì)環(huán)境綠化治理和尾礦濃縮塌陷區(qū)干排等工作提供技術(shù)支撐。

1.1 無人機(jī)低空航攝數(shù)據(jù)采集

低空航攝數(shù)據(jù)采集是無人機(jī)航測(cè)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，無人機(jī)低空遙感測(cè)量技術(shù)是一種新興的檢測(cè)手段，該檢測(cè)手段實(shí)時(shí)性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性好、構(gòu)成單元少、價(jià)格地、安全風(fēng)險(xiǎn)小、效率高等優(yōu)點(diǎn)。無人機(jī)低空航攝數(shù)據(jù)采集工作主要分為現(xiàn)場(chǎng)勘探、像控點(diǎn)測(cè)量、待測(cè)區(qū)域航線設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集、航測(cè)數(shù)據(jù)檢查等步驟［5］。

（1）現(xiàn)場(chǎng)勘探。組織測(cè)量人員對(duì)測(cè)量區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘探，核實(shí)測(cè)量項(xiàng)目坐標(biāo)和測(cè)量范圍，并做好起飛前準(zhǔn)備。

（2）待測(cè)區(qū)域航線的方案設(shè)計(jì)需要滿足測(cè)圖的精度要求，綜合考慮測(cè)區(qū)里面的地形高低變化、分辨率、高山、樓房和影像重疊度等各個(gè)因素對(duì)測(cè)量范圍進(jìn)行航線設(shè)計(jì)。

（3）無人機(jī)起飛前的安全檢查確認(rèn)。無人機(jī)航測(cè)起飛之前需要再次對(duì)各個(gè)組成單元進(jìn)行檢查確認(rèn)，確認(rèn)一切正常后，可以進(jìn)行無人機(jī)升空起飛。

（4）無人機(jī)在工作過程中需對(duì)飛行器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和每一項(xiàng)機(jī)載傳感器的工作情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制，用來應(yīng)對(duì)有可能發(fā)生的異常情況，確保飛行安全和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

（5）數(shù)據(jù)檢查。無人機(jī)安全落地后，操作人員立即檢查拍攝到的影像數(shù)據(jù)，查看影像數(shù)據(jù)和各項(xiàng)參數(shù)是否符合設(shè)計(jì)要求。

（6）像控點(diǎn)測(cè)量。由于測(cè)量范圍大多數(shù)情況下的圖形不規(guī)則，所以采用區(qū)域網(wǎng)布設(shè)像控點(diǎn)。像控點(diǎn)的坐標(biāo)使用RTK進(jìn)行測(cè)量。為了使像控點(diǎn)的精度能夠進(jìn)一步提高，可以在測(cè)量范圍內(nèi)增加平高控制點(diǎn)，控制點(diǎn)的位置一般選在測(cè)量區(qū)域的中心位置和邊界附近，并同時(shí)在測(cè)區(qū)內(nèi)選擇檢查點(diǎn)。

1.2 航測(cè)數(shù)據(jù)的處理

像控點(diǎn)刺點(diǎn)采用無人機(jī)低空攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行，采用光束法平差進(jìn)行空三加密，生成高精度點(diǎn)云。點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用人機(jī)交互編輯或者自動(dòng)濾波，完成測(cè)量區(qū)域的數(shù)字正射模型和數(shù)字地表模型。

1.3 監(jiān)測(cè)信息提取

監(jiān)測(cè)信息提取方式可分為以下2類。

（1）人機(jī)交互解譯。

（2）目視觀察結(jié)合高清正射影像、傾斜模型等數(shù)據(jù)成果，獲取項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度情況等現(xiàn)場(chǎng)信息。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 儀器簡(jiǎn)介

對(duì)北洺河鐵礦礦區(qū)、塌陷區(qū)進(jìn)行無人機(jī)航攝測(cè)量，測(cè)圖比例尺為1∶1 000，利用無人機(jī)遙感成果對(duì)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境治理改善和尾礦干排項(xiàng)目進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。

該項(xiàng)目采用的是華測(cè)P330型無人機(jī)（圖1），該無人機(jī)為電動(dòng)垂直起降固定翼，可垂直起飛并轉(zhuǎn)成固定翼，固定翼及旋轉(zhuǎn)翼模式可自由切換，場(chǎng)地限制小，起降方便；具備實(shí)時(shí)差分RTK、后差分解算系統(tǒng)PPK，后差分解算系統(tǒng)具備機(jī)體坐標(biāo)改正及姿態(tài)修正功能。巡航速度≥75 km/h；最大飛行時(shí)間≥150 min；最大航程≥180 km；懸停水平精度為（1+1×10-6）cm，垂直精度為（2+1×10-6）cm。

相機(jī)型號(hào)為sony a7r2型，全畫幅相機(jī)，總像素4 400萬，有效像素4 240萬，傳感器類型為Exmor RCMOS，最大分辨率為7 952×5 304。

2.2 踏勘設(shè)計(jì)

收集整理測(cè)量范圍內(nèi)的基礎(chǔ)資料、現(xiàn)場(chǎng)踏勘，針對(duì)測(cè)區(qū)地形地貌，將北洺河礦區(qū)和塌陷區(qū)作為測(cè)區(qū)，測(cè)區(qū)面積為3.1 km2；該測(cè)區(qū)按照飛行高度h=200 m、航向重疊度為75%、旁向重疊度為70%進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，航線設(shè)計(jì)見圖2。

2.3 像控點(diǎn)測(cè)設(shè)

在本測(cè)量區(qū)域內(nèi)布設(shè)了16個(gè)地面控制點(diǎn)，分別分布于測(cè)區(qū)四周和中心，采用RTK結(jié)合cors系統(tǒng)完成像控點(diǎn)野外測(cè)量。

2.4 工程完成情況

無人機(jī)航測(cè)歷時(shí)2 d，航行耗時(shí)135 min，共采集1 810張影像，航測(cè)圖像見圖3。航攝完后把航測(cè)的影像數(shù)據(jù)上傳至電腦，進(jìn)行重疊度檢查，經(jīng)檢查大部分像片的切斜角符合要求，所拍攝影像色彩均勻清晰，顏色飽和，無云影和劃痕，層次豐富，反差適中，根據(jù)飛行轉(zhuǎn)彎半徑及保證有效照片，超出成圖范圍等，均滿足設(shè)計(jì)要求。

2.5 空三加密

因?yàn)楸敬螣o人機(jī)攜帶的照相機(jī)為非量測(cè)相機(jī)，所以在對(duì)原始影像進(jìn)行畸變糾正后再進(jìn)行空三加密，最后完成自由網(wǎng)平差。在本次北洺河鐵礦數(shù)據(jù)的自由網(wǎng)平差中，通過粗查挑選與精細(xì)匹配，整合同名像點(diǎn)的精度，確保同名像點(diǎn)都小于半個(gè)像素值的誤差。同時(shí)檢查同名像點(diǎn)在測(cè)量區(qū)域內(nèi)的分布情況，使其均勻的分布，并采用手動(dòng)添加連接點(diǎn)的方法來改進(jìn)連接不好的區(qū)域，確保各模型的連接強(qiáng)度足夠，然后完成該測(cè)量區(qū)域的平差工作，通過調(diào)整像點(diǎn)及像控點(diǎn)，其絕對(duì)定向的精度滿足該測(cè)區(qū)1:1 000測(cè)圖比例尺精度要求。

2.6 DOM、DEM生產(chǎn)制作

本次彩色正射影像圖的制作利用CHCNAVControl1.3.9來完成，此系統(tǒng)可以直接利用空三的前期成果自動(dòng)生成立體模型，完成輸出若干塊狀的正射數(shù)字影像，輸出的塊狀影像被均光調(diào)整后（確保最后制作完成的DOM影像沒有較大色差和顏色的均勻），像素工程就可以自行生成高分辨率的數(shù)字地表模型（DSM），并將DSM自動(dòng)過濾獲得數(shù)字高程模型（DEM），由數(shù)字地表模型（DSM）和數(shù)字高程模型（DEM）自動(dòng)生成拼接線，使用數(shù)字高程模型（DEM）對(duì)原始航測(cè)影像進(jìn)行正射修改，由拼接線對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)的正射圖形進(jìn)行無縫隙和無變形拼接，將前期通過勻色制作的影像塊視圖作為依據(jù)，然后對(duì)拼接完成的影像自動(dòng)勻色，最后依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行出圖。在成圖范圍內(nèi)采用對(duì)保密點(diǎn)的檢測(cè)，并計(jì)算出單點(diǎn)檢測(cè)較差及中誤差，檢測(cè)所生成的DOM的精度是否達(dá)到要求。本次測(cè)量共用到84個(gè)檢查點(diǎn)，單點(diǎn)較差最大為78#點(diǎn)，較差為0.734 m。

全數(shù)字立體測(cè)圖采用適普的VirtuoZo NT全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量軟件完成，利用三維成果恢復(fù)的三維模型進(jìn)行測(cè)繪，然后進(jìn)行立體模型重疊抽樣檢查，檢查平面和高程是否存在突變和異常的區(qū)域，并返回到立體模型重新采集并核對(duì)，對(duì)11個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行了原圖平高點(diǎn)與檢測(cè)平高點(diǎn)的檢查，檢查結(jié)果見表1。根據(jù)《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量內(nèi)業(yè)規(guī)范》規(guī)定，其平面與高程中誤差小于限差，滿足規(guī)范要求。

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2.7 成果分析及治理

根據(jù)礦區(qū)及塌陷區(qū)的DOM可以判斷出北洺河鐵礦塌陷區(qū)的塌陷面積和塌陷范圍，根據(jù)測(cè)量結(jié)果及時(shí)圈定塌陷邊界并安裝塌陷區(qū)邊界界樁，為塌陷區(qū)區(qū)域附近作業(yè)人員提供安全保障和阻止外來人員和車輛進(jìn)入塌陷區(qū)。也能夠及時(shí)更新塌陷區(qū)內(nèi)塌陷坑的準(zhǔn)確位置和塌陷趨勢(shì)，將塌陷變化頻繁和變化較大區(qū)域通過井上下對(duì)照?qǐng)D確定此區(qū)域?qū)?yīng)的井下位置，提前對(duì)在該區(qū)域及區(qū)域附近作業(yè)的相關(guān)單位做好安全預(yù)防工作。

根據(jù)礦區(qū)及塌陷區(qū)的DOM成果，可以判斷北洺河鐵礦之前種植的植被成活情況，合理制定綠化設(shè)計(jì)。北洺河鐵礦已經(jīng)通過本次測(cè)量結(jié)果，初步設(shè)計(jì)了團(tuán)城段塌陷區(qū)二期綠化工程、高村段塌陷區(qū)一期綠化工程和塌陷區(qū)生態(tài)修復(fù)治理工程，為北洺河鐵礦建設(shè)綠色礦山和美麗礦山提供了詳細(xì)的基礎(chǔ)資料。還可以通過DOM成果，查看塌陷區(qū)防洪圍墻及其他防洪設(shè)施是否存在缺失和損壞情況，通過DOM可以更加宏觀地進(jìn)行防洪設(shè)施的整體設(shè)計(jì)和調(diào)整，為后期制定環(huán)境修復(fù)規(guī)劃和尾礦濃縮塌陷區(qū)干排提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和相關(guān)圖紙。塌陷區(qū)恢復(fù)治理區(qū)域見圖4。

本次航測(cè)成果大體上沒有受到地形因素的影響，精度均勻，能夠提高整個(gè)地形圖的精度。在該項(xiàng)目中，通過在治理前已經(jīng)獲取的能夠真實(shí)反映地表狀況的影像數(shù)據(jù)，和計(jì)劃在治理工程實(shí)施后相同季節(jié)和時(shí)間分別進(jìn)行一次飛行和成圖，為治理成效評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。其中治理前已經(jīng)生成的DEM和DOM數(shù)據(jù)用于構(gòu)建該礦區(qū)三維場(chǎng)景，DLG數(shù)據(jù)用于主要地物三維建模工作。在整理以往影像圖、地質(zhì)地形圖、井下開采和塌陷區(qū)地質(zhì)災(zāi)害資料等的基礎(chǔ)上，開展遙感解譯以及多元數(shù)據(jù)疊加分析，綜合選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)位和基準(zhǔn)點(diǎn)位，監(jiān)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害的變化趨勢(shì)，并能及時(shí)進(jìn)行報(bào)警。

3 結(jié)論

五礦礦業(yè)北洺河鐵礦礦區(qū)及塌陷區(qū)航測(cè)項(xiàng)目，通過現(xiàn)代化的無人機(jī)航測(cè)，僅經(jīng)過短短2 d的外業(yè)測(cè)量就順利地完成了測(cè)繪任務(wù)，如果本次測(cè)量使用傳統(tǒng)的測(cè)繪方法——GPS+全站儀方式測(cè)繪，保守估計(jì)也需1個(gè)月以上，并且航測(cè)可以測(cè)量北洺河鐵礦塌陷區(qū)、塌陷嚴(yán)重區(qū)域等傳統(tǒng)測(cè)量方式無法測(cè)量的部位。無人機(jī)航測(cè)相比傳統(tǒng)的測(cè)繪方法，大大縮短了工期和成本，但是在實(shí)際應(yīng)用中部分地形復(fù)雜的地區(qū)高程精度欠佳，不過，相信航測(cè)會(huì)隨著無人機(jī)和拍照等相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，將目前存在的缺點(diǎn)慢慢克服。

無人機(jī)低空遙感技術(shù)具有分辨率高、數(shù)據(jù)質(zhì)量好以及快速機(jī)動(dòng)等優(yōu)勢(shì)。通過本課題的研究可以看出，在礦山環(huán)境治理中，無人機(jī)遙感攝影在獲取礦區(qū)地形圖方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。礦山治理的變化可以直接通過DOM直觀地看出來，而傳統(tǒng)的映射方法只能提供單一的地形圖，與傳統(tǒng)的測(cè)繪方法相比，無人機(jī)測(cè)量速度較快，不僅減少現(xiàn)場(chǎng)工作人員和成本投入，提供地形圖，還可以提供傳統(tǒng)測(cè)量方法無法測(cè)量的DOM和DEM數(shù)據(jù)，效果顯著，可以在以后的礦山環(huán)境治理中發(fā)揮更大作用。