无人机测绘在矿山测量中的应用

价值工程

要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要作者简介院宋铁军（1985-），男，黑龙江青冈人，工程师，学士，研究方向为工程测量。0引言矿山测量[2]是开发矿业过程中不可缺少的一项重要的基础技术工作。在勘探、设计、建设、生产各个阶段直到矿井报废为止，都要进行矿山测量工作。本文的矿山测量主要任务为河北省矿区土地复垦及环境综合治理研究提供大比例尺的矿山测量地形图。将无人机航拍得到的照片经过后期内业处理后，得到的地形图可以直接用于矿山开采[3]中的规划设计，而且通过相关软件得到的三维立体模型对于设计更加形象直观，处理便捷。对比全站仪、RTK等传统的测量方式来说，采用无人机方式进行矿山测量，具有测绘周期短，时效性强，成图精度稳定，受气候及天气影响小，很大程度上降低了测量外业成本和工作负担等多方面优点。另外，无人机测绘还能提交航拍照片、DOM、DSM等影像资料，这些影像资料更加形象直观，方便设计。1无人机测绘在矿山测量中的应用1.1无人机航空摄影测量技术流程无人机航空摄影测量技术在矿山测绘中的应用流程主要包括前期技术准备、航摄技术设计书与航空摄影、航测外业技术设计书、航测外业、二外纸图调绘、航测内业、野外检查并修改、质检检查与提交最终成果等流程。1.2数据采集与处理1.2.1测区介绍通过奥维地图量测测区内地形最大高差、用来设计航高、航飞方向、起飞点降落点、地面分辨率等设计航飞参数。通过奥维地图设计像控点的平面位置，实际布设时采集像控点的三维坐标。测区内房屋为建设用厂房，周边10km没有机场和军事设施，可以顺利起飞。根据现场踏勘，测区位于河北省张家口市涿鹿县附近的一处废弃矿山，总面积约为1.12km2，该山为采石场，部分山体已一半，留下的山体经雨水冲刷后水土流失，形成了沟壑、山脊与断崖等地貌，人员极难靠近。向当地有关部门提交空域申请获得批准后，选择晴天，3级风以下的天气下，进行无人机航拍外业工作。1.2.2数据采集本次无人机航拍外业工作采用大疆经纬M600Pro无人机[4]（如图1所示）飞行平台，搭载4200万像素的SONY相机进行数据采集。采用GPS快速静态测量模式进行像片控制点坐标采集，共采集了三个像片控制点三维坐标，平面坐标系统为国家2000平面坐标系，高程坐标系统为1985国家高程基准。1.2.3航摄参数该测区面积约为1.12km2，根据甲方要求并参考《低空数字航空摄影测量外业规范》，设置航向重叠率设置为85%，旁向重叠率设置为85%，飞行速度为8m/s，相对航高为280m，计算参数航线间距为37.08m，曝光间距为24.79m，无人机测绘在矿山测量中的应用ApplicationofUAVMappinginMineSurveying宋铁军淤于SONGTie-jun曰赵志全淤于ZHAOZhi-quan曰韩新哲淤于HANXin-zhe曰解冰淤于XIEBing（淤华北有色工程勘察院有限公司，石家庄050021；于河北省矿山地下水安全技术创新中心，石家庄050021）（淤NCEII，Shijiazhuang050021，China；于HebeiMineGroundwaterSafetyTechnologyInnovationCenter，Shijiazhuang050021，China）摘要院随着无人机技术的快速发展，无人机应用到工程测量技术已经逐渐成熟，尤其是应用到开发矿业中的地形图测量，解决了传统的人工野外RTK测量劳动强度大、效率低、成本高、受地形影响没有信号的问题，极大提高了矿山测量的效率，降低了成本。将无人机测绘技术应用到矿山测量中，以张家口市***采石场为研究区，利用千寻账号的CORS快速静态获取地面像控点坐标，采用大疆经纬M600Pro无人机进行航空摄影，在Pix4Dmapper制作测区DOM（数字正射影像）、DEM（数字高程模型）、点云数据，采用EPS地理信息工作站平台进行数字化成图。通过大量外业检验点对其进行检核，统计和分析。结果表明，基于无人机测绘技术满足矿山测量的精度要求[1]，应用到矿山地形图测量前景广阔。Abstract:WiththerapiddevelopmentofUAVtechnology,UAVsurveyingtechnologyhasgraduallymatured,especiallyitsapplicationinminesurveying,whichsolvestheproblemsoftraditionalmanualfieldRTKmeasurementsuchashighlaborintensity,lowefficiency,highcost,nosignalaffectedbytheterrainandsoon.Theefficiencyofminemeasurementisimprovedandthecostisreduced.UAVphotogrammetrytechnologyisappliedtominesurveying.TakingthesomeplaceinZhangjiakouCityastheresearcharea,theCORSof野FindCM冶accountisusedtoquicklyandstaticallyobtainthecoordinatesofthegroundimagecontrolpoints,andtheDJIM600Prodroneisusedforaerialphotography,andthesurveyareaDOM(DigitalOrthophotoMap),DEM(DigitalElevationModel),pointclouddataaremadeinPix4Dmapper,andtheEPSgeographicinformationworkstationplatformisusedfordigitallymapping.Inspection,statisticsandanalysisaredonethroughalargenumberoffieldinspectionpoints.TheresultsshowthatthetechnologybasedonUAVphotogrammetrymeetstheaccuracyrequirementsofminesurveying,andithasbroadprospectsforapplicationtotopographicmapsurveying.关键词院无人机；矿山测量；RTKKeywords:UAV；minesurveying；RTK中图分类号院TD178文献标识码院A文章编号院1006-4311（2021）07-0180-03·180·ValueEngineering定时曝光为3.01s。SONY相机的像幅为7952*5304像素，像素大小4.52滋m。具体见表1。1.2.4野外像控点布设与测量为保障数据成果精度，像控点的选择尤为重要。由于实地地形复杂，像控点布设困难，在测区共选取3个明显角点为像控点，为铺设红色布条，布设成三角形，像控点分别位于测区的西北角，东北角及南边明显位置区域。利用千寻账号的CORS快速静态测量地面像控点坐标。1.2.5航空摄影外业工作为了使飞行高度尽量降低，无人机的起飞点选在矿山山顶附近较为平缓的一块区域，一方面容易观察无人机的飞行情况，一方面可以减少爬升高度，节省电量。具体飞行步骤如下所示：淤选择高差较高、地势平坦的地方用于无人机起飞降落，清理出一片半径为5m的起飞区，准备组装无人机、云台、相机等；于安装起落架并展开飞行器；盂安装智能飞行电池并开启；榆安装云台安装相机，调整相机位置保证相机平衡；虞激活飞行器；愚连接遥控，打开DJOGOPROApp，打开提前设置好参数的项目，检查航线各项参数，确认无误后起飞飞行器；舆一个架次结束后用电脑导出航飞拍摄的照片和对应的POS数据。导出拍摄照片，POS数据，核对照片数和POS数个数，每张照片对应唯一的POS数据，核查无误后查看照片质量，查看照片是否清晰，颜色色调是否正常，是否发生畸变，对POS数据质量进行评估，核查完毕后判断是否合格，不合格的话进行复飞，合格则立即进行下一架次。1.2.6内业处理内业工作包括导入原始影像及POS寅预处理寅空三解算寅生成DEM、DOM和点云数据寅生成三维立体模型DSM寅内业数据采集寅内业编辑寅DLG数字线划图。本次实验的空三加密解算采用瑞士Pix4D公司的无人机数据处理软件Pix4DMapper。采用以下程序：淤相机文件的建立。相机鉴定数据以出厂为准，相机视准轴的姿态角采用影像检校数据。于像控点的量测。像控点要在立体模型上仔细准确量测，并要量测主要的、影像清晰的像对。对像控点处于外插位置、影像不清晰或点位距离离各类标志太近的像对舍弃量测，否则会降低加密精度。量测像控点要根据点位略图及说明仔细判读，避免量错点位。盂整体平差。当控制点量测（刺点）完毕，接下来可进行整体平差。榆构建地面模型。选择Pix4D软件进行DSM、DEM和DOM生产，利用EPS三维测图软件[5]在DSM、DOM进行地形地貌的坐标及高程采集工作。具体建模流程见图2所示。

选择Pix4D软件新建项目，添加图像为本次航拍采集的照片，添加POS数据为本次无人机航拍同步的POS数据，设置好图像属性（坐标系、地理定位、相机型号）后选择输出坐标系，选择处理模板为三维地形图后自动进行。这里先勾选第一步，初始化处理，等初始化处理结束后进行像控点量测，量测完成后进行重新优化，接着自动第二步点云与纹理，第三步DSM，正射影像和指数处理。结束后图1大疆M600Pro六旋翼无人机

图2Pix4Dmapper建模流程图序号名称参数123456789无人机类型像幅像素相对航高/m旁向重叠率/（%）航向重叠率/（%）飞行速度航线间距曝光间距DJIM6007952*53044.52滋m280m85858m/s37.08m24.79m表1航摄参数·181·价值工程生成空三报告[6]以及相应的高精度点云数据（PointCloud）、数字正射影像（DOM如图3所示）、数字高程模型（DEM如图4所示）等。

在Pix4D生成合格的DOM和DEM后，在北京清华的EPS三维测图软件上生成三维立体模型，根据平面图和三维立体图采用人机交互的方式进行地形地貌的坐标及高程采集工作，勾勒地物形状。采用EPS立体测图直观便捷，绘图员熟悉简单命令后即可轻松上手，无需进行专业培训，最后导出DWG格式数据在CASS10.1进行地形图绘制与图阔整饰。1.2.7精度分析在生成地形图后，进行精度检验[7]，在测区内不同特征位置测量了40个检查点。仪器参数采用布设像控点时设置的参数，对比同名点坐标差值见表2。通过对比同名点的坐标中误差及高程中误差，采集的坐标中误差最大为0.068，高程中误差为0.094，上述精度均满足相应比例尺地形图要求，证明无人机测绘可以满足矿山测量的精度要求，并且更加高效。1.3外业调绘和补测对地形图上不确定的地方到现场调绘并补测。内业定位外业定性，调绘道路、农田和植被等各种地类界，调绘矿区内的厂房类型以及层数。补测工作采用RTK技术进行坐标数据采集。1.4地形图生成调绘结束后修改地形图，分层检查各个图层合理性，入库检查重复实体，检查完毕后进行图阔整饰，图面分幅等。2结论综上所述，无人机应用到开发矿业中的地形图测量前景广阔[8]，首先，精度高，精度满足地形图相关规范要求，而且平面和高程的中误差都较小；第二，效率高，成图周期短，外业布设像控点，航飞摄影，外业调绘仅需几天，主要工作在内业制图，大大减少了外业工作时间，无需测量员全野外大量数据采集节省了人工成本；第三、抗环境干扰强，避免了传统的RTK在树林间基本没有信号，矿山陡峭的地方人员无法到达，采集不到可靠的数据等情况，无人机测绘可以通过内业三维软件中立体采集相应高程点信息。参考文献院[1]邹悦忠.无人机倾斜摄影技术在矿山大比例尺地形图测量中的应用[J].世界有色金属，2019（23）：42，45.[2]沈加燕.基于AutoCAD的矿山地测采图件自动生成的设计与实现[D].东北大学，2009.[3]陈帅.低空无人机遥感技术及其在某铝土矿山测绘中的应用[D].长沙理工大学，2015.[4]袁德宝，张新新，周振青，任兴达.无人机大比例尺测图像控点布设方案设计[J].北京测绘，2020，34（04）：523-527.[5]王凤艳，赵明宇，王明常，张旭晴，周凯.无人机摄影测量在矿山地质环境调查中的应用[J].吉林大学学报（地球科学版），2020，50（03）：866-874.[6]白芝勇，朱峰，周建东，张智荣.无人机在高海拔、高落差地区航测的应用[J].测绘技术装备，2019，21（04）：54-57.[7]张曦.基于无人机摄影测量技术的矿区沉陷监测方法研究[D].河北工程大学，2019.[8]许承权，黄小琴，施政.消费级无人机倾斜摄影测量1颐500测图方法及精度研究[J].测绘地理信息，2020，45（01）：117-120.表2同名点坐标差值渊单位院m冤序号驻X驻Y驻H序号驻X驻Y驻H12345678910111213141516171819200.0430.0280.0160.0440.0120.0100.0050.0440.0180.0240.0410.0140.0200.0200.0120.0360.0500.0310.0180.0390.0480.0130.040-0.0070.0190.0160.0070.0250.0110.0030.0460.0420.0240.0280.0470.0130.0300.0120.0350.0490.0670.0260.0800.0280.0350.0630.0490.0750.0190.0550.0940.0670.0420.0720.0840.0430.0830.0600.0410.09121222324252627282930313233343536373839400.0020.0300.0220.0420.0470.0270.0400.0290.0500.0140.0340.0160.0400.0150.0130.0160.0430.0010.0360.050.0380.0170.0060.0040.0440.0360.0390.0170.0130.0080.0270.0100.0480.0150.0310.0230.0470.0500.0160.0460.0300.0390.0270.0310.0750.0320.0480.0320.0530.0120.0610.0580.0790.0240.0400.0420.0400.0890.0280.041图4测区地面数字模型DEM图3测区正射影像图DOM·182·