张丁旺
东莞（韶关）浈江产业转移工业园管理委员会 广东 韶关 512143
摘要：基于无人机的低空遥感技术分辨率高、数据质量好、快速机动等优势，本文介绍了无人机低空遥感技术在数字矿山建设的技术流程和精度分析等应用，通过无人机低空遥感技术对露天矿山周期性的测绘，为矿山日常生产安全管理、矿产资源储量核实、边坡和尾矿库安全监测及应急管理等应用提供理论借鉴和思考。
关键词：无人机 遥感技术 露天矿山 数字矿山 精度分析 安全监测 应急管理
1导言
由于露天矿山多处于地形环境相对恶劣的位置，采用传统的野外勘测的方法进行矿山测绘，不仅耗时耗力，还不能满足对区域趋势实时化、精细化的处理需求，也给外业工作人员的人身安全带来了一定威胁。利用无人机遥感技术分辨率高、数据质量好、快速机动等优势，对此类项目进行测绘优势明显，可以实现空中取证，与原有依靠人工现场测绘的方式相比，工作效率大大提高，从根本上解决传统测绘方式存在的速度慢、测绘成果不够直观、精度不高等多种问题，可直接提升管理部门的管理效率和决策水平。
2无人机低空遥感系统概述
无人机低空遥感系统从构成来看，主要包含以下几个方面：飞行平台、控制系统、影像的获取以及通信、遥感和地面信息的接收与处理设备。从技术特点来看，在快速响应方面，无人机低空遥感技术能在比较短的时间实现整个升空准备，且操作比较简单方便。无人机低空遥感系统具有较强的影像分辨率和数据的获取能力，并针对特殊的矿山监测目标搭载多种波段的传感器，实现多角度的精准测量。无人机低空遥感系统的操作方便，系统维护比较简便，且相比较于载人机来说，整个设备的运营、维护和操作成本大大降低，无人机低空遥感技术可搭载数字摄影仪、倾斜摄影、机载雷达等能较大程度的满足多样化的测绘要求，具有广泛的应用前景。
3技术架构
基于无人机遥感技术的处理地面目标变化方法，首先利用无人机低空遥感技术，通过现场踏勘、航线设计、无人机遥感、像控点测量等技术手段获取航拍数据成果，并基于上述数据成果进行监测信息提取，加工为目标区域数字地表模型、三维地形，同时根据项目多期空间数据成果，利用空间分析技术，量化地面目标变化成果，实现地面目标变化监测。基于无人机遥感的地面目标变化监测流程如图１所示。
图１ 基于无人机遥感的地面目标变化监测流程
3.1无人机低空遥感数据采集
无人机低空遥感数据采集分为现场踏勘、航线设计、遥感数据采集、数据检查、像控点测量等步骤。
１）现场踏勘
对露天矿山进行现场踏勘，确认测绘项目坐标与工程范围，并组织航飞人员进行现场踏勘，选择起降点，航飞前准备工作如下：判断测区天气条件，确保云层分布及厚度、光照、空气能见度等各项因素满足遥感要求；查看测区周边地理情况，估算地势高度、高差，以备后期选择合适的低空飞行方案及飞行路线，保证飞行安全；在测区范围内选定合适的起降场地。
２）航线设计
根据测图精度要求，综合考虑地形起伏、影像重叠度、分辨率等多方面因素，对测区进行无人机航线设计。在进入飞行前，对无人机遥控器、电池、机载相机、GPS定位检查和GPS控制等进行一系列检查，确认各项设备无误后，方可实施无人机起飞。
3）数据采集和处理
基于无人机获取的影像，采用无人机专用近低空摄影数据处理系统，进行像控点刺点，并采用光束法平差进行空三加密，生成高精度点云。对点云数据采用自动滤波或人机交互编辑，生成测区数字高程模型、数字正射模型、三维立体模型，作为测区测绘基本空间数据，为下一步的监测信息提取提供依据。
4无人机遥感技术在露天矿山的应用
4.1数字矿山建设方面的应用
随着矿山信息化的管理以及矿山数据库建设的发展，采集基础数据信息日益重要。基础数据包含了地形数据、数字正射影像以及数字高程模型等。传统的测绘手段不仅工作周期长，而且不能快速的更新矿山地理数据库，进而影响数字矿山的建设，加之露天矿山多产于板块结合带或造山带内，区域多为山高沟深之地，限制了测点的布控，从而影响了数据结构的完整性，其误差也就增大了。无人机低空遥感技术以适应多种环境、以实地拍摄等优势采集数据，其准确性增高，能满足矿山建设需求；此外，采集数据周期短，可进行大规模数字化处理，工作效率高，能快速的更新及反应数字矿山的现状。因此，无人机低空遥感技术在露天矿山有着广阔的应用前景。
4.2无人机倾斜摄影数据获取
根据项目分布区域确定飞行范围,合理规划飞行航线,航线按照测区走向直线方式布设,平行于测区边界线的首末航线的侧视镜头能够获得测区的有效影像。考虑倾斜摄影相机拍摄角度，为保证边缘物体立体成像，航线覆盖超出测区边界线不少于200ｍ。如果项目目标区域范围较大，可以分块对测区进行航拍测量，因为单架次飞行航时有限，可以将大范围飞行航线分段多架次飞行，航线可以布设多条。单架次只飞其中的2或4条，整个航线飞行结束可以不用考虑各架次之间的航线重叠，可以有效减少作业时间，提高工作效率。提前申请空域，按照航线设计数据飞行，航空摄影时，飞行要尽可能平稳，旋偏角、航偏角不能超过规范要求。
4.3 DLG量测方面的应用
在完成原始数字航空像片采集、解析空中三角测量成果及其他外业控制成果的基础上，经过“空三加密”，获得L1级定向数据，结合连接点的自动采集、交互编辑等操作，生成空三成果。在正确的空三结果的基础上，借助MAPmatrix软件平台建立影像的立体模型，在MAPmatrix软件平台之featureone编辑窗口进行数字化测图。对于露天矿山来说，其矿山面积相对较小，所以需采集矿山高程点、鞍部、地形变化处等的地形地貌，具体来说，采集步骤一般为以下几个方面：
①矿区道路的绘制，根据矿区道路的等级高低进行分类，以先主干后次主要道路的顺序进行测绘，在绘制时交叉路口不能闭合，是需要连同的，若位于道路结尾处，则需闭合处理，暗示了这条道路不贯通；
②电力网、路灯等的绘制则需逐个进行，一般按照从高到低的顺序进行，电线塔处应当有三个交点构成；
③矿山建筑物的绘制，仍然遵循从高到低的顺序依次绘制，对建筑物的附属结构如围墙、门墩等也需绘制；
④矿区等高线的绘制，一般情况下，等高线采用DEM数据自动生成，在坡度陡峭的地区可以绘制陡崖标识符，整个测区的等高线地形图面上不应该留有空白区，每条等高线应该是圈闭的（局部范围无法闭合），且是不相交的；
⑤高程点的布设应分布于整个图幅中，需做到图面整洁，在等高线密集的区域，可适当减少高程点的标注，而在平坦区域，可适当的增加高程点的标注，以便于图面美观。
4.4地形图精度
本文研究区位于广东省某露天矿山，测区面积约2.0平方公里，地物类主要是房屋、道路和植被，没有复杂地形。地形图精度检查采用GPS RTK(网络模式)采集外业数据,共采集明显地物点、特征点120个(其中平面检查60个点、高程检查60个点)、数据采集时RTK为稳定的固定解状态,将检核数据与DLG中对应地物点平面位置坐标数据或高程数据进行统计、比较、计算出DLG平面位置中误差为0.15ｍ(见表１)、高程中误差为0.20m(见表２)，满足工程摄影测量规范要求。
表1 DLG平面精度统计
结束语
综上所述，无人机低空遥感技术从硬件条件和后续处理上来说能够满足露天矿山周期性的测绘基本要求，尤其适合高分辨率的遥感数据的即时获取，同时具备数据质量好、快速机动等优势，在露天矿山日常生产安全管理、矿产资源储量核实、边坡和尾矿库安全监测及应急管理等领域具有广泛的应用前景。
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论文作者:张丁旺
论文发表刊物:《防护工程》2018年第12期
论文发表时间:2018/10/23
标签：无人机论文; 遥感论文; 矿山论文; 低空论文; 数据论文; 技术论文; 航线论文; 《防护工程》2018年第12期论文;