Phantom 4 Pro无人机倾斜摄影测量技术在矿山地质勘探中的应用

王金玲，王爱锋

（杨凌绘秦测绘有限责任公司，陕西 咸阳 712100）

近几年，无人机技术受到各行各业的关注，无人机倾斜摄影测量技术逐渐发展起来，与传统垂直摄影测量方法相比，倾斜摄影测量多了4个倾斜拍摄角度，在实际应用中能够获得更加丰富的侧面纹理信息用于实景建模，突破了传统摄影测量技术的局限性[1]。

矿山开发是促进社会经济发展的重要环节，随着矿产资源的利用程度越来越高，矿山环境普遍受到严重破坏，矿山土壤质量变低，水土流失情况比较严重[2]。为了改善环境，保证地区的安全，对矿山地质的勘察十分必要，摸清矿山地质的特征，能够及时避免在地质勘察中可能发生的危险，为后续的矿山开发提供前提和保障。近几年，越来越多的矿山地质勘察使用了无人机技术，利用无人机技术节省了大量的人力和财力，开展此项目可以大大提高矿山地质的勘察效率，保证矿山资源安全开发。但是，目前无人机倾斜摄影测量技术使用的设备大多是工业级无人机飞行器，设备价格昂贵，受损成本太大，同时受到测区环境的影响，在小范围的区域或干扰较大的复杂环境下，应用度不是很高。因此，提出Phantom 4 Pro无人机倾斜摄影测量技术在矿山地质勘察中的应用，这种消费级无人机成本低廉，具有较强的抗干扰性能，能够尽可能地解决上述中存在的问题。

1 Phantom 4 Pro无人机倾斜摄影测量技术在矿山地质勘探中的应用

1.1 优化航摄方案

矿山地区具有一定的危险性，在航飞之前，需要制定科学合理的航摄方案。

在使用Phantom 4 Pro无人机执行航摄任务之前，确定无人机的飞行参数，在飞行参数的确定的情况下，选择飞行方式和摄影方式，同时对工作量进行预测，其中最重要的是航线设计，理论上，航摄过程中需要采用平行航线折返拍摄，但实际上，航摄的设计需要根据实际需求，结合测区地形的变化和地物的复杂程度而变化，因此在设计航线前，对测区进行分区处理。

当整体待测区域的分布特征呈现出不规则，并且测区范围比较小时，采用外接矩形方式，将待测区域包含在矩形内。

当测区面积比较大时，为了便于摄影，将测区分为多个小分区，敷设航线在每个分区外接矩形上。对于小分区的范围，则以单次航线无人机电池电量的支持范围为主。

在以上设置的同时，对于航摄分区的规定，在分区时需要注意分区界线的位置是否一致。对于倾斜摄影测量，具体的拍摄方式需要根据待测区域的地物特征来选择，在矿区内，比较常见的地物有三种，分别是点状、线状和面状地物。对于点状地物，主要采集其周围的立面信息，采取单镜头垂直对地物面环绕飞行拍摄，采集立面信息，飞行过程中控制物距调整飞行半径时，主要以地物中轴线为中心，从地物底部环绕到顶部完成摄影；对于线状地物，采用三镜头折线飞行方式，分别从左、右和垂直三个镜头分别获取待测区域地物的影像信息，包括垂直影像信息和倾斜影像信息；对于面状地物，不需要采集其立面信息，主要采集其顶面影像即可，摄像方式直接采用竖直摄影，保证航向重叠和旁向重叠即可。

按照以上对待测矿区的航摄方案的设计，获取矿区整体的遥感数据，并对数据进行后期处理，使其符合后续矿山地质勘察中对遥感数据的实际需求。

1.2 获取无人机遥感数据及后期处理

基于上述中经过优化的航摄方案，针对矿山地质勘察的实际需求，根据用户提供的成图要求，制定具体的飞行任务技术方案，在进入航飞之前，申请空域飞行许可，收集当地自然地理条件与气候条件，制定飞行路线，对摄影参数进行准确的计算和设定。

根据航摄方案中对矿山区域的测量需求，设计Phantom 4 Pro无人机飞行航线，通过地面站软件设计航线以及无人机的飞行参数。

在航线设计中遵守航摄方案中对航线的要求，考虑影响航线设计的各种因素，如地形地物、环境天气、分辨率和重叠度等。在这些因素中，航线设计主要考虑的因素是分辨率、相幅大小和重叠率。如图1所示。

图1 航线设计参数图

正常情况下，对于重叠度的设计主要考虑地形起伏对实际重叠度的影响，具体影响如公式1所示。

公式中qx和qy分别表示具体的航线重叠度和旁向重叠度值，q'x和q'y分别表示理论值，∆d表示整个测区地形的基准面高差之间差异，D表示Phantom 4 Pro无人机飞行的相对高度。在完成航线的设计后，布设量测所需的像控点，按照航带网对野外的各个控制点进行考虑之后布设，每段航带网两端对点间隔的基线数通过公式2计算：

公式中Hs表示加密点的平面中误差，mm；oq表示视差测量中的单位权重误差，mm；x表示像片放大成图倍数；v表示相邻控制点之间的基线数；Hi表示加密点的高程中误差，mm；b表示像片基线长度，mm；在完成像控点布设后，调试航拍相机，检查相机内的存储空间，调整各项摄像参数，将无人机放飞，采集矿山地质遥感图像，获取遥感数据。

一般情况下，采用无人机倾斜摄影测量技术采集的效果比较好的图像比较困难，成像条件比较复杂，由于室外环境的干扰，获取的图像姿态极不稳定，需要对获取的图像数据进行后期处理，经过优化照片、构建点云等操作后获得校正后的正射影像。在后期处理中，主要使用Acute3D软件对无人机数据进行后期校正处理，得到高精度的正射影像及点云数据，利用这些数据重构出矿山地质模型，便于后续矿山的开发与地质的进一步勘察。

2 实验研究

在实验研究中选择的测区为某市的开放性矿区，在相同的测试环境下，分别应用不同类型的无人机，采用无人机倾斜摄影测量技术获取矿区相关数据，以数据的精度为衡量标准，对比不同无人机在矿区地质勘察中的应用情况。

在实验矿区部署多个检查点，应用不同的无人机获得的检查点精度如表1所示。

表1 实验矿区检查点精度统计表

表中的∆XY表示的是点位中误差，在应用传统无人机的测量结果中，检查点的最大点位误差为1.651，检查点的最小点位差为1.247，根据实际测量规范中的要求可知，点位中误差的限差为0.5，以上结果均超过了标准范围；应用Phantom 4 Pro无人机的测量结果中显示，检查点的最大点位误差为0.076，检查点的最小点位差为0.041，与实际测量规范中的要求相比，均满足限差0.5以下的要求。综上所述，将Phantom 4 Pro无人机倾斜摄影测量技术应用在矿山地质勘察中，其精度水平更能满足测量需求。

3 结束语

在无人机倾斜摄影测量技术迅速发展的今天，该技术已经拥有了传统摄影测量技术所没有的优点，在无人机测量技术日渐成熟的今天，扩展其应用范围，是一个必要的发展方向，也是该技术逐渐成熟的标志。利用Phantom 4 Pro无人机，采集矿山地质遥感图像，为后续矿山地质勘察和矿山资源的开发提供帮助。但是研究过程中，未综合考虑自然因素对影像匀色、匀光处理等问题，对于这些问题，仍值得深入研究。