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无人机航测在霍尔辛赫煤业地形测绘中的应用

2023-11-08 159 上传者：管理员

摘要：针对霍尔辛赫煤业近年来已有较多的新建或扩建建（构）筑物，居民区村庄和地形地貌都有很大的改变等情况，通过无人机航测技术对矿区范围内地形进行测绘，共施测E级GPS控制点22个，完成井田范围内71.394 7 km2航测任务，制作1∶2 000数字化地形图和三维建模，缩编井田范围内1∶5 000、1∶10 000地形图，可满足指导矿井建设和井下采掘工程需要，确保矿井安全正常生产。

关键词：
地形测绘
无人机
煤矿
矿井建设
航测技术
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山西霍尔辛赫煤业有限责任公司井田范围内近年来已有较多的建（构）筑物新建或扩建，居民区村庄和地形地貌都有了很大的改变，原有地形图已不能满足指导矿井建设和井下采掘工程需要。常规地形图测绘方法包括大平板仪测图法、小平板仪和经纬仪联合测图法、电子全站仪、GPS测绘等，但这些测绘方法具有耗时长、人工强度大、测绘效率低、易受人为操作及天气变化因素影响、作业条件及数据精度较差等特点。随着科技迅猛发展，工程技术领域对于及时准确获取空间信息提出了更高的要求。无人机作为一种新兴的测绘技术，具有获取空间信息速度快、精度高、数字化程度高、作业安全等优点，并且在小区域大比例尺测图领域具有比常规测图不可替代的优势，不仅具有正射影像、实景三维模型，可以真实反映地物的外观位置、高程等属性，还可输出点云数据、DLG等多种成果资料，对于生产设计布局都有非常好的应用效果[1]。本文介绍采用无人机测绘霍尔辛赫煤业井田范围内地形图的应用效果。

1、工程概况

1.1矿井概况

霍尔辛赫煤业位于山西省长治市长子县县城东南约5 km处，行政隶属长子县丹朱镇。井田地理坐标为：东经112°53'21"～112°57'17"，北纬36°04'39"～36°12'07"。井田东部1.5 km处有太焦铁路经过，交通极为方便。本井田位于太行山中段的长治盆地西侧，地貌属冲积平原、河谷平原，地形总体呈西高东低。

1.2已有资料收集情况

(1）收集到测区范围内的1∶1万地形图，为原山西省测绘局1995年10月航摄，1999年11月调绘，2005年5月成图，1993年版图式。1∶1万地形图成图已二十余年，地形、地物变化较大，但可作为布设E级GPS点和像控点之用。

(2）收集到测区C级GPS点有C02、C03、C05和D级GPS点有D07、D25、西张堡、市泽村共7点。前5个点为山西省地质测绘院于2016年6月所做，后2个点为山西省测绘工程院所做。通过现场踏勘，各点标石保存完整，测前要经过检测，如果精度符合规范，则可用于本次测绘起算。

2、地形测绘要求

2.1技术要求

1）平面坐标系：CGCS2000国家大地坐标系。

2）高程基准：1 985国家高程基准。

3）投影和分带：高斯-克吕格地图投影3°分带，中央子午线114°。

4）成图比例尺：1∶2 000，缩编1∶5 000和1∶10 000。

5）基本等高距：1∶2 000地形图采用1 m等高距；1∶5 000、1∶10 000地形图采用2 m等高距。

6)1∶2 000 DOM地面分辨率：优于0.2 m;1∶5 000 DOM地面分辨率：优于0.5 m；倾斜摄影影像分辨率：优于0.03 m。

2.2精度指标

(1)E级GPS控制点精度

根据《工程测量规范》及《全球定位系统（GPS）测量规范》等相关规定，精度要求如下：相较于起算点，起平面点位误差范围为±5 cm，高程误差范围为±5 cm[2]。

(2）数字线划图平面位置精度

根据《工程测量规范》，图中地物点同邻近控制点的平面位置误差范围如表1所示，最大允许误差应小于其两倍。

表1平面位置中误差限差

(3）数字正射影像图精度

①根据《工程测量规范》，数字正射影像图的平面位置误差范围如表2所示，最大允许误差应小于其两倍。

表2平面位置中误差限差

3、无人机航测技术的应用

无人机航测技术大致分为五大阶段，即准备工作、像控点测试、外业航摄、外业调绘和内业成图。

3.1准备工作

(1）飞行空域状况

测区位于长子县丹朱镇以东区域，无人机飞行高度不超过300 m。附近无军事区域、民用机场等情况，同时无人机飞行路线不与民航航路重叠，空域状况满足无人机飞行条件。

(2）摄区基本技术要求

①无人机航拍获取影像是可进行立体测量的真彩色数字影像。

②根据规范精度要求，本次飞行设计地面分辨率3 cm，相对航高180 m，航向重叠80%，旁向重叠65%，采用D2000搭载全画幅SONY a6000五镜头数码相机，共设计13个区块进行飞行作业。

3.2像控点测量

因D2000所采用GPS为PPK后差分技术，可输出cm级高精度定位信息，能很大程度上减少像控点的布置.本次作业共布设了435个像控点，其中40点做为检查点。航摄设计范围用如图1所示。

图1航摄设计范围用 3.3外出航摄飞行

(1）飞行航线规划

严格按照技术设计书设计的参数和要求无偏差执行航拍作业。本次航测采用飞马D2000无人机结合D-0P3000航摄相机作业，该机型具有高精度、长续航、大面积作业等一系列优势。通过无人机管家，按照规范中对旁向、航向的重叠度的相关要求，综合考虑区域地质和天气状况等因素，对无人机航线进行规划。

(2）飞行实施

选择天气晴朗、微风且能见度高的时段实施作业，正确组装旋翼无人机和航摄相机，并根据说明书中的检查步骤对各设备进行逐一检查。无人机完成作业后，对其所获取的POS点数据、影像数据进行及时下载保存、整理备份。无人机部分航线作业规划如图2所示。

图2无人机部分航线作业规划本次航飞历时12天，共计42.1小时。每日飞行5～6个架次，13个区块合计飞行64个架次，所做航片影像清晰，无漏洞，重叠度符合要求。地面分辨率小于3 cm，总片数231 095张。考虑到井田四周地形图的精度，航飞时沿边界向外扩大0.5 m，实际航测面积为73.20 km2。预计航飞时间32.38 h，因为倾斜摄影每个区块外扩4条航线，实际航飞时间42.1 h。(3)GPS解算

GPS解算，即利用相机检校和改正功能对所获取的影像数据进行处理[3]。

①由每个像控点的平面坐标和经纬度求取了测区范围内的七参数。

②通过POS数据及地面参数对所获取的每张影像实施后处理解算，从而得出其外方位元素。

(4）空三处理

①通过所获取的影像数据及空中三角测量加密成果，采用影像密集匹配技术，从而得出影像匹配点云数据。

②通过深度密集点云数据构建TIN模型。

③利用第五镜头的影像资料，通过无人机管家软件的智能控制点测量、一键匹配和空三解算等功能，得到精度报告、点云、DEM、DOM、空三结果及无畸变影像，最后在EPS中生成模型，导入第三方立测软件进行内业编辑成图[4]。

3.4外业调绘

调绘工作可确保地形图的地理精度满足工程使用要求。调绘的内容包括房屋结构、层数，阳台、飘楼及房檐情况；管线（电力线和通讯线）连线，植被信息，沟渠流向；道路的名称、铺设材料；企业单位名称；耕地为旱地还是水浇地；经济林品种等，具体工作以规范、设计为准。

3.5内业成图

采用EPS三维测图构建立体像对和CASS10.1软件，进行内业的立体采编和绘制。数据采集依照规定的层色进行各要素的采集，根据模型对地形的特征线、断裂线、等高线、碎部点、散点和所有地物、地貌元素的三维数据进行采集[5]。等高线采集首曲线等高距1 m，碎部点高程测至0.01 m，其密度在图上每100 cm2内注记10～15个点，首选地物、地形特征点。如在电线转折点分岔点及高压电杆要测注电杆的地面高程，铁路轨顶（曲线段取内轨项），公路及大车路的路面中心（每隔100～200 m）及交叉转折处、车行桥面等测注高程注记点。隧道、涵洞测注底面高程。河流、小溪及水塘水涯线上图上每隔10～15 cm测注一个水位高程点。

4、结论

1）本次测量工作内外业历时33天，完成主要工作量包括：

1）施测E级GPS控制点22个。

2）航测井田范围内影像71.394 7 km2，实际影像73.21 km2。测量像控点435个。

3）处理正射影像和三维模型各71.394 7 km2。

4）施测1∶2 000数字化地形图71.394 7 km2。缩编井田范围1∶5 000、1∶10 000地形图各一份。

5）分幅打印了井田范围内81张1∶2 000地形图。

2）存在的问题及下一步措施：

1）该测量区域地形起伏不大，视野开阔，但控制点的选取难度大，卫星信号接受干扰因素较多，因此只有采取延长观测时间来提高控制点的精度。

2）测量施工期间虽然为冬季，地表植被稀少，但有些地方仍有荒草，植物秸秆等覆盖，因此不便于整体提取高程，我们采用鼠标在裸地采集必要的特征点，合计采集高程点84.495 8万个，每平方公里平均1.18万个高程点，保证了等高线的走向正确性，但弊病是等高线看起来不是很流畅，需要在后期进行处理。

3）长子县为农业大县，井田范围内涉及到42个村庄及县城东部部分居民区，地势较为平坦，老百姓以种植玉米、蔬菜为主，随着矿区工作面的回采，塌陷的区域将越来越多，直接影响到当地百姓的种植，因此需要矿方和当地政府注意地形图的更新和土地生态修复工作。

参考文献: