基于无人机的矿山地形图测绘技术方案设计

基于无人机的矿山地形图测绘技术方案设计
作者：计路
来源：《科技创新与生产力》 2015年第7期
计路
（中国神华神东煤炭集团地测公司，内蒙古鄂尔多斯 017200）
摘要：文章选择矿山区域作为地形图测绘更新的目标区域，对比了无人机与有人机航空摄影测量系统的优缺点，详细设计了基于无人机的矿山地形图测绘技术方案，为推广无人机技术
在矿山测量中的应用进行了有益探索。

关键词：无人机；摄影测量；地形图
中图分类号：P231 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2015.07.051
收稿日期：２０15－02－14；修回日期：２０15－05－14
作者简介：计路（1979-），男，内蒙古赤峰人，助理工程师，主要从事井下测量研究，
E-mail：shendongjl@。

对于区域大比例尺地形图数据的获取，传统测量中主要基于大飞机平台携带航摄仪对地面
摄影后内业处理完成，而对于矿山等小区域的地形图测绘采用大飞机一直无法应用，主要是性
价比不成正比所致，严重制约着有人机航空摄影测量在小区域地形测量中的支持。

无人机低空
数字摄影测量系统的推出，弥补了大飞机在小区域地形图测绘中的限制，将航空摄影测量的应
用范围进一步扩大。

无人机作为当前小范围快速获取基础地理信息数据的主要技术手段已被广
泛关注和研究实践，结果表明，其所测地形图和正射影像图精度满足生产要求[1-4]。

本文针对矿山区域地形图的快速测绘，设计了基于无人机低空数字摄影测量系统的技术方案，以期推动
无人机在矿山数字化建设中发挥更大的作用。

1 无人机低空数字航空摄影系统简介
无人机低空数字航空摄影系统是以快速获取低空高分辨率航摄像片为应用目标的测绘技术
新手段，该系统集成了无人驾驶飞行器（包括固定翼、旋翼无人机）、GPS导航定位与IMU定
姿系统等高科技，相比较有人机航空摄影测量系统，体现出高机动性、高效率、低成本、小型
化和小范围等优势，其特点如下。

1）机动快速的响应能力。

传统有人机航空摄影测量一般都在1 000 m以上飞行，需提前向所在测区军区申请空域，而无人机是低空飞行，航高一般不会超过1 000 m，因此，空域申请
相对便利，同时也降低了对航空摄影时天气条件的要求，可以在阴天作业，飞行高度较低，可
以获取云下数据，而有人机则受天气影响较为严重。

飞行系统机动灵活，操作简单，可以用火车、汽车等方式运送到飞行区域，短时间内即可完成升空准备，支持滑跑、弹射等起飞方式，
可以随时随地起飞，迅速完成测绘任务。

而有人机起飞需要专用机场，受民航管制，机动性较差，受影响因素干扰较多。

2）高分辨率航摄影像获取。

无人机系统因航高低，可获取测区超高分辨率数字影像，同时，利用搭载的GPS系统可以获得实时定位数据，完成GPS辅助的航空摄影测量。

同时，无人机低
空数字摄影测量系统还具备快速处理数据，与其他数据源的快速融合机实现数据应用分析的功能。

3）成本低廉，易于维护。

相对于载人大飞机航摄系统，无人机低空遥感系统购置费用较低，航摄人员经简单培训即可掌握使用，且其运营成本、维护成本和操作手的成本都远远低于载人
机系统。

而有人机航摄系统获取大面积影像单价较高，一般用户不能自主拥有和应用。

2 规范与基准
2.1 作业规范
此次工作基于的国家标准与规范包括：CH/Z 3004—2010 低空数字航空摄影测量外业规范；GB/T 18314—2009 全球定位系统（GPS）测量规范；CH/T 2009—2010 全球定位系统实时动态
测量（RTK）技术规范；CH/Z 3003—2010 低空数字航空摄影测量内业规范；GB/T 13989—1992 国家基本比例尺地形图和编号；GB/T 18316—2008 数字测绘成果质量检查与验收。

2.2 基准系统与数据格式
1）基准系统。

平面坐标系统采用1980西安坐标系；高程系统采用1985国家高程基准。

2）数据格式。

地形图采用.DWG的数据格式；DOM采用TIF的数据格式；DEM采用GRD的数
据格式。

3）图幅分幅。

图名选择所在图幅内主要居民地、企事业或行政单位的名称，全测区不得出现同名，对于地物较少的图幅，可以相邻图幅的东、南、西、北4个方位命名，在方位外加括号。

若用方位命名仍无法获取图名时，可以不取图名，只注图号。

3 无人机的矿山地形图测绘技术
3.1 技术路线
通过基础控制测量、像片控制测量、解析空中三角测量、数据采集和编辑获得数字线划图（DLG）、外业调绘、数字高程模型（DEM）生成、数字正射影像（DOM）制作、成果精度评价与成果验收等，最终获得库区的DLG、DEM和DOM，完成库区基础地理信息数据更新。

3.2 像控点测量
像控点的位置采用双参考站快速静态和RTK动态测量两种方法测量，其高程通过GPS拟合
法获得。

像控点布设按每条航线3~4条基线布设一对点，像控的选刺、整饰及点之记的绘制均
满足设计要求。

布点能有效控制住成图范围，测段接头处无漏洞。

刺点误差和刺孔的直经均小
于0.1 mm，且刺透，无双孔。

点位说明确切，略图完整明了。

刺孔、略图、说明与实地位置一致。

在像片正面上用红色直经为8 mm的圆形整饰像控点，并注记点号。

3.3 解析空中三角测量
解析空中三角测量采用全数字摄影测量工作站完成，经过像点连接、像控点量测、平差计
算等过程，自动完成空三加密和DOM的生成。

检查外业控制点文件和相机文件输入无误后，开
始量测外控点。

外控点的量测由专业人员进行，并由另外一位专业人员检查。

解析空中三角测量时一般采用加入外业高程散点的方式来提高空三加密的高程精度。

而DLG，DEM和DOM作业时也会利用外业检查点来检查成果精度，并将部分外业检查点根据地形图
图面需求当作高程点上图。

3.4 外业调绘
采用全野外调绘的方法，使用航空影像，利用自由网空三成果，匹配生成DEM；利用DEM
生成DOM，按照标准分幅，经整饰后，打印成图供野外调绘使用。

外业调绘后清绘笔采用红、黑、蓝三种颜色。

图面地物太多图上无法表达时，均在图外或背面绘制放大图表示，并做对应
标示字母，做好图纸内、外的对应关系，达到调绘图面字迹工整、图面整洁，各类要素表示清
楚的要求。

3.5 地形图数据采集与编辑
数据采集使用全数字摄影测量工作站完成，模型定向采用空三自动恢复模型进行立体测图，减少了二次误差，提高了立体测图精度。

控制地形地貌高程精度及地物的错漏，矿区各要素之
间相互关系的表示。

采集作业前对空三精度进行检查，利用像控点进行检测，在精度满足作业
时再进行作业。

采集时对外业施测的检查点进行检查，误差超限点经外业核实、解决。

部分外
业检查点用于图面高程注记点，高程注记点一般选在明显地物点或地形点上，等高线注记合理，其密度满足技术要求。

所有矿井要实调名称，区分竖井、斜井、平峒、进风矿井、排风矿井，
矿区内各要素间的相互关系合理。

3.6 DEM生成与DOM制作
采用相应的专业软件生成DEM，保证其精度和编辑后的地形图数据一致。

之后利用DEM成
果数据，引入专业软件制作正射影像，对生成后的单片正射影像图套合DLG数据进行了精度检
查并确认修改。

DOM除了保证与DLG套合后的几何精度满足要求外，还需注意其色彩精度，要
求影像整体达到色调一致、反差适中、亮度均衡。

同时保证影像图上注记清晰、可靠，图面整
洁美观。

4 精度控制
4.1 地形图精度
平面精度检查可采用GPS-RTK或全站仪测量进行，利用基础控制测量阶段布设的控制点，
在测区内抽查部分地形点和地物点，地物点一般选择在道路交叉点、拐点、建筑物角点，而地
形点则选在地形特征点上，如山顶点、鞍部点等。

将实地测量的点位的平面位置和高程值与所
测制地形图上相应要素的点位成果进行比较，计算其中误差，按照CH/Z 3003—2010 低空数字
航空摄影测量内业规范对地形图的平面与高程精度进行评价。

4.2 质量控制
进行航空摄影测量及地面控制测量的各种仪器设备均应按要求进行测前鉴定和检验，检验
资料要求齐全、完整，随成果提交，并且各项性能指标满足规范要求。

成果、成图的检查实行两级检查、一级验收制。

两级检查主要对中间过程成果进行检查，
一级验收是对最终成果、成图进行验收。

作业人员首先自查、互查后，由作业单位进行检查，
检查通过后交付质检部门根据图式、规范进行地形图、DOM和DEM的检查。

5 结束语
在数字矿山建设中，对矿区范围内的地形图、数字正射影像、数字高程模型和三维可视化
需求与日俱增。

如何快速获取这些数据，并以更高的现势性更新原有数据，无人机低空数字摄
影测量系统提供了可靠的技术解决方案。

笔者针对这一测绘新技术，将其与有人机航空摄影测
量手段进行了优越性对比，进而设计了矿山区域无人机数字测图的完整技术方案，对推广无人
机低空数字摄影测量技术在矿山基础地理信息数据获取中的应用具有一定的现实意义。

参考文献：
[1] 何敬，李永树，徐京华，等.无人机影像制作大比例尺地形图试验分析[J].测绘通报，2009（8）：24-27.
[2] 杨瑞奇，孙健，张勇.基于无人机数字航摄系统的快速测绘[J].遥感信息，2010（3）：108-111.
[3] 王志豪，刘萍.无人机航摄系统大比例尺测图试验分析[J].测绘通报，2011（7）：18-20.
[4] 何敬，李永树，鲁恒.无人机影像地图制作实验研究[J].国土资源遥感，2011（4）：
74-77.
（责任编辑王雯）。