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无人机低空航测在环境地质调查的运用

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《矿山测量》2017年第5期

摘要:在某环境地质调查项目中使用无人机进行低空航测,获取数字高程模型DEM和数字正射影像DOM数据,并在此基础上解译地质灾害信息,经实地检查,航测数据平面及高程数据精度可靠,解译准确率高,该技术方法可在此类工作中推广。

关键词:环境地质调查;无人机;数字正射影像;数字高程模型

本世纪初以来,受人类活动以及全球化的影响,世界各地地质灾害活动频繁,其发生的规模、数量和分布均呈上升趋势[1]。随着煤矿、铁矿等各类矿山开采规模不断加大,地面沉陷、塌方、滑坡等地灾现象发生频率变快,给当地人民正常生活带来很大不便,阻碍了社会经济可持续发展,同时也给政府管理部门带来很大困扰。为了研究地质灾害的空间分布特征、发生原因、并进行危险评估,最终加强地质灾害的预警和防治,则需要对灾害发生区域进行认真、深入的环境地质调查研究。过去很长时间以来一直是工作人员亲赴现场采用常规技术手段进行调查勘测,但面对着广阔的调查区域和复杂的环境地质,需要投入足够数量的人员和巨大的精力,即便如此,仍然有一些人员不能到达的区域,无法取得调查数据。无人机低空摄影测量系统是以无人机为飞行平台搭载传感器设备获取地面遥感信息的遥感测量方式[2]。该技术与传统卫星遥感和大飞机航测相比,具有成本低廉、起降方便灵活、作业周期短、时效性强、影像分辨率高等优势,在小区域大比例尺地形图测绘、应急救灾、国土监测、获取高分辨率正射影像图方面得到广泛应用[3]。本文以天宝UX5无人机在华北某环境地调项目中的应用为例,探讨无人机航测外业航飞、影像数据处理、及成果应用,以期在今后此类工作中更好地发挥其作用,为环境地质调查工作提供一种可行的技术方法和实践参考。

1天宝UX5无人机航测系统

美国天宝UX5无人机航空摄影测量系统包括:配有电子控制装置的无人飞机、POS系统、弹射架、TrimbleTablet地面控制器、无线通讯器、Sony高清数码相机、天宝InphoUASMasters数字摄影测量处理软件等。可得到测区高精度的DOM、DSM、等高线及植93被地物分类等丰富的地表信息,结合DSM和DOM可得到真实的三维场景图、利用生成的点云数据可以快速获取不同方向不同深度的断面图,精度可达厘米级。POS系统(PositionOrientationSystem)是高精度定位定向系统,采用动态差分GPS技术和惯性测量装置IMU,可直接在航测飞行中测定传感器的位置和姿态,经过严格的数据处理后获得6个外方位元素的高精度值。

2无人机在环境地质调查中的应用

2.1工作区概况

无人机航测工作区总面积80km2,位于山西省境内太行山区中段,区内海拔850~1250m之间,地貌以丘陵和低山为主。在开始航测工作前遭遇了暴雨侵袭,山体塌方、滑坡较多。区内煤矿众多,存在较多地质灾害隐患,在该区域进行环境地质调查的目的就是为了查清塌陷区土地、房屋建筑、基础设施等破坏情况,研究分析采矿地面塌陷发育规律,总结土地恢复治理模式及综合整治对策。为此需要进行无人机航测工作,以取得满足要求的DEM(数字高程模型)和DOM(数字正射影像),并在DOM上对地质灾害体进行解译,获取地质灾害的空间属性数据。

2.2无人机低空航测

航测前首先在测区进行了E级GNSS控制测量,平面采用1980西安坐标系、高程采用1985国家高程基准,目的是为下一步像控点测量提供基准数据。像控点均布设在单架次飞行区域的四角和中心,均为平高控制点。像控点标志为边长1m以上的两个对顶点三角形,可在航拍照片上清晰判读,在水泥等硬化地面布设的像控点标志采用白色油漆喷涂,在土质地面使用白灰制作。

2.3航测数据处理

无人机航飞影像处理采用InphoUASMaster软件完成。空三数据处理后,基本定向点平面中误差为0.126m、高程中误差为0.093m,均符合《低空数字航空摄影测量内业》规范规定。进行DEM加工生产时注意使用特征数据、等高线、高程注记点数据等参与DEM的生成,并将DEM套合到立体模型上,检查点位是否切准地面、另外检查面状水域的格网高程是否符合水面高程特征规律。不同图幅DEM接边不少于2排同名格网点,并检查有无漏洞,确保无缝拼接。当同名格网点高程差小于2倍高程中误差时,取平均值作为同名格网点最终高程。经空三加密提取连接点进行匹配后的像片叠加DEM,UASMaster软件对其进行正射纠正后生成数字正射影像DOM并进行检查,对高架桥、立交桥、大坝等引起的影像拉伸和扭曲应进行了相应处理。利用实测的检查点数据对DOM平面精度进行检核,其平面位置中误差为±0.12m,满足地物点平面位置中误差不大于1.2m的规范要求[6]。对生成的相邻单幅DOM需进行拼接镶嵌,镶嵌时避开大型建筑物和影像差异较大的位置,尽量选择在河、路、沟、渠、田埂等带状地物的边线,以保证镶嵌后的影像无明显拼接痕迹,过渡自然,纹理清晰。最后对镶嵌影像进行色彩、亮度和对比度的调整,通过匀色处理缩小影像间的色调差异,使色调均匀、反差适中、层次分明,保持地物色彩不失真。

3结论

开展环境地质调查工作需要大量的数字高程模型DEM、数字正射影像图DOM、数字线划图DLG等数字地理信息数据作为基础数据,采用传统技术手段则周期长、成本高[7],而无人机低空航测技术具有“三高一低”的特点,即高机动性、高分辨率、高度集成和低成本[8],可以很好地弥补前者不足,本文实例已成功对其进行印证,因此建议在今后的环境地质调查工作中大力推广无人机低空航测技术。

参考文献:

[1]陈思思,陈笑峰,刘悦,等.ArcGIS环境下的系列无人机影像灾害样本库建设[J].测绘,2014,37(6):268-271.

[2]王帅永,唐川,何敬,等.无人机在强震区地质灾害精细调查中的应用研究[J].工程地质学报,2016,26(4):713-719.

[3]李超.基于天宝UX5无人机摄影测量的成图实践[J].地矿测绘,2016,32(2):25-27.

[4]康学凯.基于无人机航测系统的无控制测绘试验研究[J].矿山测量,2016,44(5):61-65.

[5]高姣姣,颜宇森,盛新蒲,等.无人机遥感在西气东输管道地质灾害调查中的应用[J].水文地质工程地质,2010,37(6):126-129.

[6]何碧波,倪峰,郑明灯.无人机航测若干问题分析[J].地理空间信息,2016,14(12):13-14.

[7]王延莲.无人机航测技术在地质环境治理中的应用分析[J].中国高新技术企业,2014,284(5):83-84.

[8]仇春平,卢晓攀,王平论,等.无人机低空数字摄影测量成图精度实证研究[J].矿山测量,2016,44(1):67-70.

作者:王玉龙;王建忠;李锦 单位:河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队

矿山测量杂志责任编辑:张雨    阅读:人次