無人機傾斜攝影測量在礦山地質中的應用研究

朱磊

摘 ? ?要：中國是礦產大國，礦物種類多，分布廣，開采及治理水平參差不齊。處理不當會引起資源浪費、環境污染等問題，甚至導致地質災害，威脅生命財產安全。為了監督合理開發，檢查私挖亂采，保護環境杜絕災害的發生，需要摸清中國現階段礦山地質情況，類如計算儲量、定邊定界等工作成為重中之重。礦山地質測量無疑為該項工作提供了基礎數據保障。

關鍵詞：無人機傾斜攝影測量;礦山地質;應用

1 ?傾斜攝影測量

1.1 ?定位原理

眾所周知，測量的本質是定位，定位的本質是獲取坐標。傳統測量通過人工定位，直接接觸目標獲取坐標;而攝影測量則通過影像定位、同名光線交會計算坐標。使光線交會則需要滿足一定條件，如圖1所示。圖中，A為物方點，a1、a2為物方點投影在兩個像片上的像點，S1、S2為兩個像片的攝影中心。從圖1可以看出，想要通過光線交匯完成定位，需要知道像片的實時姿態，即恢復外方位元素Xs、Ys、Zs、φ、ω、κ（Xs、Ys、Zs為線元素，φ、ω、κ為角元素）6個參數，且須知內方位元素x0、y0、f的數值。

1.2 ?優勢提升

（1）定位精度。眾所周知，測量數據都存在誤差，在必要觀測條件下無法對誤差進行消除和減弱，因此需要進行多余觀測，傾斜攝影測量在相同條件下的數據量是豎直攝影的2～5倍，大大增加了多余觀測，提高了精度。另外，阿貝比長原理規定：量測長度時尺子與目標平行則結果最優，角度越大則誤差越大。而對攝影測量而言，O1、O2為兩個不同角度的攝影中心，其攝影基線與目標越接近平行即光軸與目標盡可能垂直，則測量精度越高。傳統攝影測量只從豎直方向觀測，其基線平行于XY平面，因此該模式下的目標在XY方向精度最高，而與XZ、YZ平面角度過大使在Z方向的精度成為傳統攝影的短板。傾斜攝影測量增加了大角度影像觀測，其攝影基線與XZ、YZ平面的夾角大幅度減小，對某些特殊側面甚至接近平行，由此不僅提高了Z方向精度，而且進一步減小了X、Y方向的誤差。同時多方位的拍攝更好地獲取了目標側面的紋理，實現了不同角度信息的互補，對輪廓的還原效果更優。

（2）成果質量。傳統豎直攝影測量生成的基本都是二維平面數據，分析起來較為困難，對技術經驗要求較高，某些盲區還需要后期現場補測調繪。而傾斜攝影測量的成果以三維模型為主，在高精度的數字表面模型DSM基礎上進行紋理映射，直觀性強，使用者能夠方便地在模型上對礦山地質的剖面、溝坎、坡向線進行分析，對不同種類的區域例如采礦區、找礦區、廢棄物堆積區等區域的判讀率也提高了很多，此外還可以在模型上繪制傳統豎直攝影測量生成的數據成果。因此，傾斜攝影測量為從業者提供了更加全面的基礎數據。

1.3 ?技術流程

1.3.1 ?外業采集

由于建模對精細度要求很高，而旋翼機較固定翼飛行高度低，速度慢，能夠很好地拍攝目標紋理，因此在飛行平臺的選取上以旋翼機為主。相機應搭載多鏡頭，即1個下視鏡頭和數個傾斜鏡頭，通常以5鏡頭為主。根據測區地形規劃航線，重疊度應在70%以上，分辨率應設定在5cm以內，并以此定義航高。若測區面積較大，單個架次無法完成時，應當在架次之間保留1～2條航線的重疊，以便后期能準確拼接。設定完畢后，飛機按航線飛行進行拍攝，其后檢查像片是否有大量曝光、云煙遮擋現象，有無漏拍、序號與POS信息是否對應等情況，合格后便可進行下一步的處理。

1.3.2 ?內業處理

由于現今傾斜相機還不能計算自身POS，只有下視鏡頭具有位置姿態信息，因此只能通過下視鏡頭和傾斜鏡頭的位置關系計算所有像片。將像片加載進相關建模軟件，分別進行空中三角測量（簡稱空三）、點云匹配、DSM生成、表面重建、紋理映射等，生成最終的三維立體模型。同時，在該模型基礎上，利用第3方軟件，生成傳統豎直攝影常出的數字正射影像DOM和數字線劃圖DLG，可謂是一模多用。

2 ?實踐操作

2.1 ?測區概況

本次實驗測區選在某石料礦區，欲通過后期所測數據，圈定目標區域礦界、了解開采情況、描繪實地地形以及后期合理規劃等。該礦區范圍為東經112.60～112.62°，北緯38.17～38.18°，面積約1km2。測區內以山地為主，海拔多在1100m～1400m，相對高差100m～400m，且部分遮擋較多，傳統豎直攝影測量無法完全覆蓋拍攝，故采用傾斜攝影方法采集數據。

2.2 ?處理流程

2.2.1 ?飛行平臺及相機

本次飛行平臺選用哈瓦MEGA-V8Ⅱ旋翼無人機，該飛機采用全碳纖維材料一體成型技術、配合航空專用鎂合金、鈦合金等尖端材料和工業級傳感器芯片技術，機身826mm×1050mm×578mm，最大起飛重量12kg，飛行半徑可達14km，續航時間30min，抗風能力達到7級，且具有后差分解算系統。該平臺搭載的相機是定做的HARWAR-YT-5POPCⅢ5鏡頭傾斜航攝儀，其中1個下視鏡頭，4個傾斜鏡頭，傾角為45°，像素達到1億級，該相機5個鏡頭同時曝光，曝光時間為1/4000s，最小曝光間隔為2s。

2.2.2 ?控制點布設及航線規劃

測區內山地較多，地形條件差，大部分區域人工無法到達，因此選擇較為平緩的地方布設像控點，以便將模型納入到目標坐標系下，并且起到精確的控制作用。由于飛機自帶后差分解算系統，一定程度上精化了POS數據，故能夠保證測量精度滿足要求。飛行時間段選在上午十一點左右，期間光照適中。為了防止出現漏拍等信息不完整的情況、保證模型精細程度，本次地面采集分辨率設定為5cm，相對飛行高度相應為250m，航向重疊度設置為80%、旁向重疊度設為75%，航線為南北方向，共分2個架次，架次之間有2條航線的重疊區，以便后期拼接。本次飛行有50條航線，共計3700張像片，POS數據完整，影像質量正常。

2.2.3 ?內業處理

（1）空中三角測量。空三是恢復像片實時位置和姿態的過程，恢復了位置姿態，就能通過影像進行定位，因此空三是整個過程中決定精度的環節，可以說是重中之重。先導入所有像片，加載相應POS文件后提交空三。軟件以其強大的傾斜影像匹配算法，準確找出各個像片間的同名點，完成相對定向，并通過刺像控點、平差計算，得出最終的坐標信息。空三結束后，整體的精度也就確定了。

（2）模型重建。空三后進行模型重建。點擊重建以后，軟件首先通過恢復姿態的多個影像同名光線相交，得出物方密集點云;然后在密集點云基礎上建立不規則三角網，形成一個個面片，完成表面重建;最后通過泊松融合方法將像素賦予所形成的面片，使復雜的圖形場景呈現出真實感。

參考文獻：

[1] 方忠平.基于無人機傾斜攝影測量技術的三維建模和精度分析[J].工程建設與設計，2019（10）：247.