基于無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)的礦區(qū)地表變形監(jiān)測外業(yè)數(shù)據(jù)采集

（甘肅煤田地質(zhì)局一四六隊，甘肅 平?jīng)?744000）

如何更加有效、合理且安全的對礦產(chǎn)資源進(jìn)行開發(fā)和利用，是礦產(chǎn)領(lǐng)域研究學(xué)者們一直研究的重要話題[1]。目前大多數(shù)的礦產(chǎn)開發(fā)企業(yè)仍以地下開采的方法為主，并且隨著對礦產(chǎn)資源需求量的不斷增加，對礦山開采的深度也越來越深。因此，做好對礦區(qū)地表變形的監(jiān)測對于整個礦山的安全和生產(chǎn)具有重要意義。隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，礦山攝影測量技術(shù)得到了不斷地優(yōu)化和更新，最早期的測量技術(shù)是以測量儀器作為中心的模擬攝影測量，而后逐漸被解析攝影測量所代替。現(xiàn)如今隨著計算機(jī)的應(yīng)用不斷普及，逐漸進(jìn)入到了全數(shù)字?jǐn)z影測量階段。無人機(jī)航空攝影測量最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢當(dāng)前已經(jīng)在工程應(yīng)用中占據(jù)更加廣闊的市場空間。因此，本文結(jié)合無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)的優(yōu)勢，將其應(yīng)用于礦區(qū)地表變形監(jiān)測當(dāng)中，提出一種全新的外業(yè)數(shù)據(jù)采集方法。

1 基于無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)的礦區(qū)地表變形監(jiān)測外業(yè)數(shù)據(jù)采集方法設(shè)計

1.1 無人機(jī)航空攝影相機(jī)數(shù)據(jù)采集精度確定

針對礦區(qū)地表變形監(jiān)測外業(yè)數(shù)據(jù)采集的需要，本文選擇的標(biāo)定方法為棋盤格式標(biāo)定法，為保證最終數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，標(biāo)定板采用廠家定值的標(biāo)定板。標(biāo)定板上每個小方格的邊長為15mm，采用鋁制材料保證其光學(xué)基板誤差精度不超過±0.10mm。在進(jìn)行實(shí)際標(biāo)定時，需要從礦區(qū)地表的不同方位上對已經(jīng)獲取的參數(shù)信息標(biāo)定板進(jìn)行拍攝[2]。當(dāng)獲取到多張攝影圖像后，根據(jù)每幅圖像的單位矩陣求解出無人機(jī)航空攝像頭的畸變參數(shù)。利用棋盤格式標(biāo)定法的操作更加簡單，且對于界面相更友好。標(biāo)定時還需要建立空間當(dāng)中某一點(diǎn)與無人機(jī)攝像頭平面攝影點(diǎn)的映射關(guān)系，假設(shè)在空間中某一點(diǎn)的坐標(biāo)為X=[a，b，c，1]T，則對應(yīng)的畸形圖像中該點(diǎn)的對應(yīng)坐標(biāo)為x=[m，n，1]T。根據(jù)平面標(biāo)定算法，得出空間中某一點(diǎn)與畸形圖像中該點(diǎn)的投影映射關(guān)系式：

公式（1）中，k表示為一個比例因子；C表示為無人機(jī)攝像頭的內(nèi)參數(shù)矩陣；j表示為旋轉(zhuǎn)的矩陣；s表示為位移關(guān)系的矩陣。將公式（1）簡化后可得：

公式（2）中，H表示為單應(yīng)性矩陣。公式（2）可看作是空間中某一點(diǎn)與該點(diǎn)在無人機(jī)攝像頭平面上投影點(diǎn)之間的關(guān)系。通過角點(diǎn)檢測的方法獲取畸變圖像當(dāng)中對應(yīng)的坐標(biāo)，再根據(jù)標(biāo)定板獲取在空間當(dāng)中該點(diǎn)的對應(yīng)點(diǎn)位置。通過上述方法能夠在每一張畸形圖像當(dāng)中獲取與之相對應(yīng)的一個H矩陣。通過將H矩陣改寫為一個三個列矩陣的形式，再對相機(jī)的內(nèi)參數(shù)進(jìn)行求解，最后再根據(jù)內(nèi)參數(shù)矩陣的對稱性將其簡化為一個六維矩陣，最終得到一個2×6的矩陣，該矩陣代表每一張畸形圖像當(dāng)中可以獲取到兩個共包含六個未知數(shù)的方程。因此，根據(jù)數(shù)學(xué)知識可以得出，對六個不同未知數(shù)進(jìn)行求解，至少需要六個不同的方程，因此在獲取畸形圖像時，至少需要三張畸形圖像。當(dāng)完成對原始參數(shù)的求解后，根據(jù)求出的參數(shù)將無人機(jī)拍攝到的圖像中對應(yīng)的點(diǎn)映射到空間中，再通過最小化反省向投影點(diǎn)的坐標(biāo)與真實(shí)坐標(biāo)之間的差值，得到最終的最優(yōu)解。

在進(jìn)行拍攝過程中需要兩個人相互配合，一人拍照，一人移動標(biāo)定板。在拍攝前首先固定無人機(jī)航空攝像頭的具體位置，對標(biāo)定板進(jìn)行移動，從而使鏡頭所在的平面始終處于不同的角度，完成拍攝。根據(jù)上文可知，至少完成三張圖像才可完成標(biāo)定。本文為使結(jié)果更加準(zhǔn)確，達(dá)到最好的標(biāo)定效果，在實(shí)際操作時控制圖像拍攝至少為15張。

1.2 礦區(qū)地表變形監(jiān)測控制點(diǎn)選取與布設(shè)

完成對無人機(jī)航空攝影測量的標(biāo)定后，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集前，還需要對礦區(qū)地表變形監(jiān)測控制點(diǎn)進(jìn)行選擇，并完成人工標(biāo)志布設(shè)。本文最終采集到的數(shù)據(jù)信息主要是針對礦區(qū)地表變形區(qū)域，因此為了精準(zhǔn)地對地表塌陷程度進(jìn)行測量，必須首先了解無人機(jī)航線區(qū)域的具體坐標(biāo)值信息，對人工標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)。在設(shè)計標(biāo)記點(diǎn)的形狀時，本文采用如圖1所示的標(biāo)志。

圖1 標(biāo)記點(diǎn)形狀示意圖

標(biāo)記點(diǎn)形狀是將一個正方形平均分成四個面積相同的三角形，選擇其中任意一對對邊的兩個三角形為黑色，另外兩個三角形為白色。考慮到在對礦區(qū)地表塌陷位置的表面十分不穩(wěn)定，因此不能將標(biāo)記點(diǎn)直接放置在地表。在放置前，需要設(shè)立一個規(guī)則的鋼筋水泥柱。大部分礦區(qū)地表變形區(qū)域均有礦產(chǎn)企業(yè)的GPS接收機(jī)進(jìn)行監(jiān)測，因此在地表上設(shè)有水泥柱。在需要進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集的區(qū)域中選擇六個不同的水泥柱作為控制點(diǎn)，將人工標(biāo)志放置在穩(wěn)定性更強(qiáng)的水泥柱上。將原始GPS坐標(biāo)作為標(biāo)準(zhǔn)，對礦區(qū)地表變形區(qū)域進(jìn)行實(shí)形建模，分析該區(qū)域的變形情況。

1.3 基于無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)的影像數(shù)據(jù)采集

在對礦區(qū)地表變形區(qū)域影像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時，不僅需要考慮相關(guān)儀器設(shè)備的性能，還需要對采集區(qū)域的地形、地勢以及高差等進(jìn)行綜合考慮。在利用無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集時還需要根據(jù)采集當(dāng)前的天氣狀況，選擇天氣晴朗的天氣最為適宜。在完成航空攝影后，需要對拍攝到的圖像質(zhì)量進(jìn)行檢查，檢查內(nèi)容主要包括圖像的清晰度、是否存在重疊現(xiàn)象。

獲取圖像中數(shù)據(jù)信息的具體步驟為：首先對于礦區(qū)地表土壤材料利用類型信息的提取可通過人工識別和勾畫的方法完成，或利用計算機(jī)中的相應(yīng)軟件對其進(jìn)行分類。針對監(jiān)測區(qū)域較大，利用人力會消耗大量時間的區(qū)域，根據(jù)前期建立的標(biāo)識點(diǎn)，利用面向?qū)ο蟮姆椒ㄍㄟ^多尺度分割成像技術(shù)，計算出被監(jiān)測對象的形狀信息及紋理信息，通過特征參數(shù)的固定組合，建立規(guī)則集，完成對土地利用類型信息的分類。其次，對于外業(yè)數(shù)據(jù)的采集，可在GIS系統(tǒng)中，利用數(shù)字高程模型和文檔對拍攝圖像成果直接獲取被監(jiān)測對象的特定位置信息，主要包括經(jīng)緯度、坐標(biāo)和高程信息。針對監(jiān)測對象長度和面積信息獲取可借鑒土地利用類型信息獲取方法，通過人工勾畫或計算機(jī)自動分類獲取，并在GIS系統(tǒng)中，對被監(jiān)測對象的長度進(jìn)行測量，進(jìn)一步計算出相應(yīng)的面積信息。利用數(shù)字?jǐn)z影測量平臺對圖像進(jìn)行相關(guān)匹配和編輯，并生成數(shù)字高程模型。利用高程模型對數(shù)字影像進(jìn)行幾何糾正。完成上述操作后，立即將所有拍攝的圖像數(shù)據(jù)下載到移動硬盤當(dāng)中并進(jìn)行妥善保管。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

為驗(yàn)證本文提出的基于無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)的礦區(qū)地表變形監(jiān)測外業(yè)數(shù)據(jù)采集方法在實(shí)際應(yīng)用中的可行性，將其與傳統(tǒng)采集方法進(jìn)行對比。設(shè)置本文采集方法為實(shí)驗(yàn)組，傳統(tǒng)采集方法為對照組。選擇某礦山區(qū)域地表出現(xiàn)過明顯變形的區(qū)域作為實(shí)驗(yàn)對象。分別利用實(shí)驗(yàn)組和對照組兩種方法對該區(qū)域已知的五個地表變形區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。五個監(jiān)測點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)分別為A：（233.4m，215.4m）、B：（253.1m，321.2m）、C：（323.8m，365.1m）、D：（402.1m，393.1m）、E：（452.1m，423.1m）。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)描述完成對比實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)組與對照組得到的數(shù)據(jù)采集時間進(jìn)行記錄，繪制成如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)組與對照組數(shù)據(jù)采集時間對比

根據(jù)表1中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)組的數(shù)據(jù)采集最多消耗時間為23.14ms，對照組的數(shù)據(jù)采集最少消耗時間為75.31ms，因此實(shí)驗(yàn)組對數(shù)據(jù)采集時間明顯小于對照組。通過實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的基于無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)的礦區(qū)地表變形監(jiān)測外業(yè)數(shù)據(jù)采集方法有效縮短了對數(shù)據(jù)采集的時間，提高了該方法的效率，滿足礦山生產(chǎn)企業(yè)對數(shù)據(jù)采集的高效性需求，能夠?yàn)榈V山企業(yè)施工建設(shè)的順利展開提供有利條件，并在一定程度上降低地質(zhì)災(zāi)害問題對人們造成的影響。

3 結(jié)語

本文結(jié)合礦區(qū)地表變形監(jiān)測需要，利用無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)，提出一種全新的外業(yè)數(shù)據(jù)采集方法，將該方法應(yīng)用于對地質(zhì)構(gòu)造研究、勘探工程等環(huán)節(jié)中，可在最大程度上降低野外測繪工作量，提高礦山企業(yè)員工工作的效率和質(zhì)量。