無人機(jī)傾斜攝影測量在礦山煤矸石方量測算中的應(yīng)用

秦晨西

（山東省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)，山東 泰安271000）

1 前言

土石方計(jì)算精度的大小會對工程的經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生較大的影響。土方量計(jì)算方法主要有三角網(wǎng)法、方格網(wǎng)法、斷面法三種[1]。三角網(wǎng)法一般用于地形起伏變化較大的工程中，其精度與野外采點(diǎn)密度的多少有直接關(guān)系。方格網(wǎng)法用于地形較為平坦的工程，計(jì)算精度與野外采點(diǎn)密度，以及方格網(wǎng)的大小關(guān)系密切相關(guān)[2-3]。無人機(jī)傾斜攝影測量的方法計(jì)算土方量能夠適用于各種地形，計(jì)算原理按照三角網(wǎng)法計(jì)算，精度可靠[4]。

2 無人機(jī)傾斜攝影測量土方量計(jì)算

2.1 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

無人機(jī)傾斜攝影測量可以生成數(shù)字表面模型DSM，能夠表達(dá)地形起伏以及具有坐標(biāo)信息的影像數(shù)據(jù)。將無人機(jī)作為航空攝影平臺能夠快速地獲取分辨率較高的影像[5-6]。

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)主要包括影像數(shù)據(jù)預(yù)處理、影像空三測量平差、三維建模、DOM、DSM、DEM、DLG 的生成等內(nèi)容。

2.2 計(jì)算土方量的方法

隨著數(shù)字測圖技術(shù)的發(fā)展，南方CASS 軟件作為常用的計(jì)算土方量的軟件，操作簡單易上手，成果精度較高。通過三維掃描儀來獲取土方堆的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，密度和特征點(diǎn)數(shù)據(jù)的獲取能夠保證數(shù)據(jù)的精度，但是生成的圖幅拼接依賴內(nèi)業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)，三維掃描儀站點(diǎn)的選取存在限制條件[7]。對于煤矸石土方量的計(jì)算，一般選擇用三角網(wǎng)兩期計(jì)算。

三角網(wǎng)法是利用外業(yè)采集的地形特征點(diǎn)，通過特征點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行三角構(gòu)網(wǎng)，對需要計(jì)算的測量區(qū)域按照三棱柱法計(jì)算。基于不規(guī)則三角網(wǎng)建模，通過地形特征點(diǎn)構(gòu)造出鄰近的三角網(wǎng)，從而構(gòu)成不規(guī)則的三角網(wǎng)。

不規(guī)則三角網(wǎng)利用原始數(shù)據(jù)作為網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)，通過插入地性線的方式可以保存原有的及關(guān)鍵的地形特性點(diǎn)及拐點(diǎn)，很好地適應(yīng)各種復(fù)雜地形[8]。

2.3 應(yīng)用實(shí)例分析

某煤礦煤矸石測區(qū)面積大約為0.04 km2，地形起伏較大，最大高差達(dá)60 m，周圍為基本農(nóng)田和廠房。

2.3.1 技術(shù)流程

由于地形起伏較大，首先用無人機(jī)對地形按照100 m 航高飛行，對生成的航片進(jìn)行初步處理，生成低精度的DSM。將生成的DSM 導(dǎo)入到飛行遙控器中，通過仿地飛行，原始影像經(jīng)過空三、正射糾正及鑲嵌，制作DOM、DSM 和DEM成果。結(jié)合三維模型對地物進(jìn)行矢量化，獲取DLG 成果。項(xiàng)目整體技術(shù)流程如圖1 所示。

圖1 項(xiàng)目整體技術(shù)流程

2.3.2 像控點(diǎn)布設(shè)測量

根據(jù)航測任務(wù)需求，測區(qū)均勻布設(shè)8 個(gè)控制點(diǎn)。控制點(diǎn)采用在硬質(zhì)路面刷油漆“十”字樣的方式，均采集“十”字的交叉中心作為控制點(diǎn)坐標(biāo)位置。

利用華測RTK 連接千尋CORS 獲得平面坐標(biāo)和橢球高，采用測區(qū)內(nèi)3 個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)校正和檢核，檢核平面誤差2 cm，高程誤差為3 cm，符合測量要求，對測區(qū)范圍內(nèi)的像控點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)采集。

2.3.3 航線設(shè)計(jì)

無人機(jī)航線具體設(shè)計(jì)如表1 所示。

表1 無人機(jī)航線具體設(shè)計(jì)

2.3.4 空三計(jì)算機(jī)精度檢驗(yàn)

整理外業(yè)采集到的航飛照片，并剔除拍攝質(zhì)量不佳的相片，拍攝航攝影像的過程中，由于受大氣散射、地形起伏、溫度、光照等因素的影響，航片及航帶之間可能光照明暗程度不同，為了影像光照的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，對影像進(jìn)行預(yù)處理[9]。運(yùn)用圖像處理軟件photoshop 等對影像進(jìn)行勻光勻色、裁邊等處理。采用Context Capture 導(dǎo)入像控點(diǎn)、檢查點(diǎn)、原始照片及POS 進(jìn)行空三計(jì)算。最終的控制點(diǎn)平面中誤差為±2 cm，高程中誤差為±2.5 cm，符合測量精度。

2.3.5 三維重建

空三計(jì)算之后，進(jìn)行模型的三維構(gòu)建。根據(jù)空三加密信息成果，通過影像密集匹配可獲得高密度的點(diǎn)云。可根據(jù)計(jì)算機(jī)性能將切塊分割成若干瓦片進(jìn)行不同層次的TIN 模型構(gòu)建。通過調(diào)整三角尺寸與原始影像分辨率相匹配，生成平坦區(qū)域的三角網(wǎng)[10]。生成的模型整體連續(xù)光滑，土方測算需要剔除植被、房屋等要素。

2.3.6 地形圖編制

基于南方CASS 軟件平臺進(jìn)行DLG 矢量采集，基于點(diǎn)云采集房屋、道路、高程點(diǎn)等要素。最后按照地形圖規(guī)范要求完成編圖。

2.3.7 誤差檢核

地形圖上均勻選出100 個(gè)數(shù)據(jù)，利用RTK 到實(shí)地進(jìn)行檢核，通過測量，算出檢核的中誤差，平面中誤差為±2.8 cm，高程中誤差為±3.5 cm，符合測量要求。

2.3.8 煤矸石方量計(jì)算

通過三維模型，圈出煤矸石的底部范圍，通過兩期土方計(jì)算，最新測得高程為現(xiàn)狀高程，邊界范圍線上的為最低點(diǎn)，高程為原始高程，利用CASS 軟件，計(jì)算出煤矸石方量。

3 結(jié)語

利用無人機(jī)傾斜攝影測量測量煤矸石方量，通過仿地飛行的方式，設(shè)定好飛行航線，只需飛行幾個(gè)架次，就能完成工作。無人機(jī)獲取數(shù)據(jù)速度較快，且為三維點(diǎn)云，能較好地反映地物地貌，相對于傳統(tǒng)RTK 測量方式，速度更快，精度更高。傳統(tǒng)的RTK 及全站儀測量得到的數(shù)據(jù)為少量明顯地物的特性點(diǎn)，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)時(shí)無法仔細(xì)描述地物復(fù)雜細(xì)節(jié)；對于三角網(wǎng)兩期算法需要高程數(shù)據(jù)，例如煤矸石山等復(fù)雜地形的情況，通過RTK 及全站儀測量進(jìn)行實(shí)測，測量比較困難，精度也不是很高，為了盡可能地提高測量精度，在煤矸石山區(qū)域近可能的多選特征點(diǎn)以及地性線拐點(diǎn)；如果測量中存在選擇特性點(diǎn)或者密度較低不合適的情況，則后期土方計(jì)算的精度會有所降低[11-14]。

綜上所述，通過無人機(jī)攝影測量能夠進(jìn)行多角度的拍攝，可以減少外業(yè)作業(yè)時(shí)間，有利于加快工作效率。各種復(fù)雜的地形都能得到點(diǎn)云密度比較大的數(shù)據(jù)，以便于后期土方計(jì)算，能夠更好地保證土方計(jì)算精度。