無人機(jī)攝影測量技術(shù)在礦山建設(shè)中的應(yīng)用

康宏民，馮文娟，劉宗霞

（山東兗礦設(shè)計(jì)咨詢有限公司測量科，山東 鄒城273500）

在礦山開采設(shè)計(jì)與礦山施工監(jiān)理工作中，眾多影響因素使傳統(tǒng)的測量方法不能收集完整的信息數(shù)據(jù)。尤其在礦山建設(shè)初期進(jìn)行測量工作時(shí)，道路設(shè)施不完善，測繪工作難開展，人員無法到達(dá)一些山溝和樹木茂密地方，所以測量數(shù)據(jù)誤差大，測繪工作效率較低，大比例尺地形圖測量難度非常大。如果使用無人機(jī)攝影技術(shù)，能夠發(fā)揮傾斜攝影的全面性，消除常規(guī)攝影的局限性。通過搭載不同的荷載組件，能夠?qū)崿F(xiàn)礦山全景信息建立，充分展現(xiàn)礦山全貌[1]。

1 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)特點(diǎn)

1.1 測繪無人機(jī)種類及特點(diǎn)

常見的用于遙感測繪的無人機(jī)分為2 種：多旋翼無人機(jī)和固定翼無人機(jī)。

1.1.1 多旋翼無人機(jī)

優(yōu)點(diǎn)：操作簡單，輕便，造價(jià)相對(duì)低廉，可以定點(diǎn)懸停，適合拍攝細(xì)節(jié)照片。

缺點(diǎn)：續(xù)航時(shí)間短，消費(fèi)型無人機(jī)搭載鏡頭后飛行時(shí)間在30min 以下，工業(yè)級(jí)多旋翼無人機(jī)飛行時(shí)間能達(dá)到50min 以上，在大面積，長距離的測繪項(xiàng)目中備受局限。

多旋翼無人機(jī)適合航拍，環(huán)境監(jiān)測，偵查，建筑建模，災(zāi)害治理，特殊物體運(yùn)輸?shù)刃^(qū)域應(yīng)用，所以在小面積工廣區(qū)測量的信息采集上，宜選用多旋翼無人機(jī)。

1.1.2 固定翼無人機(jī)

優(yōu)點(diǎn)：續(xù)航時(shí)間長，抗風(fēng)能力強(qiáng)，拍攝范圍廣。

缺點(diǎn)：無法完成細(xì)節(jié)精細(xì)測量，工業(yè)級(jí)無人機(jī)費(fèi)用高昂。

固定翼無人機(jī)適合大面積航測，可用于區(qū)域監(jiān)控，管道巡線，應(yīng)急通訊，礦山輸電線路測量等應(yīng)用場景。

1.2 無人機(jī)測量搭載的設(shè)備

無人機(jī)可根據(jù)現(xiàn)實(shí)需求，搭載不同設(shè)備以實(shí)現(xiàn)不同目的。在測繪領(lǐng)域，常用搭載設(shè)備有高像素?cái)z像鏡頭和三維激光雷達(dá)。

1.2.1 高像素?cái)z像鏡頭

傾斜攝影測量技術(shù)需要搭載攝像鏡頭，通常像素要求高于1200 萬像素，目前鏡頭技術(shù)從單鏡頭發(fā)展出五鏡頭，三旋轉(zhuǎn)鏡頭等方式，五鏡頭包含1個(gè)垂直攝影鏡頭，4 個(gè)傾斜攝影鏡頭，可實(shí)現(xiàn)飛1 條線拍出5 個(gè)方向的照片。

1.2.2 激光雷達(dá)掃描儀

機(jī)載激光雷達(dá)（LIDAR）是對(duì)傾斜攝影測量技術(shù)的有力補(bǔ)充，由于傾斜攝影測量形成的模型是通過空三加密計(jì)算而成的，并非直接測量所得，在面對(duì)高壓線塔、電線桿等細(xì)高地物時(shí)，往往無法形成準(zhǔn)確模型，而激光雷達(dá)獲取的是物體表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具有可穿透樹葉等特點(diǎn)，所以在某些必要場景，可通過無人機(jī)搭載激光雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

1.3 傾斜攝影技術(shù)測量原理

傳統(tǒng)空三測量對(duì)傾斜影像數(shù)據(jù)處理效果不理想，所以需要結(jié)合飛機(jī)傳感器提供的POS 外方位元素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合平差，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場布設(shè)的控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合平差，通過誤差方程解算出影像的外方位元素，以前方交會(huì)的形式求出點(diǎn)位的三維坐標(biāo)[2]。

傾斜攝影測量還用到了多影像密集匹配技術(shù)，利用求得的外方位元素構(gòu)建立體像對(duì)，采用多影像匹配技術(shù)獲取密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，由于多角度攝像形成了大量冗余點(diǎn)云數(shù)據(jù)，所以可以通過這些冗余數(shù)據(jù)校正錯(cuò)誤的匹配信息，提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度。

經(jīng)過多影像密集匹配后得到了能夠表達(dá)地物表面起伏的高分辨率數(shù)字模型（DSM），通過軟件分析，將合適的影像像素與DSM 融合，形成統(tǒng)一的數(shù)字表面模型。再經(jīng)過正射影像糾正步驟，建立全局優(yōu)化采樣策略，聯(lián)合幾何延伸特征進(jìn)行糾正，最后才能得到我們所需要的數(shù)字模型[3]。

2 測繪流程

2.1 外業(yè)航測工作

外業(yè)工作以安全高效完成測區(qū)拍攝為目的，要注意飛機(jī)安全、禁飛區(qū)、風(fēng)速影響、測區(qū)大小合理性等問題，嚴(yán)格按照技術(shù)要求布置相控點(diǎn)、檢查點(diǎn)，以保證測繪質(zhì)量。外業(yè)航測流程如圖1 所示。

圖1 外業(yè)工作流程

注意事項(xiàng)：在野外環(huán)境中，存在大量樹木遮擋的情況，會(huì)造成山體實(shí)際地面、坡坎、山溝等位置的信息采集盲區(qū)，解決此問題可使用大疆精靈4 無人機(jī)對(duì)低空樹下區(qū)域進(jìn)行手動(dòng)控制拍攝，將拍攝的照片加入其它照片中聯(lián)合建模，可有效改善攝影盲區(qū)的建模質(zhì)量。

2.2 內(nèi)業(yè)建模工作

建模軟件各有特點(diǎn)，這里以CongtextCapture 建模軟件為例，CongtextCapture 對(duì)計(jì)算機(jī)集群處理模型有優(yōu)勢。

首先查看并尋找地面噴涂相控點(diǎn)的像片編號(hào)；在使用ContextCapture 導(dǎo)入多視影像后，檢查所有控制點(diǎn)在照片上的位置和坐標(biāo)數(shù)據(jù)，完成空三測量[4]；注意選擇輸出的坐標(biāo)系，如果需要生成后的模型與控制點(diǎn)高程統(tǒng)一，則需要對(duì)POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行高程修正，這需要通過3 個(gè)以上控制點(diǎn)經(jīng)過反算求出七參數(shù)，再將POS 數(shù)據(jù)里的大地高修正為控制點(diǎn)的高程。最后注意選擇要生成的模型格式，這取決于后續(xù)將要使用的模型處理軟件需要哪種格式。建模流程如圖2 所示。

圖2 建模流程圖

2.3 繪制CAD 線畫圖

生成模型后，還要根據(jù)模型繪制出相關(guān)設(shè)計(jì)所需要的二維線畫圖。圖3 為儲(chǔ)煤場三維模型截圖，不但可以使用EPS、CASS-3D 等軟件繪制出傳統(tǒng)的礦區(qū)工廠平面圖，還可以通過體積計(jì)算出儲(chǔ)煤量，隨時(shí)掌握煤場實(shí)際儲(chǔ)量；在礦區(qū)建成后某些皮帶廊加固或建設(shè)項(xiàng)目中，會(huì)涉及建筑物的立面測量，立面出圖測量是傳統(tǒng)測繪手段的薄弱環(huán)節(jié)。通過選用帶立面測圖功能的EPS5.0 版本軟件，可有效解決測繪專業(yè)繪制立面圖的難題。

圖3 儲(chǔ)煤場實(shí)景三維模型

3 精度分析

為檢驗(yàn)人工提取的建筑物外輪廓及立面的精度，隨機(jī)選取了兩棟建筑物進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。利用全站儀對(duì)建筑物4 個(gè)角進(jìn)行平面和高程測量，得到的數(shù)值與通過模型提取的線畫圖比對(duì)，精度滿足1：500 地形圖的精度要求，結(jié)果如表1 所示。

表1 全站儀測點(diǎn)位與模型點(diǎn)位數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計(jì)（cm）

4 結(jié) 論

利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)給礦區(qū)地形建模，能夠方便的獲取礦山建設(shè)需要的各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，精度滿足工程建設(shè)及設(shè)計(jì)要求。受益于無人機(jī)及影像處理技術(shù)的發(fā)展，測繪工作越來越靈活，手段越來越先進(jìn)，不但有利于設(shè)計(jì)工作的質(zhì)量把控，生成的模型數(shù)據(jù)也更有價(jià)值，對(duì)于礦山建設(shè)、生產(chǎn)的全生命周期都具有重要意義。