無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在礦山測(cè)繪中的實(shí)踐分析

魏曉琴

（廣州卓信致地規(guī)劃咨詢有限公司，廣東廣州510000）

礦山測(cè)繪能夠?yàn)榈V山建設(shè)、資源開發(fā)提供數(shù)據(jù)支持，確保礦山開采效率和效益，推進(jìn)礦山建設(shè)。傳統(tǒng)礦山測(cè)繪技術(shù)的測(cè)繪時(shí)間比較長(zhǎng)，且測(cè)繪效率比較低，無法滿足快速成圖要求。在定位技術(shù)、無人機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)快速發(fā)展過程中，礦山測(cè)繪中開始應(yīng)用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，技術(shù)應(yīng)用效果顯著。

1 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是通過無人機(jī)平臺(tái)搭載多個(gè)航攝相機(jī)，根據(jù)預(yù)設(shè)線路采集測(cè)區(qū)的影像，以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)角度拍攝，準(zhǔn)確反映出地面物體情況，高精度獲取物理紋理信息。聯(lián)合建模技術(shù)、融合技術(shù)和定位技術(shù)，可以自動(dòng)化生成三維模型。根據(jù)技術(shù)應(yīng)用流程，采用POS 信息、航片與傳感器參數(shù)，采集運(yùn)行影像數(shù)據(jù)，控制測(cè)量相片。注重處理內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)，加大控制點(diǎn)影像關(guān)聯(lián)度，采用空三運(yùn)算方式輸出結(jié)果，以此建立DEM 模型和三維實(shí)景模型。所以在礦山測(cè)量中應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，可以提高測(cè)繪結(jié)果的精準(zhǔn)度。

傾斜攝影三維自動(dòng)建模軟件屬于自動(dòng)化建模軟件，能夠通過多源序列影像生成高分辨率三維模型。建模軟件通過全自動(dòng)空三解算，建立不規(guī)則三角網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)化紋理映射，快速建立三維模型。該建模軟件通過傾斜攝影能夠在垂直影像上獲取結(jié)構(gòu)信息，并且基于單張影像測(cè)量原理獲取建筑立面結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整、提拉和編輯等操作獲取精細(xì)單體化模型。通過傾斜攝影紋理采集特點(diǎn)，能夠從影像中采集模型貼圖，自動(dòng)化生成模型貼圖。

2 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在礦山測(cè)繪中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 監(jiān)測(cè)效率高

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)監(jiān)測(cè)效率高，因此被廣泛應(yīng)用于礦山測(cè)繪中。礦山測(cè)繪涉及范圍廣，且測(cè)繪數(shù)據(jù)非常多。當(dāng)監(jiān)測(cè)效率低下時(shí)，就會(huì)影響礦山測(cè)繪水平，還會(huì)影響突發(fā)性事件的處理效率。從上述分析能夠看出，礦山測(cè)繪對(duì)于監(jiān)測(cè)效率的要求比較高。相比于其他測(cè)繪技術(shù)來說，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)結(jié)合數(shù)碼傳感器、全球定位技術(shù)、飛行器技術(shù)，可以提升礦山測(cè)繪效率。

2.2 靈活性高

相比于航拍飛機(jī)來說，無人機(jī)的體型輕巧，運(yùn)行速度快。在運(yùn)行期間無需駕駛員，能夠減輕機(jī)體重量，提升運(yùn)行與操控靈活性。通過應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，可以監(jiān)測(cè)礦山不同區(qū)域的環(huán)境信息，保證良好監(jiān)測(cè)狀態(tài)，提升礦山測(cè)繪的準(zhǔn)確度。

2.3 數(shù)據(jù)分辨率高

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)組成包括數(shù)碼傳感器、飛行器、數(shù)據(jù)定位處理系統(tǒng)等，通過各設(shè)備系統(tǒng)的優(yōu)化組合，可以明顯提升無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)分辨率。通常來說，相比于衛(wèi)星影像分辨率，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可以超過3倍，并且可以實(shí)現(xiàn)0.1m的精確度。

3 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在礦山測(cè)繪中的應(yīng)用實(shí)踐

3.1 項(xiàng)目概況與設(shè)備參數(shù)

此次研究以某礦山作為測(cè)繪對(duì)象，礦山的地理?xiàng)l件復(fù)雜，且區(qū)域危險(xiǎn)性比較高，地質(zhì)環(huán)境的差異比較大。測(cè)繪面積為19×104m2，劃分為10 個(gè)測(cè)繪區(qū)。四旋翼飛行平臺(tái)能夠確保飛行穩(wěn)定性和性能。荷載重量為3kg，續(xù)航時(shí)間為1.3h，飛行高度為400m，地面站控制半徑超過8km。專業(yè)傾斜攝影相機(jī)，該無人機(jī)所應(yīng)用的攝像機(jī)分辨率高，且覆蓋范圍廣。攝影相機(jī)總像素大于1億，重量1.68kg，分辨率為0.01～0.1m，記憶卡存儲(chǔ)在應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)時(shí)，必須滿足環(huán)境氣候條件，選擇在晴朗無風(fēng)天氣下飛行。

3.2 影像獲取與預(yù)處理

在開始航攝之前，必須設(shè)定基本航向。明確測(cè)繪無人機(jī)現(xiàn)狀的同時(shí)，全面分析無人機(jī)性能、參數(shù)與飛行時(shí)間等，以此開展外業(yè)傾斜攝影。在航空攝影期間，能夠獲得不同傾斜角度影像資料，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)影像自動(dòng)化拍攝，獲得傾斜影像資料。完成區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)采集后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。選擇適宜的拍攝影像，將影像反射到虛擬影像中，以此減少地面豎直物體的重影問題。

3.3 像片控制測(cè)量

像片控制測(cè)量有助于提升測(cè)繪結(jié)果的精度，在布設(shè)控制點(diǎn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)參考標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)置。此次測(cè)繪選擇航向重疊度為65%，旁向重疊度為60%。在布設(shè)像控點(diǎn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)關(guān)注到以下問題：第一，根據(jù)測(cè)繪區(qū)域的地形地貌，劃分不同的測(cè)繪區(qū)域。測(cè)繪區(qū)域外的像控點(diǎn)，多設(shè)置在輪廓線以外，位于航向基線數(shù)量在1條以上，旁向超過100m位置；第二，在選擇像控點(diǎn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)聯(lián)合測(cè)繪區(qū)域的地形地貌，選擇易識(shí)別、無爭(zhēng)議的區(qū)域，例如明顯的地物標(biāo)志；第三，在山頭選擇像控點(diǎn)時(shí)，可以在地形起伏小的區(qū)域，以此確保測(cè)量結(jié)果的精度。在布設(shè)像片控制點(diǎn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇高程變化小的區(qū)域，以此提升傾斜攝影測(cè)量精度；第四，針對(duì)制備發(fā)育區(qū)域，存在高大構(gòu)筑物的區(qū)域，則會(huì)加大像控點(diǎn)布設(shè)難度。在開展業(yè)內(nèi)測(cè)量時(shí)，會(huì)出現(xiàn)測(cè)量遮擋視線問題，從而降低測(cè)量精度；第五，當(dāng)測(cè)繪區(qū)域內(nèi)存在大面積水域時(shí)，會(huì)加大像控點(diǎn)布設(shè)難度；第六，在布設(shè)像控點(diǎn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)全面分析測(cè)繪區(qū)域的交通條件，選擇交通條件良好，便于存儲(chǔ)的區(qū)域。

3.4 空中三角加密處理

在礦山測(cè)繪工作中，極易受到外部環(huán)境干擾，例如建筑物和植被等，致使無人機(jī)傾斜攝影期間，地面控制點(diǎn)測(cè)量無法滿足實(shí)際需求，小區(qū)域測(cè)繪存在盲區(qū)等問題，從而導(dǎo)致測(cè)繪結(jié)果不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。為了處理以上問題，應(yīng)當(dāng)做好空中三角加密處理與校正，以此彌補(bǔ)測(cè)繪精度不足問題。對(duì)于空中三角加密處理來說，主要是建立影像外方位元素，以此確保預(yù)算準(zhǔn)確性，聯(lián)合相關(guān)軟件消除干擾因素，全面提升測(cè)量精度，以此改善地形條件比較差的區(qū)域。

3.5 三維建模與數(shù)據(jù)采集

在建立三維數(shù)據(jù)模型時(shí)，需要通過多角度傾斜影像的校正操作、聯(lián)合平差操作、多視匹配操作等，以此獲得三維傾斜模型。完成三維數(shù)據(jù)模型建立后，可以通過數(shù)據(jù)處理軟件獲得區(qū)域內(nèi)的地貌和地物數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集所涉及的內(nèi)容如下：第一，采集地物要素。該采集工作由手動(dòng)完成，例如拍攝影像像控點(diǎn)、建筑物等有效控制測(cè)量精度；第二，自動(dòng)化提取地貌要素三維信息，涉及到高程標(biāo)注點(diǎn)、等高線采集等，再由人工通過現(xiàn)代化處理軟件平臺(tái)整合處理；第三，在處理地物遮擋問題時(shí)，對(duì)像片內(nèi)的遮擋區(qū)域，進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)量，確保整體測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠全面提升測(cè)量精度與準(zhǔn)確度。

3.6 外業(yè)調(diào)繪及補(bǔ)測(cè)

通過上文分析可知，在航空拍攝操作中，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)會(huì)出現(xiàn)拍攝盲區(qū)。在建筑物遮擋與植被茂盛區(qū)域無法獲得影像。所以在內(nèi)業(yè)處理期間，必須準(zhǔn)確標(biāo)注上述區(qū)域，開展外業(yè)調(diào)繪和補(bǔ)測(cè)。

3.7 測(cè)繪數(shù)據(jù)處理

完成礦山測(cè)繪外業(yè)后，通過多視圖多維重建技術(shù)處理任意像片。將數(shù)碼影像導(dǎo)入到軟件內(nèi)，自動(dòng)化生成高質(zhì)量正射影像，建立高分辨率三維模型，可以獲得毫米級(jí)精度的模型。像片導(dǎo)入后，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)縮短數(shù)據(jù)處理時(shí)間，在多臺(tái)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)引擎運(yùn)行，之后在作業(yè)隊(duì)列中關(guān)聯(lián)，以此獲得實(shí)景模型。在此次測(cè)繪工作中，共獲取12121張像片，將POS數(shù)據(jù)和像片導(dǎo)入到軟件內(nèi)，按照照片自帶參數(shù)信息與位置信息排列。軟件自動(dòng)開展空間三角加密處理，添加多個(gè)地面像控點(diǎn)坐標(biāo)，以此確保工程地理坐標(biāo)和模型坐標(biāo)相同。通過準(zhǔn)確計(jì)算后，可以自動(dòng)化獲取航片特征點(diǎn)，匹配同名點(diǎn)，以此計(jì)算像片的空間位置與姿態(tài)角，確定像片關(guān)系。此次測(cè)繪采集數(shù)據(jù)源于多個(gè)架次，因此會(huì)出現(xiàn)空間三角加密點(diǎn)片層變形和偏移問題，因此必須詳細(xì)記錄姿態(tài)信息與航片信息。通過新建任務(wù)塊加載航片，融合姿態(tài)信息和位置信息，反算獲得地形加密點(diǎn)數(shù)據(jù)。在獲得無紋理信息、不規(guī)則三角網(wǎng)之后，可以從航片中選擇高像素紋理著色，以此確保三維模型的真實(shí)度。應(yīng)用傳統(tǒng)方式檢驗(yàn)精度時(shí)，將像控點(diǎn)坐標(biāo)作為真實(shí)數(shù)據(jù)，通過模型可以獲取監(jiān)測(cè)值，計(jì)算二者差值，可以獲得數(shù)據(jù)高程誤差，約為0.01m，平面坐標(biāo)誤差為0.08m，所以可以滿足測(cè)量要求。

在應(yīng)用傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)時(shí)，需要投入大量人力與物力。比如專人操控測(cè)量設(shè)備，專人旁站監(jiān)指揮測(cè)量，專人分析和處理數(shù)據(jù)。在應(yīng)用無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)時(shí)，只需要專人操控?zé)o人機(jī)即可，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)化分析數(shù)據(jù)。采用傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)施時(shí)，無法深入到狹窄區(qū)域或者復(fù)雜區(qū)域監(jiān)測(cè)，對(duì)于清晰度不足的影像，還需要多次進(jìn)行測(cè)量，且成圖時(shí)間比較長(zhǎng)。而應(yīng)用無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)時(shí)，能夠進(jìn)入到復(fù)雜、危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)拍攝，且成圖質(zhì)量高，能夠縮短成圖時(shí)間，應(yīng)用價(jià)值高。

4 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)未來展望

此次研究將無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到礦山測(cè)繪中，根據(jù)應(yīng)用實(shí)踐可知，該項(xiàng)技術(shù)可以快速獲取測(cè)繪區(qū)域內(nèi)的影像數(shù)據(jù)資料，同時(shí)包含調(diào)查區(qū)域內(nèi)的地物信息，以此建立三維模型，可以提出清晰的礦山開發(fā)利用策劃圖，為礦山建設(shè)與開發(fā)應(yīng)用提供詳實(shí)可靠的數(shù)據(jù)資料。

數(shù)字化方向?qū)儆跍y(cè)繪技術(shù)的發(fā)展新方向，在測(cè)繪工程中，可以應(yīng)用智能化系統(tǒng)，操作人員聯(lián)合工程實(shí)況繪制圖紙，以此提升測(cè)繪工程的效率，還能夠緩解操作人員的工作壓力，對(duì)工作程序開展優(yōu)化設(shè)計(jì)。

智能化也屬于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，從客觀角度看，智能化發(fā)展能夠滿足實(shí)際工作需求。在礦山測(cè)繪工程中，開始廣泛應(yīng)用智能化技術(shù)無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，充分發(fā)揮出智能化系統(tǒng)的作用，收集相關(guān)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差比較大時(shí)，可以及時(shí)給予提示，確保操作人員進(jìn)行核實(shí)，保證數(shù)據(jù)的可靠性與準(zhǔn)確性，為后續(xù)工程奠定良好基礎(chǔ)。

5 總結(jié)

綜上所述，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可以擴(kuò)大數(shù)據(jù)采集范圍，且測(cè)量結(jié)果的精度與準(zhǔn)確度非常高，可以有效應(yīng)用于礦山規(guī)劃與勘測(cè)工作中。應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量開展礦山測(cè)繪工作時(shí)，應(yīng)當(dāng)聯(lián)合礦區(qū)實(shí)際情況，制定無人機(jī)航行路線，科學(xué)布設(shè)像控點(diǎn)，全面采集數(shù)據(jù)和信息，以此確保數(shù)據(jù)處理效果。