基于無人機傾斜攝影的大比例尺礦山地形測量研究

羅坤

摘 ?要：具有高精度地理坐標的實景三維模型為大比例尺地形圖制作奠定了基礎。該文通過小型無人機搭載5鏡頭相機的傾斜攝影測量系統，對某礦區（約1.7 km2）進行傾斜攝影測量，獲取高精度的三維實景模型，并在三維實景模型上進行地形地貌采集，快速制作了大比例尺地形圖，獲得了滿足1∶1000精度要求的礦山地形測繪成果。基于實景三維模型的大比例尺地形圖的生產，較之傳統外業實測地形圖，將減少外業成本;而較之常規攝影測量立體測圖，人工干預較少，提高了作業效率。

關鍵詞：無人機 ?傾斜攝影測量 ?三維 ?礦山 ?地形測量

中圖分類號：P231 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2021）02（a）-0074-03

Large Scale Mine Topographic Survey Based on UAV Tilt Photography

LUO Kun

（Geological Survey Brigade of Guizhou Coalfield Geology Bureau， Guiyang， Guizhou Province， 520100 China）

Abstract： The real 3D model with high-precision geographic coordinates lays a foundation for large-scale topographic map making. In this paper， a small UAV equipped with 5 lens camera tilt photogrammetry system is used to measure the tilt of a mining area （about 1.7 km2）， to obtain a high-precision three-dimensional real model， and collect the terrain and landform on the three-dimensional real model. A large-scale topographic map is quickly produced， and the mine topographic mapping results meeting the accuracy requirements of 1∶1000 are obtained. The production of large-scale topographic map based on real scene 3D model will reduce the field cost compared with the traditional field measured topographic map， while compared with the conventional photogrammetric stereo mapping， the manual intervention is less and the operation efficiency is improved.

Key Words： UAV; Tilt photogrammetry; 3D; Mine; Topographic survey

隨著礦山開采對環境的破壞，為對礦山環境進行及時修復，對大比例尺地形圖的快速獲取和更新有著迫切的需求[1]。

但傳統的大比例尺地形圖生產，都需要外業工作人員到實地測量或者調繪，存在作業效率低、出圖時間長、成本高、安全保障差等缺點[2]。隨著無人機傾斜攝影及實景三維建模軟件的發展，三維模型的獲取更快速、更便捷。

具有高精度地理坐標的實景三維模型為大比例尺地形圖制作奠定了基礎。該文通過小型無人機搭載5鏡頭相機的傾斜攝影測量系統，對某礦區（約1.7 km2）進行傾斜攝影測量，獲取高精度的三維實景模型，并在三維實景模型上進行地形地貌采集，快速制作了大比例尺地形圖，獲得了滿足1∶1 000精度要求的礦山地形測繪成果。

1 ?無人機傾斜攝影系統

傾斜攝影測量技術通過集成飛行平臺、導航系統和傾斜攝影測量系統，從而獲取地表物體多視角影像，為三維建模提供豐富紋理信息[3]。同時，通過先進的定位技術賦予影像精確的地理位置信息，在傾斜影像上真正實現“非現場”的量測與分析。其中，飛行平臺為無人機，GNSS導航和慣性導航系統用于獲取位置和姿態信息，傾斜攝影系統則獲取地表物體多角度的影像信息[4]。

此次采用青蜓5S多旋翼無人機，45min飛行時長（含最大任務載荷）。搭載青蜓航空攝影儀，航攝儀具體參數見表1。

2 ?工作流程

基于無人機傾斜攝影實景三維模型的礦山地形圖測繪作業流程如下[5]。

（1）技術方案設計（包括航攝設計）;（2）在測區選擇特征點進行像片控制測量，無特征點區域先布設地面標識;（3）無人機航空傾斜攝影;（4）多視影像聯合平差及密集匹配;（5）三維TIN及白模建立;（6）紋理映射實景三維模型生成;（7）基于實景三維模型進行礦山大比例尺地形圖要素采集生產;（8）礦區大比例尺地形圖成果。

具體作業流程見圖1。

3 ?應用實例分析

3.1 測區概況及成圖要求

測區為某礦區廢棄礦山，為進行廢棄礦山地質環境治理，制作該礦山實景三維模型及地形圖。測區為不規則多邊形，測區面積約1.7km2。測區海拔約30～110m，高差約80m，地形為丘陵，無高山，無高大建筑物，飛行空域良好。

測圖比例尺為1∶1000，地形為丘陵，精度要求平面位置中誤差為±0.6m，等高距為1m，等高線插求點中誤差為±0.5m。

3.2 像片控制測量

此次像控點采用區域網布點方式，像控點基本按照400～500m間距布設1個像控點，共布置14個像控點，其中10個控制點參與平差計算，4個控制點用做空三檢查點。

像控點施測采用基于網絡CORS站的網絡RTK測量方法，每個控制點獨立觀測2次，平面坐標系統采用“2000國家大地坐標系”，高程基準為“1985國家高程基準”。

通過檢查及計算，像控點平面中誤差0.023m，高程中誤差0.034m，滿足像片控制點相對于最近基礎控制點的平面位置中誤差，平地、丘陵地不超過0.12m，高程中誤差，平地、丘陵不超過0.1m的要求。

3.3 傾斜攝影航飛

航攝設計以青蜓無人機配套的地面監控軟件青蜓1系列航空攝影系統，以谷歌影像數據為基礎背景圖，確定任務區域范圍，依據設計的地面分辨率、相對航高、基線、航線間隔等信息，完成航線設計（見圖2）。

此次設計相對航高368m，航向重疊度80%，旁向重疊度60%，航線間間距198m，航向拍照間距74m，像片地面分辨率8cm，該測區共飛行4架次，獲取0.08 m分辨率的傾斜攝影影像1015張。

3.4 實景三維模型制作

此次應用實驗采用ContextCapture軟件，該軟件是基于圖形運算單元GPU的快速三維場景運算軟件，無需人工干預從簡單連續影像中生成最逼真的實景真三維場景模型[6]。實景三維模型包括以下過程，首先為多視影像聯合平差，此次10個像控點參與平差計算，4個像控點進行空三檢查，檢查結果為檢查點平面誤差4.1cm，高程誤差22.5cm，參照《數字攝影測量空中三角測量》規范，滿足1∶1000空三規范要求;其次多視影像聯合平差及密集匹配后，生成三維TIN及白模，最后通過紋理映射后生成實景三維模型。

3.5 礦山地形要素采集

此次基于實景三維模型的礦山地形要素采集，使用清華山維EPS三維測圖軟件模塊。基于實景三維模型的EPS的DLG測繪數據采集，采用二三維一體化，實現測量外業工作的內業化，二三維符號一致、二三維編輯聯動，快速簡易的采集方法。

該測區礦山地物主要為地形地貌，另外包含道路、水系、少許簡單房屋建筑物等，所以側重于地形要素的采集。通過EPS軟件加載實景三維模型osgb格式數據，無須佩戴立體眼鏡，直接在帶有真實地理坐標信息的實景三維模型上進行地形要素采集。此次參照《工程測量規范》中，1∶1000地形點采集間隔，此次在實景三維模型上共采集地形點14210個，通過地形點生成等高線（等高距1m），圖2為該次在實景三維模型上采集地理要素形成的礦區地形圖。

3.6 精度分析

此次礦區主要側重于地形要素的采集，通過在實景三維模型上直接采集高程點，然后通過采集的高程點生產等高線。

通過實地采集地形高程點，與生成的等高線高程進行對比，進行等高線精度統計。通過實地采集20個特征點包括房屋角點、道路交叉點等，計算出平面精度29.2cm（見表2），通過實地采集40個高程點，計算得出等高線插求點的高程精度為42.8cm，滿足1∶1000丘陵地區地物點平面位置點位中誤差60cm及等高線插求點高程中誤差50cm的精度要求（注：1∶1000丘陵等高距1m，等高線插求點中誤差為1/2等高距）。

4 ?結語

此次應用實驗采用小型無人機搭載5鏡頭傾斜相機，獲取礦區8cm高分辨率原始影像，快速建立實景三維模型，基于實景三維模型，對礦區進行了地理要素采集。

其中在地形地貌要素采集中，通過在實景模型上直接采集地面點的高程數據，生產礦區等高線，通過精度驗證，能夠滿足1∶1000比例尺成圖精度要求。

基于實景三維模型的大比例尺地形圖的生產，較之傳統外業實測地形圖，將減少外業成本;而較之常規攝影測量立體測圖，人工干預較少，另外可減少了外業調繪工作量及內業成圖編輯工作量，大大降低了生產成本，提高了作業效率。

參考文獻

[1] 王鳳艷，趙明宇，王明常，等.無人機攝影測量在礦山地質環境調查中的應用[J].吉林大學學報：地球科學版，2020，50（3）：866-874.

[2] 王文暉.旋翼無人機航測在礦山測量中的應用[J].測繪技術裝備，2017，19（4）：93-94.

[3] 楊青山，范彬彬，魏顯龍，等.無人機攝影測量技術在新疆礦山儲量動態監測中的應用[J].測繪通報， 2015（5）：91-94.

[4] 曹寧.無人機傾斜攝影測量技術在大比例尺測圖中的應用及精度評價[J].測繪與空間地理信息， 2020，43（8）：174-176.

[5] 陳明杰.無人機傾斜攝影測量三維建模及模型可視化研究[D].西安科技大學，2019.

[6] 趙元務.無人機傾斜攝影測量在農村房地一體測量中的應用研究[D].西安科技大學，2018.