基于傾斜攝影測量技術(shù)的礦山地形實景三維建模研究

楊枝棟

（甘肅省有色金屬地質(zhì)勘查局蘭州礦產(chǎn)勘查院，甘肅 蘭州 730046）

傾斜攝影測量技術(shù)主要以高分辨率攝影裝置作為遙感影像采集設備，并采用無線傳感裝置接收和讀取到高分辨率攝影裝置采集到的影像數(shù)據(jù)，是一種常見的測量技術(shù)，由于其具有數(shù)據(jù)分辨率高、清晰度高、采集效率快、無損害等優(yōu)點，傾斜攝影測量技術(shù)同時還具備智能化、信息化、數(shù)字化獲取國土、環(huán)境、資源等空間信息功能，已經(jīng)被廣泛應用于各個領(lǐng)域中，可以為快速建立實景三維模型提供準確的數(shù)據(jù)支撐[1]。

在國外傾斜攝影測量技術(shù)已經(jīng)投入到礦山測繪領(lǐng)域中，并且取得了一定的應用成效，而在國內(nèi)對于傾斜攝影測量技術(shù)的研究尚處于初級階段，雖然取得了一些研究成果，但是對于該項技術(shù)在礦山測繪領(lǐng)域中的具體實踐操作沒有相關(guān)研究理論作為指導，尤其是傾斜攝影測量技術(shù)在礦山地形實景三維建模中的應用，并且目前礦山地形實景三維建模仍采用傳統(tǒng)建模方法，建立的三維模型分辨率較低，對礦山測繪是使用價值較低，傳統(tǒng)建模方法已經(jīng)無法滿足礦山地形實景三維建模需求，急需要研究出一套新的建模理論解決該問題，為此提出基于傾斜攝影測量技術(shù)的礦山地形實景三維建模研究，為礦山地形實景三維建模提供參考依據(jù)。

1 基于傾斜攝影測量技術(shù)的礦山地形實景三維建模

1.1 基于傾斜攝影測量技術(shù)礦山地形實景數(shù)據(jù)采集

為了快速、精準的采集到礦山地形實景數(shù)據(jù)，此次采用傾斜攝影測量技術(shù)對礦山地形實景數(shù)據(jù)進行采集，根據(jù)礦山地形實景三維建模需求，對傾斜攝影測量技術(shù)中涉及到的儀器設備進行選型[2]。首先選取大疆創(chuàng)新公司旗下生產(chǎn)的HPPD4型號無人機作為傾斜攝影鏡頭與傳感器的搭載裝置，該無人機可以實現(xiàn)360°全角飛行，擁有八個飛行姿勢，并且飛行高度較高且可以自由調(diào)節(jié)，續(xù)航時間較長；然后為了采集到高清晰度的地下實景數(shù)據(jù)，此次采用JIDF-525L型號單鏡頭相機，該相機具有2000萬像素，屬于高清非測量數(shù)碼相機，滿足野外傾斜攝影需求；最后選擇AKDD45H型號傳感器作為礦山地形實景數(shù)據(jù)的傳感裝置，該傳感器是專業(yè)影像傳感器，配置為1英寸CMOS[3]。選擇完傾斜攝影測量技術(shù)的儀器設備后，對傾斜攝影測量技術(shù)參數(shù)進行設置，在礦山地形實景數(shù)據(jù)采集過程中采用GPS/GLINASS雙模衛(wèi)星定位系統(tǒng)，采用三軸（俯仰、橫滾、偏航）云臺穩(wěn)定系統(tǒng)，此外還需要對飛行時間、飛行高度、鏡頭分辨率、云臺定位角度控制精度等技術(shù)參數(shù)進行設定，具有入下表所示。

按照上表對傾斜攝影測量技術(shù)參數(shù)進行設定，然后選擇好無人機起飛地點，并且對傾斜攝影測量系統(tǒng)地面聯(lián)機測試，并且將地面控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)導入到飛行器中，待無人機進入航攝區(qū)域后，利用計算機向無人機和攝影裝置發(fā)送數(shù)據(jù)和控制命令，令無人機在預先設定的航線進行飛行，最后利用無線傳感裝置讀取到攝影裝置拍攝的影像數(shù)據(jù)，將其保存起來，以此完成基于傾斜攝影測量技術(shù)礦山地形實景數(shù)據(jù)采集。

1.2 礦山地形實景數(shù)據(jù)歸一化處理

將采集到的礦山地形實景數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入空間數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)數(shù)字地質(zhì)調(diào)查系統(tǒng)提供的功能，首先對實際材料圖（編稿地質(zhì)礦產(chǎn)圖）數(shù)據(jù)的完整性、邏輯一致性（重點進行了拓撲錯誤檢查、線弧一致性檢查、地質(zhì)體面實體的屬性和參數(shù)一致性檢查、地質(zhì)界線的屬性與參數(shù)一致性檢查、產(chǎn)狀類型名稱和符號的一致性檢查等）、空間定位準確度等進行了詳細檢查，無誤后方轉(zhuǎn)入下一步工作[4]。然后根據(jù)礦山地形實景三維建模需求，此次將采集到的礦山地形實景數(shù)據(jù)進行歸一化處理，其定義如下所示：

公式（3）中，xi表示空間體元Gi在歸一化處理后的X坐標值；yi表示空間體元Gi在歸一化處理后的Y坐標值；zi表示空間體元Gi在歸一化處理后的Z坐標值；Xmin、Xmax分別是空間體元集合G={Gi,i∈N}中的最小、最大X坐標值；Ymin、Ymax分別是空間體元集合G={Gi,i∈N}中的最小、最大Y坐標值；Zmin、Zmax分別是空間體元集合G={Gi,i∈N}中的最小、最大Z坐標值[5]。礦山地形實景數(shù)據(jù)歸一化處理之后，為了不丟失與原有地質(zhì)空間的關(guān)聯(lián)信息，以原有空間坐標值作為屬性儲存在礦山地質(zhì)構(gòu)造的三維可視化體元結(jié)構(gòu)中，構(gòu)成新的空間體元集合VT，以此保證構(gòu)建的礦山地形實景三維模型完整性。

1.3 實現(xiàn)礦山地形實景三維建模

在上文基礎上，采用GeoIPAS V3.2軟件對數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化，生成了網(wǎng)格化數(shù)據(jù)集。GeoIPAS V3.2軟件網(wǎng)格化對各元素數(shù)據(jù)集進行的處理詳細如下：采用自然鄰點法進行網(wǎng)格化，步長250m；當網(wǎng)絡小格數(shù)據(jù)大于或等于2個時，用平均值對該小格進行賦值[6]。將每個網(wǎng)絡小格各元素的含量值歸網(wǎng)至該小格中心點處。采用GeoIPAS V3.2軟件分別調(diào)用各元素的網(wǎng)格化數(shù)據(jù)集進行分幅編圖，成圖比例尺為1：5萬。等值線采用累頻分級法，按累積頻率0.5%、1.2%、2%、3%、4.5%、8%、15%、25%、40%、60%、75%、85%、92%、95.5%、97%、98%、98.8%、99.5%分級間隔對應的含量勾繪19級等值線，19級等值線根據(jù)地質(zhì)坐標從低到高劃分為深藍-藍-淺藍-淺黃-淺紅-紅-深紅七個等值區(qū)，從而進行礦山地形實景的三維劃分，最終形成礦山地形實景三維模型。

2 實驗論證分析

實驗以某礦山作為實驗對象，該礦山面積為9643.15m2，實驗利用此次設計方法與傳統(tǒng)方法對該礦山地形實景進行建模。實驗按照表1對傾斜攝影測量技術(shù)參數(shù)進行設定，共布設了2000個測量點，傾斜攝影測量中傳感裝置的數(shù)據(jù)采集頻率設定為1.26Hz，數(shù)據(jù)采集周期設定為0.5，傳感范圍設定為1000m，共采集了6463張影像數(shù)據(jù)資料。根據(jù)測量到的數(shù)據(jù)建立礦山地形實景三維模型，隨機選取模型中七處區(qū)域的分辨率將其進行記錄，并將礦山地形實景三維模型的分辨率作為實驗結(jié)果，對兩種建模方法進行對比分析，實驗結(jié)果如下圖所示。

表1 傾斜攝影測量技術(shù)參數(shù)表

圖1 設計建模法與傳統(tǒng)建模法對比圖

從上圖中可以看出，此次提出的建模方法所建立的三維模型分辨率遠遠高于傳統(tǒng)方法，最高分辨率可以達到642ppi，因此實驗證明了基于傾斜攝影測量技術(shù)的礦山地形實景三維建模方法相比于傳統(tǒng)方法清晰度更高。

3 結(jié)束語

此次對傾斜攝影測量技術(shù)的礦山地形實景三維建模進行了研究，將傾斜攝影測量技術(shù)引入到礦山地形實景三維建模中，形成一套新的建模方法，提高礦山地形實景三維建模精度和建模效率。此次研究對改善礦山地形實景三維建模分辨率較低具有一定的作用，同時還為傾斜攝影測量技術(shù)在礦山地形實景三維建模中的應用具有一定的指導價值和推廣價值。