無人機傾斜攝影測量技術在礦山綜合治理工程中的應用研究

徐 昌

（山東省地質礦產勘查開發局第六地質大隊，山東 威海 264200）

自然資源開發和利用是經濟社會發展的重要內容。我國是自然資源大國，對礦產資源開發利用具有悠久的歷史，但隨著經濟的發展和社會的進步，由于礦山過度開采導致的環境問題也日益嚴重。比如，由于早期不規范開采嚴重破壞了礦山周圍原始環境，形成了大量的廢棄石堆、危巖，極易導致發生滑坡、泥石流等地質災害，威脅人民群眾的生命財產安全；其次，由于開采導致的揚塵污染，水污染、土壤污染以及不同程度的固體污染，嚴重破壞了礦區周圍動植物良好生存環境，并逐步擴大影響區域。

黨的十八大以來，習近平總書記提出“綠水青山就是金山銀山”重要思想，為推動生態文明建設提供了根本遵循。黨中央、國家各級政府相繼出臺了一系列針對礦山生態修復治理的政策法規，對礦山修復治理提出了明確要求。因此，采用科學的技術方法對已礦山進行生態環境修復具有十分重要的研究價值。本文通過對威海市里口山風景區綜合治理工程中無人機測繪及三維建模新技術的應用研究，進而為礦山修復治理工作提供參考依據。

1 無人機傾斜攝影測量技術

無人機傾斜攝影測量技術的發展要追溯到20世紀90年代，我國于2010年開始傾斜攝影測量技術的應用研究，雖稍晚于西方國家，但發展十分迅速[2]。特別是以大疆創新科技有限公司為代表的中國科技公司在無人機硬件研究上為傾斜攝影技術的載體系統開發做出了巨大貢獻。無人機傾斜攝影測量技術主要是基于無人機成本低、攜帶輕便、精度高、效率高等顯著優勢，通過搭載多個視角的相機進行多角度信息采集，利用特定軟件對獲取的信息進行內業處理，并將處理結果通過二三維形式展示并構建研究目標的空間三維模型的過程。隨著無人機硬件與攝影裝備的不斷發展，基于無人機的傾斜攝影測量技術的研究日益成熟，越來越多的專家學者將該技術應用于環境監測、礦山調查、應急搶險、城市建設、林業管理等多個領域。

2 無人機傾斜攝影測量技術特點

相較于傳統的測繪技術手段，無人機傾斜攝影測量技術在數據獲取與成果展示方面具有顯著優勢。

（1）高效率。利用無人機傾斜攝影測量技術開展測繪工作，能夠極大的減少外業工作時間，減輕技術人員工作負擔，節約時間，提高效率。實踐表明，采用無人機攝影測量技術進行數據采集較傳統作業方式提高效率在3倍以上，且安全性更高。

（2）更直觀。利用無人機傾斜攝影測量技術可以快速構建實景三維模型，進而更直觀形象的展示研究區域的真實現狀，方便各類技術管理人員對模型進行進一步的開發利用。

（3）更精準。無人機傾斜攝影測量技術從數據采集到生產模型已基本實現程序化、自動化，極大地降低了人為誤差的影響。且隨著攝影技術的不斷發展，所提供的三維成果更全面、細致的復制了礦區真實狀況，便于管理者實時精準掌握項目推進情況。

3 應用實例

3.1 項目概況

威海市里口山風景區位于威海市主城區南側，憑借其獨特的區位及資源優勢成為省級風景名勝區。上世紀80-90年代，里口山風景區是威海市的主要建筑石料礦產資源集中開采區，采礦活動造成的廢棄礦山嚴重破壞了區內原有的生態環境平衡，也極易發生崩塌、泥石流等地質災害，對當地居民構成了危險。為了改善恢復里口山周邊生態環境，威海市開展了里口山風景區廢棄礦山綜合治理工作。

3.2 技術路線

本項目對治理區內礦山采取無人機低空數字航空攝影測量，通過生成1:500比例尺的TDOM（真數字正射影像圖）進行信息采集工作，并對廢棄礦山構建數字表面模型，生成數字線劃地形圖。無人機低空數字航空攝影測量采用先進的GPS、RS技術，利用GPS技術進行像控測量，通過低空數碼傾斜攝影立體測量技術，進行真彩色數字影像采集，獲取測區的基礎地理信息數據。利用全數字攝影測量工作站，制作1:500比例尺的TDOM（真數字正射影像圖）、DSM（數字表面模型）。低空數字航空攝影測量的技術流程見圖1。

圖1 低空數字航空攝影測量技術流程圖

3.3 航攝及數據處理

3.3.1 航攝設計

為了確保影像成果覆蓋工程范圍，避免出現影像缺失或因照片不足而變形的情況，規劃航線前，首先在DJI GS Pro中輸入航攝區域，了解航測地貌，進行合理的飛行架次劃分，優化航拍方案，確定傾斜航測的飛行參數，包括飛行速度、高度、旁向間距、航向間距等。按照項目實際需求，本次航攝獲取的影像用于制作成圖比例尺為1：500比例尺的數字產品（DSM、TDOM、DLG），航空影像的地面分辨率（GSD）為0.03米，采用GPS精密單點定位，IMU和GPS數據聯合解算的平面位置偏差小于0.08米，高程位置偏差小于0.3米，速度偏差小于0.4米/秒。像片重疊度滿足航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%，像片傾角小于5°，像片旋角小于15°。同一航線上相鄰像片的航高差應小于30米，最大和最小航高之差小于50米，實際與設計航高之差小于50米。

3.3.2 航攝外業

（1）像控點布設與測量。為提高刺點精度，保證成圖精度，在航攝前采用刷油漆的方式提前布置像控點標志。標志刷成“L”型。像控點測量按《衛星定位城市測量技術規范》、《工程測量規范》等，按圖根測量的精度執行，利用SDCORS聯網觀測。像控點測量時，對觀測處進行至少五次拍照，分別為1張近照、4張遠照。近照應清楚反應測量桿尖落地處。遠照反映刺點處與其周邊相對位置關系。情況復雜可多拍攝遠幾張照片。像控點外業觀測以及拍照完成后，準確做好記錄，并對像控點編號和照片編號進行關聯。

（2）航攝實施。地面站設置及無人機組裝完成后，風力小于4級時，按計劃開始航測作業。無人機依據指定的航線及參數設置，自動完成航拍任務，操作人員觀察無人機位置及地面站實時飛行參數即可。每次飛行結束，按《低空數字航空攝影規范》（CH/Z 3005-2010）附錄B的要求認真填寫飛行記錄。

（3）影像質量檢查。航攝飛行結束需對航攝獲得的影像進行質量檢查。確保影像清晰，層次豐富，反差適中，色調柔和，能辨認出與地面分辨率相適應的細小地物影像，能夠建立清晰的立體模型。影像上沒有云、陰影、煙、大面積反光、污點等缺陷，影像在曝光瞬間造成的像點位移小于一個像素，最大小于1.5個像素。拼接影像無明顯模糊、重影和錯位現象。

3.3.3 航測數據后處理

采用ContextCapture完成本次航測的后期GIS數據處理。軟件建模對象為靜態物體，輔以相機傳感器屬性、照片位置姿態參數、控制點等信息，在進行空中三角測量計算、模型重建計算后，輸出相應GIS成果。

3.3.4 DSM、TDOM制作

本次數字產品制作（DSM、TDOM、DLG制作）主要包括DSM和TDOM的創建與鑲嵌等。

數字表面模型（DSM）建立主要內容涉及定向建模、采集特征點線、構建TIN、內插DSM、DSM編輯、接邊、鑲嵌、裁切、質量檢查等技術環節。數字正射影像圖（TDOM）的建立主要內容涉及影像糾正、色彩調整、影像鑲嵌、裁切、質量檢查等技術環節。

4 結束語

通過無人機傾斜攝影測量技術在里口山風景區礦山綜合治理工程中實際應有，進一步證實了利用無人機傾斜攝影測量技術可以快速安全獲取了治理礦山的地形信息，并精準構建礦山的三維實景模型，更好的服務于礦山生態修復治理的勘查設計、施工管理、災害監測等多個方面。基于項目實際需求，建議在部分視野較差獲飛行困難區域，可配合使用三維激光掃描技術，實現影像遙感數據、三維點云數據、激光掃描數據等多種數據融合，進一步提高生態修復工程的準確性。