無人機攝影測量技術在礦山建設中的應用

王 遠

（遼寧排山樓黃金礦業有限責任公司，遼寧 阜新 123000）

在礦山開采設計與礦山施工監理工作中，眾多影響因素使傳統的測量方法不能收集完整的信息數據。尤其在礦山建設初期進行測量工作時，道路設施不完善，測繪工作難開展，人員無法到達一些山溝和樹木茂密地方，所以測量數據誤差大，測繪工作效率較低，大比例尺地形圖測量難度非常大。如果使用無人機攝影技術，能夠發揮傾斜攝影的全面性，消除常規攝影的局限性。通過搭載不同的荷載組件，能夠實現礦山全景信息建立，充分展現礦山全貌。

1 無人機傾斜攝影測量技術特點

1.1 測繪無人機種類及特點

常見的用于遙感測繪的無人機分為2種：多旋翼無人機和固定翼無人機。

1.1.1多旋翼無人機

優點：操作簡單，輕便，造價相對低廉，可以定點懸停，適合拍攝細節照片。缺點：續航時間短，消費型無人機搭載鏡頭后飛行時間在30min以下，工業級多旋翼無人機飛行時間能達到50min以上，在大面積，長距離的測繪項目中備受局限。多旋翼無人機適合航拍，環境監測，偵查，建筑建模，災害治理，特殊物體運輸等小區域應用，所以在小面積工廣區測量的信息采集上，宜選用多旋翼無人機。

1.1.2固定翼無人機

優點：續航時間長，抗風能力強，拍攝范圍廣。缺點：無法完成細節精細測量，工業級無人機費用高昂。固定翼無人機適合大面積航測，可用于區域監控，管道巡線，應急通訊，礦山輸電線路測量等應用場景。

1.2 無人機測量搭載的設備

1.2.1高像素攝像鏡頭

傾斜攝影測量技術需要搭載攝像鏡頭，通常像素要求高于1200萬像素，目前鏡頭技術從單鏡頭發展出五鏡頭，三旋轉鏡頭等方式，五鏡頭包含1個垂直攝影鏡頭，4個傾斜攝影鏡頭，可實現飛1條線拍出5個方向的照片。

1.2.2激光雷達掃描儀

機載激光雷達（LIDAR）是對傾斜攝影測量技術的有力補充，由于傾斜攝影測量形成的模型是通過空三加密計算而成的，并非直接測量所得，在面對高壓線塔、電線桿等細高地物時，往往無法形成準確模型，而激光雷達獲取的是物體表面的點云數據，具有可穿透樹葉等特點，所以在某些必要場景，可通過無人機搭載激光雷達進行數據采集。

1.3 傾斜攝影技術測量原理

傳統空三測量對傾斜影像數據處理效果不理想，所以需要結合飛機傳感器提供的POS外方位元素數據進行聯合平差，同時結合現場布設的控制點進行聯合平差，通過誤差方程解算出影像的外方位元素，以前方交會的形式求出點位的三維坐標。傾斜攝影測量還用到了多影像密集匹配技術，利用求得的外方位元素構建立體像對，采用多影像匹配技術獲取密集點云數據，由于多角度攝像形成了大量冗余點云數據，所以可以通過這些冗余數據校正錯誤的匹配信息，提高點云數據精度。經過多影像密集匹配后得到了能夠表達地物表面起伏的高分辨率數字模型（DSM），通過軟件分析，將合適的影像像素與DSM融合，形成統一的數字表面模型。再經過正射影像糾正步驟，建立全局優化采樣策略，聯合幾何延伸特征進行糾正，最后才能得到我們所需要的數字模型。

2 無人機傾斜攝影技術在礦山測繪中的應用實踐

2.1 項目概況與設備參數

此次研究以某礦山作為測繪對象，礦山的地理條件復雜，且區域危險性比較高，地質環境的差異比較大。測繪面積為19×104m2，劃分為10個測繪區。四旋翼飛行平臺能夠確保飛行穩定性和性能。荷載重量為1702021年第5期西部探礦工程3kg，續航時間為1.3h，飛行高度為400m，地面站控制半徑超過8km。專業傾斜攝影相機，該無人機所應用的攝像機分辨率高，且覆蓋范圍廣。攝影相機總像素大于1億，重量1.68kg，分辨率為0.01～0.1m，記憶卡存儲在應用無人機傾斜攝影技術時，必須滿足環境氣候條件，選擇在晴朗無風天氣下飛行。

2.2 影像獲取與預處理

在開始航攝之前，必須設定基本航向。明確測繪無人機現狀的同時，全面分析無人機性能、參數與飛行時間等，以此開展外業傾斜攝影。在航空攝影期間，能夠獲得不同傾斜角度影像資料，同時可以實現影像自動化拍攝，獲得傾斜影像資料。完成區域內數據采集后，對數據進行預處理。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。

2.3 像片控制測量

像片控制測量有助于提升測繪結果的精度，在布設控制點時，應當參考標準要求設置。此次測繪選擇航向重疊度為65%，旁向重疊度為60%。在布設像控點時，應當關注到以下問題：第一，根據測繪區域的地形地貌，劃分不同的測繪區域。測繪區域外的像控點，多設置在輪廓線以外，位于航向基線數量在1條以上，旁向超過100m位置；第二，在選擇像控點時，應當聯合測繪區域的地形地貌，選擇易識別、無爭議的區域，例如明顯的地物標志；第三，在山頭選擇像控點時，可以在地形起伏小的區域，以此確保測量結果的精度。在布設像片控制點時，應當選擇高程變化小的區域，以此提升傾斜攝影測量精度；第四，針對制備發育區域，存在高大構筑物的區域，則會加大像控點布設難度。在開展業內測量時，會出現測量遮擋視線問題，從而降低測量精度；第五，當測繪區域內存在大面積水域時，會加大像控點布設難度；第六，在布設像控點時，應當全面分析測繪區域的交通條件，選擇交通條件良好，便于存儲的區域。

2.4 空中三角加密處理

在礦山測繪工作中，極易受到外部環境干擾，例如建筑物和植被等，致使無人機傾斜攝影期間，地面控制點測量無法滿足實際需求，小區域測繪存在盲區等問題，從而導致測繪結果不滿足標準要求。為了處理以上問題，應當做好空中三角加密處理與校正，以此彌補測繪精度不足問題。對于空中三角加密處理來說，主要是建立影像外方位元素，以此確保預算準確性，聯合相關軟件消除干擾因素，全面提升測量精度，以此改善地形條件比較差的區域。

2.5 三維建模與數據采集

在建立三維數據模型時，需要通過多角度傾斜影像的校正操作、聯合平差操作、多視匹配操作等，以此獲得三維傾斜模型。數據采集所涉及的內容如下：第一，采集地物要素。該采集工作由手動完成，例如拍攝影像像控點、建筑物等有效控制測量精度；第二，自動化提取地貌要素三維信息，涉及到高程標注點、等高線采集等，再由人工通過現代化處理軟件平臺整合處理；第三，在處理地物遮擋問題時，對像片內的遮擋區域，進行補充測量，確保整體測量數據準確可靠全面提升測量精度與準確度。

2.6 外業調繪及補測

通過上文分析可知，在航空拍攝操作中，無人機傾斜攝影技術會出現拍攝盲區。在建筑物遮擋與植被茂盛區域無法獲得影像。所以在內業處理期間，必須準確標注上述區域，開展外業調繪和補測。

2.7 測繪數據處理

完成礦山測繪外業后，通過多視圖多維重建技術處理任意像片。將數碼影像導入到軟件內，自動化生成高質量正射影像，建立高分辨率三維模型，可以獲得毫米級精度的模型。像片導入后，通過計算機技術縮短數據處理時間，在多臺計算機上實現引擎運行，之后在作業隊列中關聯，以此獲得實景模型。在此次測繪工作中，共獲取12121張像片，將POS數據和像片導入到軟件內，按照照片自帶參數信息與位置信息排列。軟件自動開展空間三角加密處理，添加多個地面像控點坐標，以此確保工程地理坐標和模型坐標相同。通過準確計算后，可以自動化獲取航片特征點，匹配同名點，以此計算像片的空間位置與姿態角，確定像片關系。此次測繪采集數據源于多個架次，因此會出現空間三角加密點片層變形和偏移問題，因此必須詳細記錄姿態信息與航片信息。通過新建任務塊加載航片，融合姿態信息和位置信息，反算獲得地形加密點數據。在獲得無紋理信息、不規則三角網之后，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度。應用傳統方式檢驗精度時，將像控點坐標作為真實數據，通過模型可以獲取監測值，計算二者差值，可以獲得數據高程誤差，約為0.01m，平面坐標誤差為0.08m，所以可以滿足測量要求。在應用傳統測繪技術時，需要投入大量人力與物力。比如專人操控測量設備，專人旁站監指揮測量，專人分析和處理數據。在應用無人機測繪技術時，只需要專人操控無人機即可，可以實現自動化數據采集與自動化分析數據。采用傳統測量設施時，無法深入到狹窄區域或者復雜區域監測，對于清晰度不足的影像，還需要多次進行測量，且成圖時間比較長。

圖1 無人機攝影測繪實例

3 無人機傾斜攝影測量技術未來展望

此次研究將無人機傾斜攝影測量技術應用到礦山測繪中，根據應用實踐可知，該項技術可以快速獲取測繪區域內的影像數據資料，同時包含調查區域內的地物信息，以此建立三維模型，可以提出清晰的礦山開發利用策劃圖，為礦山建設與開發應用提供詳實可靠的數據資料。數字化方向屬于測繪技術的發展新方向，在測繪工程中，可以應用智能化系統，操作人員聯合工程實況繪制圖紙，以此提升測繪工程的效率，還能夠緩解操作人員的工作壓力，對工作程序開展優化設計。

4 結語

綜上所述，無人機傾斜攝影測量技術可以擴大數據采集范圍，且測量結果的精度與準確度非常高，可以有效應用于礦山規劃與勘測工作中。應用無人機傾斜攝影測量開展礦山測繪工作時，應當聯合礦區實際情況，制定無人機航行路線，科學布設像控點，全面采集數據和信息，以此確保數據處理效果。