傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在礦山地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用

張樹喬

（廣東有色工程勘察設(shè)計(jì)院，廣東 廣州 510080）

礦山地形圖當(dāng)中包含了眾多復(fù)雜的空間信息數(shù)據(jù)，同時(shí)也是礦山開采以及礦山施工作業(yè)當(dāng)中最重要的數(shù)據(jù)來源。當(dāng)前，測(cè)繪技術(shù)逐漸成為礦山地形圖，礦山勘查數(shù)據(jù)展示最重要的手段，并且受到了該領(lǐng)域研究人員的高度重視。如何通過更加合理的測(cè)繪技術(shù)或手段實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山地形圖中各項(xiàng)數(shù)據(jù)更高精度地展示是當(dāng)前該領(lǐng)域研究人員重點(diǎn)關(guān)注的問題[1]。當(dāng)前礦山開采技術(shù)不斷提高，隨之而來的是對(duì)礦山周圍環(huán)境造成的破壞程度逐漸加深，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山及周圍生態(tài)環(huán)境的及時(shí)、有效的修復(fù)，對(duì)其地形圖的快速獲取以及實(shí)時(shí)更新有著更加迫切的需求[2]。但由于當(dāng)前傳統(tǒng)的測(cè)繪方法在生成地形圖時(shí)，都需要大量外業(yè)人員通過多種測(cè)量手段和調(diào)繪手段才能夠?qū)崿F(xiàn)，因此使得現(xiàn)有地形圖測(cè)繪的效率較低，出圖速度無法滿足實(shí)際所需。同時(shí)，由于大部分?jǐn)?shù)據(jù)的測(cè)量是采用人工的方式完成，因此生成的地形圖與實(shí)際存在較大出入，無法保證地形圖中各項(xiàng)數(shù)據(jù)的精度。針對(duì)這一問題，為實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)繪方法的優(yōu)化，引入傾斜攝影測(cè)量技術(shù)。該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中可以通過對(duì)臺(tái)傳感器構(gòu)建多個(gè)角度的拍攝，從而提高影像的分辨率，為地形圖測(cè)繪精度提供保障條件。

1 基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的礦山地形圖測(cè)繪方法設(shè)計(jì)

1.1 航攝儀及地面設(shè)備選型

為實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山地形圖的測(cè)繪，首先針對(duì)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)中所需的航攝儀以及相關(guān)地面設(shè)備進(jìn)行選型。本文采用型號(hào)為Q5S145-4650型號(hào)無人機(jī)作為本文測(cè)繪方法中的主要設(shè)備。該型號(hào)航攝儀的類型時(shí)長(zhǎng)為最大任務(wù)載荷量下持續(xù)55min，總像素為1.86億，像幅為7146×5364，相機(jī)焦距為8.5mm，像元大小為1.25μm，最小曝光間隔為18ms。圖1為航攝儀在飛行過程中的控制流程。

按照?qǐng)D1所示的航攝儀飛行控制流程可實(shí)現(xiàn)航攝儀在飛行過程中的飛行方向、飛行角度以及圖像監(jiān)測(cè)控制。完成對(duì)航攝儀的選型后，還需要對(duì)地面設(shè)備進(jìn)行選型，地面設(shè)備主要包括機(jī)載傳感器設(shè)備和數(shù)據(jù)處理設(shè)備。其中，機(jī)載傳感器設(shè)備主要安置在航攝儀的機(jī)艙當(dāng)中，用于獲取地面影響的設(shè)備，不同的航攝任務(wù)所需的傳感器不同，通常可選擇多光譜成像儀或激光掃描儀等。在進(jìn)行航攝前，必須選擇能夠滿足各項(xiàng)航攝要求的相機(jī)設(shè)備，同時(shí)針對(duì)非量測(cè)型相機(jī)進(jìn)行校驗(yàn)，確保后續(xù)影像的精度。數(shù)據(jù)處理裝置主要用于實(shí)現(xiàn)航攝儀與地面設(shè)備之間的通訊聯(lián)系，主要包括數(shù)字傳輸電臺(tái)、電線、傳輸接口等[3]。在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸過程中，該設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸距離應(yīng)當(dāng)超過12km，傳輸速率應(yīng)當(dāng)大于2400bit/s，誤碼率應(yīng)當(dāng)小于1//1000。

圖1 航攝儀飛行控制流程

1.2 航攝數(shù)據(jù)預(yù)處理與影像校正

由于礦山環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，因此在利用航攝儀完成對(duì)航攝影像的獲取后，影像當(dāng)中含有大量噪聲和誤差傳播數(shù)據(jù)，為了提高后續(xù)地形圖生成的精度，需要對(duì)航攝數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。通常情況下，由于相機(jī)鏡頭所引起的光學(xué)畸變現(xiàn)象都是非線性的。因此，考慮到這一問題，將其誤差分為徑向畸變誤差和切向畸變誤差。圖2為存在畸變的影像模型示意圖。

圖2 存在畸變的影像模型示意圖

圖2中虛線部分表示為沒有出現(xiàn)畸變現(xiàn)象的理論影像模型，x表示為水平方向坐標(biāo)，y表示為豎直方向坐標(biāo)。從圖2可以看出，影像模型除了主點(diǎn)沒有發(fā)生改變后，其余所有點(diǎn)均向主點(diǎn)方向靠攏。因此，基于這一特點(diǎn)，為了避免相機(jī)出現(xiàn)畸變?cè)斐珊笃诘匦螆D生成精度不夠，需要對(duì)相機(jī)內(nèi)方位元素畸變差進(jìn)行校正，其表達(dá)式為：

公式（1）中，x、y表示為校正后的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；xo、yo表示為存在內(nèi)方位元素畸變的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；X、X0、Y、Y0均表示為獲取到的影像圖像當(dāng)中的坐標(biāo)點(diǎn)a1、a2表示為校正系數(shù)。按照上述公式（1）完成對(duì)影像的校正后，為后期地形圖成果生成提供高精度數(shù)據(jù)依據(jù)。

1.3 基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的礦山地形圖成果生成

在完成上述操作后，將其作為基礎(chǔ)，利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山地形圖成果的生成。將經(jīng)過畸變校正處理的影響進(jìn)行色調(diào)處理，確保其透明度、植被以及勻光勻色均符合地形圖的設(shè)計(jì)需要。在對(duì)其色調(diào)進(jìn)行處理時(shí)，采用ERDAS影像處理軟件完成。針對(duì)遙感影像的內(nèi)業(yè)處理，還需要完成對(duì)影像上具有明顯特征的特征點(diǎn)選取。結(jié)合SIFT檢測(cè)局部特征算法，通過對(duì)獲取到的影像進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、尺度縮放等調(diào)整確定其最佳的檢測(cè)效果[6]。完成上述操作后，對(duì)每張影像構(gòu)建一個(gè)金字塔和灰度金字塔影像。采用SIFT算法對(duì)其各個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行提取，并結(jié)合次鄰近距離比值完成對(duì)地形圖的初步生成，并通過初步匹配點(diǎn)完成相對(duì)定向后得到內(nèi)點(diǎn)集合。針對(duì)上述生成的灰度金字塔影像，還需要通過Harris角點(diǎn)算子提取其各個(gè)特征點(diǎn)，并利用灰度相關(guān)系數(shù)完成各個(gè)初匹配點(diǎn)的生成。再縮小Harris角點(diǎn)閾值獲取到新的角點(diǎn)，并重復(fù)上述操作，直到生成足夠多的點(diǎn)數(shù)后，完成對(duì)礦山地形圖成果的生成。

2 實(shí)驗(yàn)

結(jié)合上述論述內(nèi)容，完成對(duì)測(cè)繪方法的理論設(shè)計(jì)后，為進(jìn)一步驗(yàn)證傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在該測(cè)繪方法當(dāng)中的應(yīng)用效果，選擇以某礦區(qū)已經(jīng)廢棄的礦山作為實(shí)驗(yàn)研究區(qū)域，針對(duì)該廢棄礦山對(duì)其進(jìn)行地形圖測(cè)繪。已知該廢棄礦山需要進(jìn)行測(cè)繪的區(qū)域?yàn)椴灰?guī)則多邊形，測(cè)區(qū)內(nèi)總面積約為2.36平方千米，測(cè)區(qū)處于海拔25m～112m范圍內(nèi)，地形整體呈現(xiàn)出明顯的丘陵結(jié)構(gòu)，并且區(qū)域內(nèi)沒有高大建筑物，為無人機(jī)傾斜攝影提供良好運(yùn)行環(huán)境[4，5]。按照本文上述論述內(nèi)容，完成對(duì)該礦山地形圖的測(cè)繪后，隨機(jī)選擇測(cè)區(qū)內(nèi)的五個(gè)測(cè)點(diǎn)，并將其分別標(biāo)號(hào)為GC001、GC002、GC003、GC004和GC005，針對(duì)五個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，并將測(cè)得的數(shù)據(jù)與測(cè)繪圖當(dāng)中的等高線插求點(diǎn)高程數(shù)據(jù)H進(jìn)行對(duì)比，并得出二者差值，將結(jié)果繪制成表1所示。

表1 測(cè)繪結(jié)果測(cè)繪精度記錄表

結(jié)合表1中的數(shù)據(jù)得出，將傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到對(duì)礦山地形圖的測(cè)繪當(dāng)中，測(cè)繪圖中的高程與實(shí)際坐標(biāo)之間相差在0m～0.15m范圍內(nèi)，符合誤差在60cm以內(nèi)的高精度需要。因此，通過上述應(yīng)用實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明，本文引入傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的測(cè)繪方法在實(shí)際應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地形圖更高精度的繪制，為后續(xù)礦山開采或礦山工程施工提供更有利的數(shù)據(jù)條件。

3 結(jié)語

通過本文上述論述，提出一種全新的測(cè)繪方法，并通過應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的方式證明了該測(cè)繪方法的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。將本文提出的測(cè)繪方法應(yīng)用到實(shí)際礦山地形圖測(cè)繪當(dāng)中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)獲取到的影像數(shù)據(jù)更高精度的表達(dá)。但由于研究能力有限，在對(duì)航攝儀選型和控制時(shí)未考慮到對(duì)其航線的規(guī)劃問題，使得其航飛質(zhì)量存在優(yōu)劣不穩(wěn)定的問題。因此，在后續(xù)的研究中，為了進(jìn)一步提高本文測(cè)繪方法的應(yīng)用效果，還將針對(duì)這一方面問題進(jìn)行更加深入研究。