無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在礦山生態(tài)修復(fù)測(cè)繪中的應(yīng)用

邢亞?wèn)| 陳 杭 韓亞洲

（中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

1 概述

礦山經(jīng)過(guò)多年開(kāi)采后會(huì)留下巖質(zhì)高陡坡, 造成礦物質(zhì)外溢情況，不但會(huì)帶來(lái)安全隱患，也會(huì)影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)。近年來(lái)，廢棄礦山生態(tài)修復(fù)日益提上日程，廢棄礦山可根據(jù)具體情況進(jìn)行針對(duì)性修復(fù)，如礦坑修復(fù)為水庫(kù)，大面積礦區(qū)經(jīng)過(guò)覆土、修筑擋墻、綠化，修建生態(tài)公園等。礦區(qū)內(nèi)地表破碎、地形起伏較大，用常規(guī)測(cè)量手段效率低且僅能提供傳統(tǒng)地形圖，不能準(zhǔn)確表達(dá)真實(shí)地形地貌。而基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)不僅能高效快捷地獲取礦區(qū)高精度地形地貌信息，而且可以提供實(shí)景三維模型、關(guān)鍵部位細(xì)節(jié)等信息，以便于設(shè)計(jì)人員詳細(xì)了解測(cè)區(qū)立體數(shù)據(jù)。

2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

傾斜攝影測(cè)量是通過(guò)在飛行平臺(tái)上搭載航測(cè)相機(jī)，分別從正向、前側(cè)、后側(cè)、左側(cè)、右側(cè)五個(gè)方向進(jìn)行拍攝，獲得物體表面影像數(shù)據(jù)。可通過(guò)調(diào)整航高和航攝重疊率獲得高分辨率的地物信息，為三維建模提供建模基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

近年來(lái)隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)已實(shí)現(xiàn)通過(guò)設(shè)定航測(cè)范圍可自動(dòng)規(guī)劃航線、自動(dòng)飛行與返航、定時(shí)與定距拍攝，作業(yè)效率和影像精度高。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量主要包括以下流程：（1）確定施測(cè)的位置和范圍，收集測(cè)區(qū)已有的資料，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境勘探。（2）編寫技術(shù)設(shè)計(jì)書(shū)，根據(jù)測(cè)區(qū)內(nèi)的實(shí)際情況，規(guī)劃無(wú)人機(jī)飛行航線、飛行高度、航線重疊率等。（3）選擇合適的天氣和作業(yè)環(huán)境進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)獲取，包括測(cè)區(qū)像控點(diǎn)的布設(shè)和測(cè)量，無(wú)人機(jī)傾斜多角度影像的獲取。（4）進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，包括影像的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，檢查相片是否需要補(bǔ)拍，進(jìn)行空三加密和刺點(diǎn)，進(jìn)行全自動(dòng)三維模型的重建，檢查模型質(zhì)量和精度，制作數(shù)字線劃圖。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量主要流程見(jiàn)圖1。

圖1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量主要流程

3 實(shí)例分析

3.1 測(cè)區(qū)概況

本次測(cè)量區(qū)域位于湖北省武漢市江夏區(qū)一處廢棄礦場(chǎng)，面積約0.8km2，測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖2。

圖2 測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)照片

該礦山已開(kāi)采多年，地形較為破碎，中間區(qū)域?yàn)槎嗄觊_(kāi)采留下的礦坑，三面懸崖環(huán)繞，上下高差最大約40 米，常規(guī)測(cè)量手段無(wú)法到達(dá)并準(zhǔn)確測(cè)量礦山地形，且由于地勢(shì)險(xiǎn)峻規(guī)劃設(shè)計(jì)人員在實(shí)地踏勘時(shí)也不能完全了解測(cè)區(qū)實(shí)際地形情況，更不能近距離拍攝精細(xì)照片觀察崖體是否存在滑坡等風(fēng)險(xiǎn)，容易造成后期設(shè)計(jì)變更。本次航測(cè)無(wú)人機(jī)起飛地點(diǎn)選擇在測(cè)區(qū)旁地勢(shì)較高的地方，以保證無(wú)人機(jī)遙控器與飛機(jī)之間的數(shù)據(jù)連接。

3.2 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集

本次飛行采用大疆精靈4 RTK 無(wú)人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，該機(jī)型集成了全新的RTK 模塊，具有較強(qiáng)的抗磁場(chǎng)干擾能力，相較于傳統(tǒng)航測(cè)簡(jiǎn)化了作業(yè)流程，在較少的像控點(diǎn)情況下可測(cè)得厘米級(jí)精度數(shù)據(jù)，降低了作業(yè)的成本。可首先根據(jù)影像地面分辨率要求及現(xiàn)場(chǎng)情況確定航飛高度。無(wú)人機(jī)類型及航測(cè)參數(shù)信息見(jiàn)表1。

表1 無(wú)人機(jī)類型及航測(cè)參數(shù)

航飛高度的確定根據(jù)公式：

H=f*GSD/a；

其中H：飛行高度；

f：相機(jī)焦距；

a：像元大小；

由上述公式可知，影象分辨率優(yōu)于5cm 時(shí)，航飛高度不應(yīng)超過(guò)180m，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況確定本次航高為100m。

航高確定之后，規(guī)劃無(wú)人機(jī)航測(cè)范圍，然后自動(dòng)規(guī)劃航測(cè)路線，前后共飛行5 個(gè)架次，用時(shí)約120 分鐘，共獲得航測(cè)相片1690 張。航測(cè)的像控點(diǎn)布設(shè)選在測(cè)區(qū)四周范圍的邊角和區(qū)域內(nèi)有明顯特征的位置，同時(shí)所布設(shè)位置周圍范圍內(nèi)盡量沒(méi)有遮擋。理論上布設(shè)像控點(diǎn)的數(shù)量越多、測(cè)量精度越高，其空三計(jì)算出的數(shù)據(jù)精度越高。結(jié)合測(cè)區(qū)中間低、四周高，且高差較大的實(shí)地情況，共布設(shè)像控點(diǎn)5 個(gè)：其中4 個(gè)位于測(cè)區(qū)范圍的四個(gè)角點(diǎn)附近，另外1 個(gè)位于測(cè)區(qū)中部、礦坑邊地勢(shì)較低的位置處。為驗(yàn)證三維模型精度，在測(cè)區(qū)測(cè)量檢核點(diǎn)20個(gè)，其中人共布設(shè)4 個(gè)，選擇地物明顯特征點(diǎn)16 個(gè)。

像控點(diǎn)、檢核點(diǎn)布設(shè)示意圖，見(jiàn)圖3。

圖3 像控點(diǎn)、檢核點(diǎn)布設(shè)示意圖

3.3 三維模型重建

本項(xiàng)目采用無(wú)人機(jī)配套軟件大疆智圖進(jìn)行三維模型重建，主要操作流程包括：

3.3.1 航測(cè)照片導(dǎo)入與檢查

新建工程，導(dǎo)入影像數(shù)據(jù)，軟件自動(dòng)提取影像信息，對(duì)照片POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。

3.3.2 目標(biāo)坐標(biāo)系設(shè)置、像控點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入和刺選

設(shè)定目標(biāo)坐標(biāo)系，導(dǎo)入像控點(diǎn)坐標(biāo)，選擇圖像清晰、易于判刺的相片對(duì)像控點(diǎn)進(jìn)行刺選。

3.3.3 空中三角測(cè)量

像控點(diǎn)刺選完成后進(jìn)行空中三角測(cè)量，并對(duì)空中三角測(cè)量生成的質(zhì)量報(bào)告進(jìn)行檢查，生成的質(zhì)量報(bào)告像控點(diǎn)刺選精度及中誤差見(jiàn)表2、表3。

表2 空中三角測(cè)量質(zhì)量報(bào)告像控點(diǎn)精度

表3 像控點(diǎn)中誤差

由表2、表3 可知數(shù)據(jù)像控點(diǎn)刺選相對(duì)精度較高。

3.3.4 三維模型重建。空中三角測(cè)量完成后生成的質(zhì)量報(bào)告滿足要求，設(shè)置需要的模型數(shù)據(jù)類型，選擇模型重建，生成的三維模型見(jiàn)圖4。

圖4 測(cè)區(qū)三維模型

4 三維模型精度及應(yīng)用分析

4.1 精度分析

為驗(yàn)證基于三維模型繪制數(shù)字線劃圖的精度，用網(wǎng)絡(luò)RTK 在測(cè)區(qū)布設(shè)控制點(diǎn)，采用全站儀進(jìn)行檢核點(diǎn)和明顯地物點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程的數(shù)據(jù)采集。然后內(nèi)業(yè)利用清華山維EPS 軟件打開(kāi)生成的三維模型,在三維模型上提取相應(yīng)位置的點(diǎn)坐標(biāo)和高程值，并進(jìn)行對(duì)比，得到平面坐標(biāo)和高程的差值，并以此判定三維模型的平面點(diǎn)位及高程中誤差，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 平面點(diǎn)位中誤差及高程中誤差

對(duì)表4 進(jìn)行分析可知：經(jīng)過(guò)對(duì)比計(jì)算得出模型在平面X、Y 方向上的中誤差分別為0.050m、0.044m，即平面點(diǎn)位中誤差為0.066m，高程中誤差為0.053m，根據(jù)《城市測(cè)量規(guī)范》，按照1:500 比例尺地形圖測(cè)量精度要求，平面中誤差為±0.25m，高程中誤差為±0.15m，由此可知模型精度滿足要求。

4.2 三維模型應(yīng)用分析

4.2.1 實(shí)景三維模型能夠高度還原測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景地貌，在同一位置可以從多個(gè)不同角度全方位地展現(xiàn)地形地貌，可以讓規(guī)劃設(shè)計(jì)人員更加直觀地了解測(cè)區(qū)及周邊環(huán)境概況，從而更加有效地為規(guī)劃設(shè)計(jì)人員決策提供可靠依據(jù)。

4.2.2 生產(chǎn)數(shù)字線劃圖。利用清華山維EPS 軟件在三維模型上對(duì)地形地物數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，繪制大比例尺數(shù)字線劃圖（數(shù)據(jù)采集界面見(jiàn)圖5）。地形地物要素繪制完成后，在模型上直接提取地表高程數(shù)據(jù)，并參照地形特征點(diǎn)和特征線進(jìn)行高程點(diǎn)加密，通過(guò)軟件地模處理功能生成貼合實(shí)際地形的等高線，生成的等高線與模型貼合效果，見(jiàn)圖6。

圖5 基于三維模型的數(shù)字線劃圖采集

圖6 等高線與模型貼合效果

5 結(jié)論

在礦山地形測(cè)量中，尤其是在地表破碎、地形復(fù)雜的測(cè)量環(huán)境下，采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，除了能夠生產(chǎn)高精度實(shí)景三維模型，還可提供多樣化的數(shù)字成果，如生產(chǎn)高精度的數(shù)字正射影像（DOM）、數(shù)字地表模型（DSM）、數(shù)字高程模型（DEM）以及數(shù)字線劃圖（DLG）等。成果精度高、數(shù)據(jù)類型豐富，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)量的不足之處。

綜上所述，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在礦山生態(tài)修復(fù)測(cè)繪中精度滿足要求,應(yīng)用具有可行性。

雖然無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在地表植被茂盛、受天氣條件影響等方面還存在一定的局限性，但其擁有的優(yōu)勢(shì)已在地形測(cè)繪、生態(tài)保護(hù)修復(fù)、文物保護(hù)、空間規(guī)劃、地理國(guó)情監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展、軟硬件技術(shù)的不斷提升,無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到進(jìn)一步應(yīng)用。