傾斜攝影測量技術在露天礦監測中的應用

侯雪晴，鄧文彬*，李盎然

（1. 新疆大學建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830046）

第一張航空傾斜影像由Black J W 于1860 年在美國波士頓拍攝獲得。20 世紀30 年代美國地質調查局和陸軍工程兵部隊利用Fairchild T-3A 五鏡頭組合攝影進行測圖、勘測和偵查，早期獲得的膠片傾斜影像主要用于軍事目的[1]。2010 年4 月，隨著北京天下圖數據技術有限公司的第一次引入，該項先進技術在我國開始不斷地探索與發展。2010 年10 月劉先林院士團隊率先研發成功了第一款國產傾斜相機SWDC-5，并成功完成了平頂山實驗，是國內傾斜相機的一大突破[2]。現如今科學技術的發展越來越快，高新技術層出不窮，無人機傾斜攝影測量技術的三維建模精度也在不斷提高，三維實景模型在各行業中的應用日益豐富。為保證高質量高效率地進行各項工程，仍需對傾斜攝影測量技術進行研究與探索，不斷提高三維建模的精度，使其發揮更大的作用。

1 傾斜攝影測量技術

在同一個飛行平臺上搭載5 個傳感器，同時從垂直和4 個不同的傾斜角度采集影像，記錄航高、航速、航向和旁向重疊度、坐標等參數，再對傾斜影像進行分析和整理[3]。

1.1 傾斜攝影系統原理

傾斜攝影系統起源于ADS40 三線陣數碼相機，可從前、后、下3 個角度測量地物的三維數據。將其應用于地物勘探等過程中，能發揮極大的價值[4]。發展至今，傾斜攝影系統已由單鏡頭拍攝發展成為多角度自動拍攝。將其與航攝儀相結合，能通過旋轉裝置及時獲取不同方向的傾斜影像，再將所得的影像與垂直影像相結合，能為地物勘探、航空航天等領域提供參考，應用價值顯著[5]。

1.2 傾斜攝影成像原理

傾斜攝影是攝影機主光軸明顯偏離垂直或水平方向并按一定傾角進行的攝影。傾斜攝影裝置一般包括下視、前視、后視、左視、右視[6]5 個高分辨率相機，其中下視為垂直攝影，用于制作DOM 等；其余4 個方位的相機用于獲取地物側面紋理影像，傾角一般為15～45°，如圖1所示。

圖1 傾斜攝影成像原理圖

2 三維重建流程

2.1 研究區概況

本文選取的測區為河北省井陘縣**礦，地理范圍為114.217 8～114.221 7 E、38.042 4～38.057 9 N；位于河北省井陘縣上安鎮白王莊村，主要開采石灰石、石膏等。已有資料包括該礦區的谷歌衛星影像，影像級別為16，分辨率為1.88 m/像素。

2.2 影像數據獲取

2.2.1 攝影要求

1）軟、硬件環境及其要求。本文采用五鏡頭傾斜攝影測量相機，重量為2 100 g，鏡頭的等效焦距為28 mm，總像素大于1 億，最大影像分辨率為2 cm。航空攝影的飛行時長為45 min，起飛重量為17 kg，飛機上升上限為1 500 m，控制半徑為10 km，巡航速度為6 m/s，升降速度為5 m/s。具體的飛行速度根據航高、重疊度等要求進行適當調整。

2）攝影環境要求。選取光照條件較好的時段進行航空攝影（陰天且光線充足），以保證航攝儀獲取的照片顏色飽滿、影像陰影較少。

2.2.2 航線規劃

由于測區為不規則形狀，為避免航線過長、一次處理的數據量過大，可對航線進行適當調整，使得區域內模型完整，如圖2 所示。本文設置的航向重疊度和旁向重疊度均為80%，航高為80 m。根據測區實際情況，可做一些簡單的調整，如在地勢較高的區域相應提高一些航高。

圖2 航線規劃示意圖

2.3 內業處理

本文采用的數據處理軟件為ContextCapture Cen?ter。該軟件可利用簡單的照片生成具有高分辨率的真實三維模型，對數據拍攝要求較低，且數據處理過程具有半自動化、高伸縮性和高效性等特點。整個數據處理過程是全自動的，通常可在數小時內完成數據處理。

Context Capture Center 包括Master、Engine、Acute3d Viewer等模塊，其中Master為主控模塊，負責導入照片、提交空三加密、重建模型等；Engine 模塊為引擎模塊，負責控制任務的先后順序、結束以及提交任務的優先等級，主控界面的所有任務均需在引擎打開的狀態下進行。

技術流程如圖3所示，可以看出，空三加密是整個過程中的關鍵步驟，決定了三維重建的精度。按照數學模型，空三加密方法可分為航帶法、獨立模型法、光束法3 種[7]。首先將原始數據整理好，然后將做好的block 文件或txt 文件導入新建的工程中，導入后再一次檢查照片和POS數據是否一一對應，若呈現的拍照點位置與真實航線一致，則可提交空三加密任務；最后待進度條行進至100%，空三加密結束，導出空三加密成果。

圖3 研究技術流程圖

空三加密后利用軟件生成測區高分辨率的實景三維模型，局部如圖4所示，分辨率為0.2 m。

圖4 實景三維模型

3 應用前景

與傳統測繪方式不同，利用傾斜攝影測量技術可快速獲取測區多角度影像，再經內業處理得到測區的實景三維模型。該三維模型可根據任務的不同，在不同軟件中進行應用分析，獲取所需信息，為后續工作提供可靠依據。

3.1 基本信息提取

利用SuperMap軟件進行礦區面積的量測，能實現對礦區開采過程中的監督管理。通過量測可知，礦區的整體面積約為113 505 m2，單個礦坑面積約為6 119.67 m2，如圖5、6所示。

圖5 測區面積

3.2 填挖方量分析

開采過程中形成的較深礦坑，在廢棄后應進行一些治理工作，首先根據利用傾斜攝影測量技術得到的測區實景三維模型進行地形情況分析，確定需進行平整的礦坑范圍；然后利用軟件進行填挖方量分析。利用三維數字地球軟件對單個礦坑進行填挖方量分析的結果如圖7、8 所示，其中藍色區域為需要開挖區域，紅色區域為需要填補區域。

圖6 單個礦坑面積

圖7 填挖方示意圖

圖8 填挖方量匯總

4 結 語

隨著科學技術的不斷發展，傾斜攝影測量技術也在不斷創新與發展。通過對軟件和技術流程的不斷研究與探索，三維重建的精度也在不斷提高。高精度的實景三維模型在未來將會發揮更大的作用。本文僅結合三維模型做了一些基礎的應用分析，突出其可行性，在未來的研究發展中，需不斷加深對三維模型的研究；還可獲取測區的多期影像，得到不同時期的三維實景模型，進而利用模型對露天礦邊坡的穩定性進行分析。