傾斜模型在礦山測繪內(nèi)業(yè)制圖中的應(yīng)用

李 行，陳 朵

（1. 河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450000）

山水林田湖草生態(tài)修復(fù)治理是近年來國家重點強調(diào)的生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分。南太行（鶴壁市淇縣）生態(tài)修復(fù)治理區(qū)內(nèi)多為關(guān)停的采石礦山，由于持續(xù)多年的無序開采，礦區(qū)地形地貌遭到嚴重破壞，形成多處高陡平臺和危巖體，采用人工進行實地大比例尺測圖難度較大，部分高懸平臺無法實測，攀爬對人身安全也存在一定的威脅。傳統(tǒng)的外業(yè)人工測繪在作業(yè)效率、測圖精度等方面已難以滿足測圖的需求。無人機傾斜攝影測量技術(shù)是近年來興起的一種新型測繪手段，顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限[1]，在獲取近地高分辨率遙感數(shù)據(jù)的同時，可進行三維建模和模型立體量測，已在城市三維數(shù)據(jù)獲取方面得到廣泛應(yīng)用[2]。作為國際測繪領(lǐng)域的一項高新技術(shù)，傾斜攝影測量技術(shù)因其能快速、高效獲取客觀豐富的地面數(shù)據(jù)信息，在信息化測繪領(lǐng)域進行了諸多探索[3]。本文首先利用傾斜攝影技術(shù)在鶴壁市淇縣山區(qū)獲取高精度傾斜攝影數(shù)據(jù)，然后通過內(nèi)業(yè)在三維模型中提取地形圖要素進行制圖，最后利用外業(yè)實測控制點對內(nèi)業(yè)提取信息的精度進行驗證[4]。

1 傾斜模型數(shù)據(jù)獲取

1.1 治理區(qū)位置

治理區(qū)位于河南省鶴壁市淇縣境內(nèi)，地處北部太行山東麓和華北平原的過渡地帶，屬侵蝕剝蝕低山和剝蝕丘陵地貌，地勢總體北西部高、南東部低，地形起伏較大，區(qū)內(nèi)溝谷較為發(fā)育，均為季節(jié)性溝谷，大部分溝谷內(nèi)巖石裸露，第四系覆蓋層較少。由于氣候干旱，治理區(qū)內(nèi)植被以草地和低矮灌木為主。

1.2 無人機參數(shù)

治理區(qū)采用飛馬D2000無人機，系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)起飛重量為2.8 kg，標(biāo)準(zhǔn)荷載為200 g，續(xù)航時間為74 min。本次搭載D-OP3000 五鏡頭傾斜攝影模塊進行航測，可同時從垂直、前視、后視、左視、右視5 個不同視角采集影像數(shù)據(jù)，如圖1、表1所示。

表1 D-OP3000傾斜攝影模塊參數(shù)

圖1 無人機設(shè)備

1.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理與三維模型構(gòu)建

航測數(shù)據(jù)經(jīng)過原始數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)預(yù)處理后，利用瞰景Smart3D 軟件，結(jié)合像控點數(shù)據(jù)和POS/GPS 數(shù)據(jù)進行空中三角測量，這是無人機影像內(nèi)業(yè)處理的關(guān)鍵部分[5]。其目的是通過影像匹配提取連接點和部分地面控制點，將全部區(qū)域納入已知的控制點地面坐標(biāo)系中，獲得每張影像的外方位元素和加密點的地面坐標(biāo)。在空中三角測量精度滿足要求和空中三角測量關(guān)系模型無明顯錯誤后，可進行三維模型構(gòu)建[6]。

2 基于傾斜模型數(shù)據(jù)制作地形圖

無人機航測生成的傾斜模型是一種直觀的三維數(shù)據(jù)，利用CASS 軟件的CASS 3D 插件功能可直接在模型上進行坐標(biāo)提取、線段量測等操作，并在軟件繪圖界面同步等精度顯示。這種模式的視覺感受與現(xiàn)實世界非常接近，可通過拖拽、旋轉(zhuǎn)、縮放等操作清晰地判別地形要素，并以一種不同于傳統(tǒng)立體測圖的方式進行采集，可實現(xiàn)三維環(huán)境采集、二維環(huán)境同步顯示[7]。軟件界面如圖2所示。基于傾斜模型數(shù)據(jù)制作礦山大比例尺地形圖的主要原理為對根據(jù)現(xiàn)實地形生成的三維模型數(shù)據(jù)進行逆向推衍，描繪模型的過程就是“外業(yè)”數(shù)據(jù)采集的過程。

圖2 CASS 3D加載傾斜模型界面

2.1 測區(qū)內(nèi)區(qū)塊的合理劃分

地形圖測繪應(yīng)遵循先整體、后局部的原則。治理區(qū)內(nèi)的地貌主要分為周邊原生自然地貌和中心區(qū)域人為破壞地貌，前者地形規(guī)整，繪制難度較低；后者地形切割，坎崖密布，繪制較為復(fù)雜。本文利用道路、坎崖線等特征線狀地物，將治理區(qū)分為若干個子區(qū)塊進行制圖。這種制圖方法的優(yōu)勢為：①復(fù)雜問題簡單化，提高了作業(yè)效率，子區(qū)塊內(nèi)地形相對簡單，降低了繪圖難度；②最大程度地降低對計算機性能的要求，大范圍高密度的高程點數(shù)據(jù)同時參與模型和平面圖的三角網(wǎng)組網(wǎng)計算，對計算機的算力負荷較大；③繪圖過程容錯率高，將繪圖過程模塊化，一個區(qū)域模塊繪制不受其他區(qū)域因素影響。

2.2 高程點提取與等高線繪制

測繪等高線是地形圖測繪的核心步驟，等高線的精度很大程度上決定了地形圖的精度。考慮到實際操作的可行性和測圖精度要求，高程點的密度應(yīng)結(jié)合地形情況適當(dāng)選取。以治理區(qū)周邊一處原生山丘為例，首先以道路邊線為界，在模型上提取范圍線，并提取線上的高程數(shù)據(jù)；再利用CASS 3D插件“提取范圍內(nèi)高程點”功能，提取模型上區(qū)塊范圍線內(nèi)部的地表高程點，以5 m間距提取高程點；然后利用CASS軟件的“高程點生成數(shù)據(jù)文件”功能將范圍線上和內(nèi)部的高程點生成一個DAT 格式的文本文件，建立DTM 模型（圖3）；通過放大觀察可知，DTM 三角網(wǎng)對地表的貼合程度較高，未發(fā)現(xiàn)明顯異常高程點（圖4）；最后刪除區(qū)塊外多余的三角形，存盤后根據(jù)三角網(wǎng)即可生成區(qū)域內(nèi)等高線。

圖3 建立DTM模型界面

圖4 過濾三角形網(wǎng)界面

對于治理區(qū)內(nèi)因石料開采而形成的高陡邊坡，上述方法同樣適用，特別需要注意的是，應(yīng)提高區(qū)塊內(nèi)的高程點密度，提取間距建議設(shè)置為1～2 m，如圖5所示。

圖5 高陡邊坡等高線繪制界面

2.3 線狀和面狀地物的提取

治理區(qū)內(nèi)的線狀地物主要為道路邊線、溝渠邊線、擋土墻中線、地塊邊界和斜坡頂?shù)拙€等。對于這些要素可直接在傾斜模型上進行描線處理，在模型描邊的過程中應(yīng)注意線段不能懸空或墜落，一般將視圖界面調(diào)整為側(cè)前（后）方觀測目標(biāo)地物為宜，避免在平視、俯視甚至仰視視圖狀態(tài)下描繪模型上線狀地物。面狀地物在線狀地物的基礎(chǔ)上進行繪制，應(yīng)詳盡表示治理區(qū)內(nèi)渣堆、斜坡、平臺間的高陡石崖，對于林地、耕地、草地和荒地等也應(yīng)準(zhǔn)確繪制邊界和符號。

2.4 圖面要素的完善

傾斜模型數(shù)據(jù)提取完畢后，應(yīng)補充圖名、圖例、比例尺、指北針、控制點、坐標(biāo)系、里程網(wǎng)等其他必要的圖面要素。

3 精度分析

地形圖測繪完成后，需評定1∶500地形圖成果的數(shù)學(xué)精度[8]。為檢驗基于傾斜模型制作地形圖的精度，本文采用RTK技術(shù)對治理區(qū)內(nèi)的擋土墻工程進行了擋土墻頂面中線采集，并采集了一些測區(qū)內(nèi)不同高度的散點，以這些實地測量的檢查點坐標(biāo)作為地形圖精度的檢核點，對其進行精度驗證。

精度分析實地測量30個坐標(biāo)點，主要從平面精度和高程精度兩個方面進行精度驗證，其中檢測的擋土墻位置如圖6所示。

圖6 黑色加粗的擋土墻

平面精度檢測采用描圖法，首先關(guān)閉模型窗口，在右側(cè)平面制圖區(qū)順序連接實測的擋土墻拐點坐標(biāo)點位；然后打開模型窗口，在模型內(nèi)對相應(yīng)位置的擋土墻進行中線描線，在右側(cè)平面圖上同步生成擋土墻中線線段；最后對比實測擋土墻中線和模型描線的擋土墻中線。結(jié)果表明，兩條線段幾乎重疊，誤差均在10 cm 以內(nèi)，約90%的擋土墻長度范圍內(nèi)偏差集中在5 cm以內(nèi)。

圖7 高程檢測點精度分布

根據(jù)平面精度和高程精度的分析結(jié)果，對照GB/T 33176-2016《國家基本比例尺地圖1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖》的相關(guān)規(guī)定可知，精度滿足1∶500比例尺地形圖的精度要求。

4 結(jié) 語

本文具體介紹了利用無人機傾斜模型制作礦山大比例地形圖的內(nèi)業(yè)作圖流程。傾斜攝影測量方法計算土方量普遍適用于各種地形和工程項目，計算精度可靠[9]，可為南太行地區(qū)的礦山生態(tài)修復(fù)治理工作提供有力的測繪技術(shù)支撐；同時該方法具有省時高效的特點，適用于類似區(qū)域快速準(zhǔn)確測繪大比例尺地形圖。