無人機攝影測量在礦山測量中的應用

英配珣

近年來，信息化建設突飛猛進，基礎地理信息空間數據呈現爆炸式增長態勢。伴隨航空航天事業的快速發展，國民生產中越來越多環節逐漸利用攝影測量技術進行生產建設。我國基礎測繪十四五規劃中對于建設實景三維中國提出了明確要求，明確提出了建設“實景三維中國分兩步走”的戰略。攝影測量工作是獲取三維模型、開展實景三維建設的重要內容之一，傾斜攝影測量等新型勘測技術的出現，滿足了建設實景三維中國的技術需求。相比于航空攝影測量依賴于天氣條件以及作業范圍較大的特點，以無人駕駛飛機為空中遙感平臺的技術，解決了在較小區域進行攝影測量的難題。當前無人機攝影測量已經能夠滿足1：500、1：1000、1：2000等大比例尺地形圖精度要求，在地形圖測量中有著廣泛應用。傳統的測繪作業已逐漸被無人機攝影測量所替代，無人機攝影測量在農業生產、測繪地理信息、防災減災、交通等領域發揮著重要作用，其中最廣為應用的技術為傾斜攝影測量技術。

礦山施工作業項目中不可或缺的一部分是礦山測量。礦山的測量工作是一項集地上與地下于一體的工程，不僅要服務于礦山的生產建設，而且要確保礦山的安全，確保社會的穩定。因此，礦山測量在礦山開采作業中承擔著重要責任、發揮著重要作用，在礦山開采前、中、后都承擔著重要角色。由于礦山地形復雜，礦山測量過程中任何微小誤差或粗率都會對礦山開采過程產生較大影響，因此需要高精度測量手段保證礦山開采工作的有序進行。

傳統的礦山測量方法主要利用全站儀等手段，采用傳統全站儀、RTK等測量方法進行高精度測繪工作需要耗費大量時間和人力，且需要攜帶大量沉重儀器，開展測繪工作極不便利。隨著數字礦山概念的提出以及無人機傾斜攝影測量技術的發展，礦山管理中對于空間三維信息也提出了更高要求，礦山測量要求外業作業速度快、測量精度高，三維可視化的測量模式正逐漸代替傳統測量方式，成為數字礦山的主要內容之一。

研究背景

傾斜攝影測量是一種在國際上比較新穎的測量方法。在飛行過程中，無人機可以搭載多個傳感器，有一個正射角度和四個傾斜角度，在相機傾斜狀態下拍攝多個視角的實際地質調查圖像，并以影像數據形式表現出來，與此同時無人機記錄下飛行時的點位信息。使用傾斜攝影技術，可以產生正射影像（DOM）、礦山三維模型、數字表面模型（DSM）這樣的可視化成果，從而捕捉到地面的相關真實信息，反映地表真實狀況，以便于解決后期礦山開采中如何施工等技術問題，避免測量人員到現場測量帶來的安全性問題。無人機測繪具有數據采集準確、結果三維可視化程度高、耗時少等優點。露天礦環境復雜多變，新一代輕型、微型無人機測量技術上取得了突破性進展，使無人機測繪工作內外業實現常態化且能夠自主進行。當前，傾斜攝影測量在露天礦測繪中的應用正逐步擴大，其主要內容包括：地面、土石方量測定、礦區以及植被覆蓋率的監測、礦區危險源的識別和景觀地貌的測量等，在測繪生產實踐中，傳統的測繪手段逐漸被傾斜攝影測量技術所取代，進而被廣泛利用。

土石方量的計算在眾多領域生產建設中都有所涉及，其計算精確性關系著生產建設項目的準確性，會直接影響到生產項目的經濟效益。計算土石方量是為了量算測區填挖量或者計算測區內填挖前后的土石方量差值，傳統工作中，通常采用斷面法、方格網法以及三角網法（也稱作DTM法）這三種方法來確定土方量。傾斜攝影測量技術計算土石方量的原理與三角網法相同，通過獲得高分辨率DSM來反映地表起伏特征，該方法普遍適用于各種地形地貌。

基于以上背景，應北方某地區一礦產公司實際需求，同時結合礦山測量中三維數據更新需求，本研究以該地區一露天礦山為例，對其進行了傾斜攝影測量，協助該公司核算工作量，利用無人機傾斜攝影測量技術測算土石方量。

無人機傾斜攝影測量

無人機傾斜攝影關鍵技術

多視點聯合平差和多視點近距離匹配是傾斜攝影測量的關鍵技術。由于無人機飛行涉及多個視角，多視角圖像包含了垂直和傾斜圖像，甚至需要POS系統配合提供無人機相片外方位元素。傾斜影像一般由一個下視和多個側視影像組成，其空間位置精度較高，遠遠優于傳統的單鏡頭航攝影像。像控點之間的跨度應結合下視影像地面分辨率。

多視影像密集匹配可以在完全計算和消除多余信息的基礎上準確快速地獲得同名點的坐標，從而進一步確定地表物體的三維信息。在多視影像密集匹配之后，圖像可以進一步生成DSM，這需要使用基于幾何校正、平差等方法的點云算法。

無人機傾斜攝影測量作業流程

影像獲取

起飛前，需要檢查飛機硬件是否正常以及電池電量是否充足；開始作業前，需要勘察周邊測區的地形地貌以及航測范圍的起伏程度并進行航線規劃。目前，航空攝影作業主要有兩種情況：無需控制點和需要控制點。如果不需要控制點，就可以在規定的范圍內，設計一條航線，進行航拍操作。如果是需要的控制點，那么要把控制點均勻地布置在各個作業范圍內。無人機傾斜攝影測量作業前，要充分考慮航測任務目的、施工作業周邊環境、執行任務無人機性能、作業當天氣候條件等因素，設置無人機航線相關參數，參數包括無人機飛行航高、拍攝掃描相片重疊度、無人機飛行任務起降點等，從而確定最佳的、具體的飛行航線。

布設像控點需要注意涵蓋測區各個方位，做到在測區內均勻分布標注清楚像控點，像控點選取要求做到視野開闊、分布均勻，以確保無人機可以清晰拍攝。數據處理是無人機傾斜攝影的重要組成部分，其主要內容為：影像預處理、高精度相機檢查、影像匹配、空中三角自動測量、DSM/DEM自動提取、DOM生成及拼接技術等。

作為一種搭載有測量設備的平臺，無人機還需要達到一定的技術指標和相關參數要求，這就包括了無人飛行器的位置控制與精密定位技術兩個部分。通過無人飛行器的位置控制系統來調整其瞬時轉角、俯仰角和滾轉角，其與描述相片空間姿態的要素相對應；利用無人飛行器的精密定位技術，可獲取被測時刻的無人飛行器的瞬間空間位置。無人機與測繪儀器攝影中心在空間上的定位是比較固定的，能夠進行簡單的空間位置轉換。

傾斜攝影測量對地物進行信息采集，有著多角度、多方位的優勢，從而能夠獲取更多三維信息。測區選好后組織人員在測區范圍內制作高精度檢查點標識及采集檢查點坐標，并計算測區范圍內不同坐標系之間的轉換參數。為了保障露天礦山地表信息采集精度，一般來說，裸露礦山因地物簡單，需要對礦山附近地形進行建模，航向重疊度為77%，旁向重疊度為47%。由于三維建模的需要，因此在實際作業過程中，無人機傾斜攝影測量對于影像分辨率、航線重疊度要求較高，以保證空間位置計算結果更加精確。對礦山中選定的某區域進行傾斜攝影測量后，對所獲得的數字影像進行校正，借助空中三角測量處理軟件，對影像數據進行分析。在航空攝影中應用最為廣泛的是空中三角解析法，對于空三加密基本定向點殘差限差的要求為傾斜影像分辨率的2倍，以此標準對航空測量的影像進行加密，并將二維的圖像轉換為三維密集點云。

測區為不規則多邊形，面積約1.2km2。在測區東側有近似均勻等高梯形田地，人工目測高差較大，礦區中部為生產堆積區域，右側為填方區域，生產堆積區域及填方區域后期需計算體積。作業時間正處在北方初春時節，風沙較大，容易對無人機低空作業產生較大影響，尤其起風后需對無人機采取較高等級防護措施。本露天礦測量項目的要求主要體現在：可交付成果為點云或DSM形式；精度要求為10cm；若生成DSM數據，需要每隔10cm布設一個測量點，數據采集時間為1天，無人機航攝坐標參考系為CTRF2000，投影坐標系為CGCS2000，垂直參考基準為大地橢球高。

項目研究使用飛馬多旋翼無人機D200，針對露天礦山的特殊地形及測繪作業環境進行了設計，可搭載包括正射相機、傾斜相機、三維激光LiDAR等多種傳感器，同時可以適應多地形飛行，以滿足礦山測繪的不同工作需求。本研究用該無人機搭載單鏡頭傾斜相機、機載LiDAR傳感器獲取測量數據，驗證其點位及高程精度，進而將其應用于露天礦土石方量的計算。考慮到測區較小且并不完全規則，因此飛行作業采用外接矩形將測區包括在內，以此降低航攝難度。

根據選定目標區域，事先在測區內布設足夠多的高精度檢查點，待飛行完成后，通過對比相應檢查點及地物特征點的平面和高程差異評定無人機的航測精度。設置系統參數，航高設計90m，無人機可自動進行航線規劃。布設12條航線，呈多“井”字形，輸入點云密度或飛行高度以及無人機飛行速度，使用數據處理軟件自動進行點云處理。

飛行前作業人員做好目標區域飛行可行性分析、地面基站準備、飛行航線上傳、無人機通電等一系列準備工作。作業人員遙控無人機起飛，在無人機飛行高度超過30m后，機載激光測量系統開始采集數據。數據獲取任務完成后操控無人機返航；在數據處理軟件中導入數據，經過軌跡解算，作業人員利用點云融合軟件進行點云融合，生成點云數據（.las文件）；依據點云進行三維建模，計算土方量。實際作業過程中，需要對無人機飛行狀態進行嚴密監測，以往出現意外發生事故。

基于無人機傾斜攝影測量的土石方量計算方法

為了測試基于無人機傾斜攝影測量的土石方量結果精確性，本文以實際作業中的無人機傾斜攝影測量結果與全站儀外業測量結果做對比，比較精確程度。

內業處理

根據一組傾斜影像可以自動生成高分辨率三維模型，該模型能夠完整準確反映出測區內地形地物特征。對經過圖像質量檢驗的照片進行幾何影像匹配，從而獲取系數點云，然后利用相關算法對其進行加密，形成密集點云。

對點云軌跡進行解算，解算出點云的軌跡文件。進行航帶渲染，如果大于限制則進行航帶平差，直至航帶拼接處不存在明顯問題。基于原始點云數據和軌跡文件計算輸出標準化點云成果。將點云數據進行自動分類，保證地面點密度滿足規范要求，然后導出數字高程模型（DEM）。

土方量計算及數據統計

土石方量計算一般需要兩方面數據：基準地形數據和待測地形數據。其中，基準地形數據是指挖方填方的基準地形數據，這類數據可以是點云數據，也可以DEM形成提供；待測地形數據就是等待計算土方量的新地形數據，其數據呈現形式與基準地形數據相同。土方量的計算在數據處理工具中有兩種：基于DEM成果進行格網計算和基于點云構建三角網進行三角網計算。

使用3D Analyst工具一柵格表面一填挖方工具進行土方量的計算。輸出柵格為最終提取出的開挖量。同時，將全站儀外業測量的高程點進行導出后確定原始面計算范圍并基于土石方計算范圍及填挖方土量。最終計算出的土石方量的對比結果，地塊面積約為1.2km2，基于無人機傾斜攝影測量的挖方量計算結果為52416.1m3，而基于全站儀外業測量所得的挖方量結果為52394.9m3，兩者相差21.2m3，

由計算結果分析可知，基于無人機傾斜攝影測量的土石方量計算和全站儀外業測量的土石方量計算精度差距很小。基于無人機傾斜攝影測量的土石方量外業1天時間即可完成，而基于全站儀測量的工作量長達4天。在精度相當的情況下，基于無人機傾斜攝影測量的土石方量計算效率大大提高。

隨著礦區的不斷開采，礦山遭遇著愈發嚴重的破壞，無人機傾斜攝影測量可以精確高效地測量出礦山被開采量，獲取較為清晰的三維模型。通過對露天礦山進行傾斜攝影測量，可以獲得高精度的DEM和DOM等數據。對比無人機傾斜攝影測量結果與傳統全站儀外業測量結果可知：

（1）無人機傾斜攝影測量建模精度高，與正射影像相比可從多個方向觀察地物；

（2）可實現對測量區域高度、長度、面積等多要素的測量，有效降低測量成本。

經過地理信息數據處理軟件如ArcGIS等工具計算開挖土方量，其可以實現對礦井開采全過程的動態監控，為礦井的生產經營以及管理提供可靠的數據支撐。本研究將無人機傾斜成像技術應用于露天礦探測中，與傳統測繪方式相比，這種新型測繪方式有著極大的優勢。但為了跟上快速更新的無人機制造水平，電池的續航能力也值得引起重視，從而為新時代測繪工作貢獻出更大的作用。但無人機傾斜攝影測量借助無人機飛行進行測量，對天氣要求較高，大風、陰雨天氣會嚴重影響測量精度，對于礦山地表覆蓋滿植被的情況下則失去作用，因此可采用無人機傾斜攝影測量與激光雷達結合的方法，提高外業測量精度，為測繪事業做出更多貢獻。