基于無人機傾斜攝影的礦山地形測繪方法

葉柳棟

［關鍵詞］無人機；傾斜攝影；礦山地形；測繪

無人機技術是指通過遙控或自主飛行的方式，使用無線電、紅外線、激光雷達等多種傳感器來進行實時監測和采集數據，并根據預設目標執行任務的一項現代化技術。隨著科學技術的發展，無人機技術在民用和軍事領域都得到了廣泛應用[1]。在民用領域，無人機常被用于氣象探測、航拍攝影、災害救援、物流配送等方面；而在軍事領域，則可以為偵察、監視等提供支持。由于其能夠占領空中高地并且具有超強載荷能力以及長時間待機特點，在某些場合下甚至可以替代直升機或者固定翼飛行器[2]。未來，隨著相關技術的不斷革新與創新，無人機將會扮演更加重要和廣泛的角色，并有可能成為未來智慧城市建設中不可缺少的一部分。

目前對礦山地形測繪的方法主要有兩種，第一種是基于GIS（地理信息系統）的礦山地形測繪方法，主要依靠GIS軟件和工具來獲取、存儲和分析可視化地質數據，通過對各種類型的地理數據進行處理，獲得礦山地形測繪結果。另一種是基于遙感技術的礦山地形測繪方法，主要依靠使用測量儀器、衛星影像或其他采集設備獲取地面數據和圖像，通過對其進行處理，獲得礦山地形測繪結果。由于以上兩種方法在數據采集、數據處理等方面均存在不足，故其測繪效果欠佳。基于此，引入無人機傾斜攝影技術，完成礦山地形測繪方法設計。

1 基于無人機傾斜攝影的礦山地形測繪方法設計

1.1 建立礦山地形測繪模型

1.1.1礦山地形測繪數據庫

對基于無人機傾斜攝影的礦山地形測繪方法首先需要建立礦山地形測繪數據庫，如圖1所示。

顯示了礦山計量過程和測繪數據庫結構。礦山測繪數據庫針對描述礦山景觀的數據分為3種形式存儲，主要是基礎數據、初級數據和性能數據。多形式下的存儲有助于調用過程[3]。挖掘和映射數據庫的管理主要涉及數據庫中各種數據的管理和存儲。礦山景觀測繪模型的數據庫模型主要負責礦山景觀數據的存儲和管理。運行以外的地面數據在運輸數據處理過程中分類，可分為地質勘探數據、生產數據以及其他數據。這類數據是測繪基礎數據，不管數據形式如何統計存儲在測繪數據庫中，但調用時會以圖像或數據表格形式顯現。

1.1.2可視化模型

可視化子模塊主要包括了礦山景觀模型的展示模塊、剖面切割展示模塊、CAD界面、數字仿真接口模塊等。圖2中展示了在本文的測量與映射模塊中的可視化模型的流程圖。可視化子模塊的數據流包括錄入礦山景觀數據、可視化模型的結構以及可視化模型對數據的操作流程。增加了專業的數據模擬接口，同時增設了數值模擬應用程序，能夠對現有的數據進行實時映射處理。為保障上述數據程序的使用，創建多種建模數據格式，將地形數據導入數據庫中，創建采礦景觀的三維可視化圖樣，同時加載顯示，可對顯示圖像執行縮小、縮放、旋轉、等比例拖拽等實際操作[4]。在檢查站放置掃描工具，收集測量區域的數據，根據工作要求獲得現場點云數據，并進行處理。要處理點云數據，需先將其連接，然后進行具體處理。創建物理模型，并將可視化圖像與真實圖像相匹配，在匹配圖像中恢復真實的紋理型礦山。結合經緯度線在圖像中劃定空間坐標，利用數字化測繪技術對描繪的圖形區域分析，得到對應的測繪目標。

1.2 基于無人機傾斜攝影測量技術采集數據

使用無人機測量技術可以提高圖像采集的品質，有效避免獲取到傾斜的圖像，從而減少進行傾斜圖像校正所需的時間[5]。通過在山區礦山地形中應用傾斜無人機成像掃描技術，可以實現：節省掃描成本，提高掃描質量和效率，確保掃描有效性。由于其高穩定性和靈活性，無人機可以確保非金屬數據的準確性和獲取。從礦山收集數據時，首先應該在無人機位置的底部、左側、右側、前后安裝一個便攜式攝像頭，并在準備調查之前做好準備，測繪信息主要包括：天氣情況、環境數據以及無人機飛行參數等基礎參量。當無人機測繪過程中山區地形和氣候無明顯變化時，無人機對掃描區域圖像的每個點進行區分，分為非金屬區和金屬區兩種。假設掃描區域內的實際測點與圖像上成像點的比例尺為L，其計算公式如式（1）所示：

L=l₀/h₀×h₁ （1）

其中，l₀為無人機拍攝的焦距參數；h₀為無人機飛行實際高度；h₁為非比例尺下的有效圖像點距離。根據公式（1），可以調整無人機的飛行高度多次計算，這樣可以確保收集的礦山圖像的準確性。在無人機傾斜成像掃描時，圖像向量位移與飛行速度之間存在直接關系，二者關系式如式（2）所示：

W= tl₀/h₀（2）

公式中：W是標定測繪點的參數位移；t 為掃描過程曝光時間。根據公式（2），無人機使用低速飛行模式，曝光時間采用最慢，測量圖像分辨率選擇最大的形式采集圖像，這樣可以確保山區地形收集數據的準確性。通常低飛行模式下的無人機，在標定非金屬礦山數據之前，需要檢查飛行區域是否有強磁性，防止磁性干擾，需要無人機反復飛行，按照原軌跡重復多次采集。設計無人機飛行高度時，要規劃山區地形制高點，保證飛行過程中采集到的非金屬礦物圖像是在規定比例范圍內，數據采集開始在預定路徑內，按照一定時間間隔進行采集。如果圖像數據的獲取不合格或不完整，重新采樣，確保從礦山中獲取良好數據作為基礎。

1.3 確定航測的基本航線

無人機在礦區進行空中觀測時，利用當地的地圖圖像信息作為空中觀測分析的主要參考值，確定基本坐標信息、導航方向、航線等飛機信息，保證無人機在實際測量中可以順利實現三維重疊。

在進行空中監視工作時，需要在深入研究的基礎上確定礦區內的待測區域，并與幾個相關參數的設置相聯系，包括空中監視的主要方向、空中監視的拍攝角度、礦井坐標、重疊角度等。對采集的數據重組分析，加上采用定位技術和高位成像技術的輔助，得到的圖像能夠充分反映測繪目標的實際情況，并獲得更多關于礦山建設的信息。

無人值守設施應在基于預定方向指示器的測量工作的基礎上進行測量工作?？罩薪煌ü苤茊T應特別注意在空中監視任務中使用無人機。為了發現與使用無人機有關的問題，必須及時采取行動，為空中監視的順利進行提供重要支持。此外，在無人機空中檢查的情況下，相關人員必須進行一系列檢查，按照相關規定分析現場的實際情況，在分析后組織無人機，并仔細監控現場的工作環境。同時，有關人員必須根據礦山基礎研究需求，采取積極措施提高無人機的精度，擴大無人機的覆蓋范圍。

根據觀測區的觀測結果和精度要求以及無人機的相關參數，準確掌握觀測區的景觀結構，確定無人機空中觀測區對應的空中觀測路線。該測試區域使用飛馬座無人機管理器的智能路線功能來確定飛行區域并創建最佳路線。在景觀波動較大的地區，使用固定高度飛行可能會導致不同的地面分辨率。為了確保觀測飛行的覆蓋范圍和圖像質量符合要求，可以選擇模擬地面來增加飛行。

1.4 像控點的布設

本文研究的野外照片控制點的布設應嚴格遵循我國制定的地形圖航拍標準比例尺標準。首先，主要控制點應布置在觀測區外，以確保觀測區內水平和高度的準確性，并滿足后續測繪工作的需要。照片控制點位于標題之間，在整理周圍圖像的范圍內有三到四張圖像。

為方便控制點的安裝，圖像的控制點一般安裝在比較平整的表面上。為達到準確度要求，在安裝圖像控制器前，還應安裝控制點以檢驗結果的正確性。每組圖像控制點都需要經過錄制并保存下來，這才能夠清楚地表現圖像控制點的區域特點。在采礦勘查活動中，由于受到地質條件的干擾，更易產生凹凸地形，因此在此基礎上，可在凸角上設置額外的控制點區域，并適當地布置在相鄰的區域系統。0.1 mm被用作圖像選擇和照片控制點選擇控制的重要參考標準，并且點位置被選擇在存在清晰圖像的地方。

應優先考慮持續使用通用衛星定位服務（CORS）系統來測量照片控制點。在CORS信號未覆蓋的區域，通常應使用自建基站對單個基站進行RTK測量。測量單個基站的RTK時，應使用測量區域內的測量點校準該點。

2 對比實驗

2.1 實驗說明

為驗證上文所設計方法的實用性，建立對比實驗。將文中方法即基于無人機傾斜攝影的礦山地形測繪方法與基于GIS的礦山地形測繪方法以及基于遙感技術的礦山地形測繪方法進行對比研究。

2.2 實驗準備

為驗證所提方法的先進性，選取某礦山開展研究，該礦區真實高度為173.2 m，礦區內的斷層節理裂隙不發育，未見斷層，礦山整體巖層相對完整，地質環境與構造條件簡單。以此為基礎，考慮到其能夠適應復雜的地形和氣象條件，選擇大疆Phantom 4 RTK型號無人機設備開展實驗。

2.3 實驗結果

實驗結果如圖3所示：

基于無人機傾斜攝影的礦山地形測繪方法與山體實際高度情況一致，而基于GIS的礦山地形測繪方法以及基于遙感技術的礦山地形測繪方法與實際情況出入較大，所以能夠得出基于無人機傾斜攝影的礦山地形測繪方法最為準確。

3 結論

通過無人機傾斜攝影測量技術，直觀具體地呈現出山區地形下的礦山整體情況，與基于GIS的礦山地形測繪方法以及基于遙感技術的礦山地形測繪方法對比分析，結果表明無人機傾斜攝影技術更具優勢，測量結果更為準確。