基于無人機(jī)傾斜攝影的礦山地形測繪方法

葉柳棟

［關(guān)鍵詞］無人機(jī)；傾斜攝影；礦山地形；測繪

無人機(jī)技術(shù)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(dá)等多種傳感器來進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和采集數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)設(shè)目標(biāo)執(zhí)行任務(wù)的一項(xiàng)現(xiàn)代化技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)技術(shù)在民用和軍事領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用[1]。在民用領(lǐng)域，無人機(jī)常被用于氣象探測、航拍攝影、災(zāi)害救援、物流配送等方面；而在軍事領(lǐng)域，則可以為偵察、監(jiān)視等提供支持。由于其能夠占領(lǐng)空中高地并且具有超強(qiáng)載荷能力以及長時(shí)間待機(jī)特點(diǎn)，在某些場合下甚至可以替代直升機(jī)或者固定翼飛行器[2]。未來，隨著相關(guān)技術(shù)的不斷革新與創(chuàng)新，無人機(jī)將會(huì)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(shè)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(tǒng)）的礦山地形測繪方法，主要依靠GIS軟件和工具來獲取、存儲(chǔ)和分析可視化地質(zhì)數(shù)據(jù)，通過對各種類型的地理數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得礦山地形測繪結(jié)果。另一種是基于遙感技術(shù)的礦山地形測繪方法，主要依靠使用測量儀器、衛(wèi)星影像或其他采集設(shè)備獲取地面數(shù)據(jù)和圖像，通過對其進(jìn)行處理，獲得礦山地形測繪結(jié)果。由于以上兩種方法在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等方面均存在不足，故其測繪效果欠佳?；诖?，引入無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，完成礦山地形測繪方法設(shè)計(jì)。

1 基于無人機(jī)傾斜攝影的礦山地形測繪方法設(shè)計(jì)

1.1 建立礦山地形測繪模型

1.1.1礦山地形測繪數(shù)據(jù)庫

對基于無人機(jī)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(shù)據(jù)庫，如圖1所示。

顯示了礦山計(jì)量過程和測繪數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。礦山測繪數(shù)據(jù)庫針對描述礦山景觀的數(shù)據(jù)分為3種形式存儲(chǔ)，主要是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、初級(jí)數(shù)據(jù)和性能數(shù)據(jù)。多形式下的存儲(chǔ)有助于調(diào)用過程[3]。挖掘和映射數(shù)據(jù)庫的管理主要涉及數(shù)據(jù)庫中各種數(shù)據(jù)的管理和存儲(chǔ)。礦山景觀測繪模型的數(shù)據(jù)庫模型主要負(fù)責(zé)礦山景觀數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。運(yùn)行以外的地面數(shù)據(jù)在運(yùn)輸數(shù)據(jù)處理過程中分類，可分為地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及其他數(shù)據(jù)。這類數(shù)據(jù)是測繪基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，不管數(shù)據(jù)形式如何統(tǒng)計(jì)存儲(chǔ)在測繪數(shù)據(jù)庫中，但調(diào)用時(shí)會(huì)以圖像或數(shù)據(jù)表格形式顯現(xiàn)。

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(shù)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(shù)據(jù)流包括錄入礦山景觀數(shù)據(jù)、可視化模型的結(jié)構(gòu)以及可視化模型對數(shù)據(jù)的操作流程。增加了專業(yè)的數(shù)據(jù)模擬接口，同時(shí)增設(shè)了數(shù)值模擬應(yīng)用程序，能夠?qū)ΜF(xiàn)有的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)映射處理。為保障上述數(shù)據(jù)程序的使用，創(chuàng)建多種建模數(shù)據(jù)格式，將地形數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫中，創(chuàng)建采礦景觀的三維可視化圖樣，同時(shí)加載顯示，可對顯示圖像執(zhí)行縮小、縮放、旋轉(zhuǎn)、等比例拖拽等實(shí)際操作[4]。在檢查站放置掃描工具，收集測量區(qū)域的數(shù)據(jù)，根據(jù)工作要求獲得現(xiàn)場點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理。要處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需先將其連接，然后進(jìn)行具體處理。創(chuàng)建物理模型，并將可視化圖像與真實(shí)圖像相匹配，在匹配圖像中恢復(fù)真實(shí)的紋理型礦山。結(jié)合經(jīng)緯度線在圖像中劃定空間坐標(biāo)，利用數(shù)字化測繪技術(shù)對描繪的圖形區(qū)域分析，得到對應(yīng)的測繪目標(biāo)。

1.2 基于無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)采集數(shù)據(jù)

使用無人機(jī)測量技術(shù)可以提高圖像采集的品質(zhì)，有效避免獲取到傾斜的圖像，從而減少進(jìn)行傾斜圖像校正所需的時(shí)間[5]。通過在山區(qū)礦山地形中應(yīng)用傾斜無人機(jī)成像掃描技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)：節(jié)省掃描成本，提高掃描質(zhì)量和效率，確保掃描有效性。由于其高穩(wěn)定性和靈活性，無人機(jī)可以確保非金屬數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和獲取。從礦山收集數(shù)據(jù)時(shí)，首先應(yīng)該在無人機(jī)位置的底部、左側(cè)、右側(cè)、前后安裝一個(gè)便攜式攝像頭，并在準(zhǔn)備調(diào)查之前做好準(zhǔn)備，測繪信息主要包括：天氣情況、環(huán)境數(shù)據(jù)以及無人機(jī)飛行參數(shù)等基礎(chǔ)參量。當(dāng)無人機(jī)測繪過程中山區(qū)地形和氣候無明顯變化時(shí)，無人機(jī)對掃描區(qū)域圖像的每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分，分為非金屬區(qū)和金屬區(qū)兩種。假設(shè)掃描區(qū)域內(nèi)的實(shí)際測點(diǎn)與圖像上成像點(diǎn)的比例尺為L，其計(jì)算公式如式（1）所示：

L=l₀/h₀×h₁ （1）

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

W= tl₀/h₀（2）

公式中：W是標(biāo)定測繪點(diǎn)的參數(shù)位移；t 為掃描過程曝光時(shí)間。根據(jù)公式（2），無人機(jī)使用低速飛行模式，曝光時(shí)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(qū)地形收集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通常低飛行模式下的無人機(jī)，在標(biāo)定非金屬礦山數(shù)據(jù)之前，需要檢查飛行區(qū)域是否有強(qiáng)磁性，防止磁性干擾，需要無人機(jī)反復(fù)飛行，按照原軌跡重復(fù)多次采集。設(shè)計(jì)無人機(jī)飛行高度時(shí)，要規(guī)劃山區(qū)地形制高點(diǎn)，保證飛行過程中采集到的非金屬礦物圖像是在規(guī)定比例范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)采集開始在預(yù)定路徑內(nèi)，按照一定時(shí)間間隔進(jìn)行采集。如果圖像數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)。

1.3 確定航測的基本航線

無人機(jī)在礦區(qū)進(jìn)行空中觀測時(shí)，利用當(dāng)?shù)氐牡貓D圖像信息作為空中觀測分析的主要參考值，確定基本坐標(biāo)信息、導(dǎo)航方向、航線等飛機(jī)信息，保證無人機(jī)在實(shí)際測量中可以順利實(shí)現(xiàn)三維重疊。

在進(jìn)行空中監(jiān)視工作時(shí)，需要在深入研究的基礎(chǔ)上確定礦區(qū)內(nèi)的待測區(qū)域，并與幾個(gè)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置相聯(lián)系，包括空中監(jiān)視的主要方向、空中監(jiān)視的拍攝角度、礦井坐標(biāo)、重疊角度等。對采集的數(shù)據(jù)重組分析，加上采用定位技術(shù)和高位成像技術(shù)的輔助，得到的圖像能夠充分反映測繪目標(biāo)的實(shí)際情況，并獲得更多關(guān)于礦山建設(shè)的信息。

無人值守設(shè)施應(yīng)在基于預(yù)定方向指示器的測量工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行測量工作?？罩薪煌ü苤茊T應(yīng)特別注意在空中監(jiān)視任務(wù)中使用無人機(jī)。為了發(fā)現(xiàn)與使用無人機(jī)有關(guān)的問題，必須及時(shí)采取行動(dòng)，為空中監(jiān)視的順利進(jìn)行提供重要支持。此外，在無人機(jī)空中檢查的情況下，相關(guān)人員必須進(jìn)行一系列檢查，按照相關(guān)規(guī)定分析現(xiàn)場的實(shí)際情況，在分析后組織無人機(jī)，并仔細(xì)監(jiān)控現(xiàn)場的工作環(huán)境。同時(shí)，有關(guān)人員必須根據(jù)礦山基礎(chǔ)研究需求，采取積極措施提高無人機(jī)的精度，擴(kuò)大無人機(jī)的覆蓋范圍。

根據(jù)觀測區(qū)的觀測結(jié)果和精度要求以及無人機(jī)的相關(guān)參數(shù)，準(zhǔn)確掌握觀測區(qū)的景觀結(jié)構(gòu)，確定無人機(jī)空中觀測區(qū)對應(yīng)的空中觀測路線。該測試區(qū)域使用飛馬座無人機(jī)管理器的智能路線功能來確定飛行區(qū)域并創(chuàng)建最佳路線。在景觀波動(dòng)較大的地區(qū)，使用固定高度飛行可能會(huì)導(dǎo)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(zhì)量符合要求，可以選擇模擬地面來增加飛行。

1.4 像控點(diǎn)的布設(shè)

本文研究的野外照片控制點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)嚴(yán)格遵循我國制定的地形圖航拍標(biāo)準(zhǔn)比例尺標(biāo)準(zhǔn)。首先，主要控制點(diǎn)應(yīng)布置在觀測區(qū)外，以確保觀測區(qū)內(nèi)水平和高度的準(zhǔn)確性，并滿足后續(xù)測繪工作的需要。照片控制點(diǎn)位于標(biāo)題之間，在整理周圍圖像的范圍內(nèi)有三到四張圖像。

為方便控制點(diǎn)的安裝，圖像的控制點(diǎn)一般安裝在比較平整的表面上。為達(dá)到準(zhǔn)確度要求，在安裝圖像控制器前，還應(yīng)安裝控制點(diǎn)以檢驗(yàn)結(jié)果的正確性。每組圖像控制點(diǎn)都需要經(jīng)過錄制并保存下來，這才能夠清楚地表現(xiàn)圖像控制點(diǎn)的區(qū)域特點(diǎn)。在采礦勘查活動(dòng)中，由于受到地質(zhì)條件的干擾，更易產(chǎn)生凹凸地形，因此在此基礎(chǔ)上，可在凸角上設(shè)置額外的控制點(diǎn)區(qū)域，并適當(dāng)?shù)夭贾迷谙噜彽膮^(qū)域系統(tǒng)。0.1 mm被用作圖像選擇和照片控制點(diǎn)選擇控制的重要參考標(biāo)準(zhǔn)，并且點(diǎn)位置被選擇在存在清晰圖像的地方。

應(yīng)優(yōu)先考慮持續(xù)使用通用衛(wèi)星定位服務(wù)（CORS）系統(tǒng)來測量照片控制點(diǎn)。在CORS信號(hào)未覆蓋的區(qū)域，通常應(yīng)使用自建基站對單個(gè)基站進(jìn)行RTK測量。測量單個(gè)基站的RTK時(shí)，應(yīng)使用測量區(qū)域內(nèi)的測量點(diǎn)校準(zhǔn)該點(diǎn)。

2 對比實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)說明

為驗(yàn)證上文所設(shè)計(jì)方法的實(shí)用性，建立對比實(shí)驗(yàn)。將文中方法即基于無人機(jī)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(shù)的礦山地形測繪方法進(jìn)行對比研究。

2.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為驗(yàn)證所提方法的先進(jìn)性，選取某礦山開展研究，該礦區(qū)真實(shí)高度為173.2 m，礦區(qū)內(nèi)的斷層節(jié)理裂隙不發(fā)育，未見斷層，礦山整體巖層相對完整，地質(zhì)環(huán)境與構(gòu)造條件簡單。以此為基礎(chǔ)，考慮到其能夠適應(yīng)復(fù)雜的地形和氣象條件，選擇大疆Phantom 4 RTK型號(hào)無人機(jī)設(shè)備開展實(shí)驗(yàn)。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示：

基于無人機(jī)傾斜攝影的礦山地形測繪方法與山體實(shí)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(shù)的礦山地形測繪方法與實(shí)際情況出入較大，所以能夠得出基于無人機(jī)傾斜攝影的礦山地形測繪方法最為準(zhǔn)確。

3 結(jié)論

通過無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，直觀具體地呈現(xiàn)出山區(qū)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(shù)的礦山地形測繪方法對比分析，結(jié)果表明無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)更具優(yōu)勢，測量結(jié)果更為準(zhǔn)確。