無人機(jī)攝影技術(shù)在礦山地質(zhì)建模中的應(yīng)用

李冬森，孫 政

（1.江西理工大學(xué)，江西 贛州 341000；2.常州市金壇土地征地勘測中心，江蘇 常州 213200）

無人機(jī)攝影技術(shù)是新世紀(jì)以來遙感領(lǐng)域新型的低空測量技術(shù)，已經(jīng)作為一項(xiàng)成熟的測量與遙感技術(shù)手段逐漸取得測繪與GIS行業(yè)的認(rèn)可。機(jī)載LiDAR系統(tǒng)突破了攝影測量基本框架的局限，是激光測距、GPS空間跟蹤定位、INS姿態(tài)確定以及計(jì)算機(jī)等相融合的一種新興空間對(duì)地觀測技術(shù)，為獲取高時(shí)空分辨率的地球空間信息提供了極大的便利[1]。

無人機(jī)航測是新型的現(xiàn)代化低空攝影測量技術(shù)，是傳統(tǒng)有人機(jī)低空攝影測量的有力補(bǔ)充，也是礦山規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要技術(shù)組成部分。以無人機(jī)作為LiDAR系統(tǒng)的工作平臺(tái)，是攝影測量技術(shù)的一個(gè)重大突破，不僅升級(jí)了機(jī)載LiDAR系統(tǒng)，而且簡化了數(shù)據(jù)采集的流程。將無人機(jī)載LiDAR系統(tǒng)應(yīng)用于礦山三維建模，極大地提高了數(shù)字化采集的效率，有力促進(jìn)了礦山的數(shù)字化與可視化實(shí)現(xiàn)。

1 無人機(jī)飛控系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

1.1 系統(tǒng)組成與工作原理

圖1 無人機(jī)飛控系統(tǒng)組成

無人機(jī)LiDAR系統(tǒng)集成了POS定位定姿技術(shù)、三維激光掃描設(shè)備和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確地定位和獲取勘探礦區(qū)及周邊地質(zhì)環(huán)境的三維信息。三維激光掃描儀是利用激光測距的原理對(duì)地表物體進(jìn)行激光束發(fā)射，通過接收物體的反射波來進(jìn)行物體表面點(diǎn)集的獲取，從而采集物體表面高密度點(diǎn)陣的三維坐標(biāo)和紋理信息。無人機(jī)載LiDAR系統(tǒng)組成如圖1所示。

（1）無人機(jī)飛控系統(tǒng)。無人機(jī)飛控系統(tǒng)是無人機(jī)執(zhí)行飛行任務(wù)與完成數(shù)據(jù)采集的控制系統(tǒng)，主要包括飛行傳感器、機(jī)載計(jì)算機(jī)和伺服作動(dòng)設(shè)備幾個(gè)部分，是控制飛行姿態(tài)、管理飛行任務(wù)的核心部件。

（2）POS系統(tǒng)。POS系統(tǒng)的核心是采用動(dòng)態(tài)差分GPS（即DGPS）技術(shù)和慣性測量裝置（IMU，Inertial Measurement Unit）直接在航測飛行中測定傳感器的位置和姿態(tài)，并經(jīng)嚴(yán)格的聯(lián)合數(shù)據(jù)處理（即卡爾曼濾波），獲得高精度的傳感器的外方位元素，從而實(shí)現(xiàn)無或極少地面控制的傳感器定位和定向。

（3）三維激光掃描儀。激光掃描儀是無人機(jī)載LiDAR的核心組成部分，是系統(tǒng)完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的裝置，一般包括激光發(fā)射器、接收器、時(shí)間間隔測量裝置以及其他軟硬件設(shè)施，能實(shí)現(xiàn)高精度的計(jì)量和檢測。三維激光掃描技術(shù)是傳統(tǒng)測量與三維建模領(lǐng)域的新興技術(shù)手段，在地理測繪、變形監(jiān)測、文物保護(hù)以及數(shù)字礦山等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。

1.2 系統(tǒng)特點(diǎn)與優(yōu)勢

無人機(jī)載LiDAR系統(tǒng)以無人機(jī)為平臺(tái)，充分發(fā)揮了無人機(jī)機(jī)動(dòng)靈活、突出的時(shí)效性和性價(jià)比以及其專業(yè)的機(jī)地交互系統(tǒng)等優(yōu)勢，同時(shí)結(jié)合了LiDAR系統(tǒng)的高精度、高分辨率以及動(dòng)態(tài)探測范圍大等特點(diǎn)，最大限度地填補(bǔ)了傳統(tǒng)數(shù)字測量的缺陷，是現(xiàn)代測繪與數(shù)字測量技術(shù)的一次技術(shù)上的革新。

2 礦山開采沉陷區(qū)數(shù)據(jù)獲取

充分的準(zhǔn)備工作不僅是數(shù)據(jù)精度和完整性的有力保障，更是確保礦山開采工作人員和設(shè)備安全的重要舉措。沉陷區(qū)數(shù)據(jù)采集的時(shí)候，按照既定的航線與任務(wù)規(guī)劃，在合適的場地與時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行無人機(jī)的起飛，進(jìn)入預(yù)定航線之后，利用無人機(jī)上搭載的三維激光掃描儀進(jìn)行對(duì)地觀測，結(jié)合地面站控制系統(tǒng)，采集礦山三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3 三維建模流程

采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)首先要進(jìn)行預(yù)處理，然后才能進(jìn)行三維建模的實(shí)現(xiàn)，建模的過程主要包括格式的轉(zhuǎn)換、模型的建立、模型的細(xì)化、紋理映射以及三維場景的渲染，具體建模流程如下圖2所示。

圖2 點(diǎn)云建模流程

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

無人機(jī)載LiDAR系統(tǒng)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度比較大，相應(yīng)就需要較大的存儲(chǔ)空間進(jìn)行存儲(chǔ)，與此同時(shí)，數(shù)據(jù)冗余以及辨識(shí)度較低等缺點(diǎn)在所難免。三維建模之前，還需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理以消除數(shù)據(jù)冗余，簡化數(shù)據(jù)量。

①點(diǎn)云去噪。數(shù)據(jù)采集的過程中由于儀器以及飛行平臺(tái)等方面的影響，難免會(huì)存在噪聲，這將影響建模的順利進(jìn)行。因此，在進(jìn)行建模處理之前需要消除點(diǎn)云數(shù)據(jù)中與地物提取無關(guān)的噪聲，方便數(shù)據(jù)處理與信息提取操作。②航帶拼接。為了完成大面積區(qū)域數(shù)據(jù)的采集，無人機(jī)在進(jìn)行航測的時(shí)候是按照預(yù)定的航帶飛行的，相鄰航帶與航向上都會(huì)有一定的重疊度，為盡可能地消除系統(tǒng)誤差，應(yīng)對(duì)采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)還要根據(jù)航帶信息進(jìn)行拼接處理。③空洞修補(bǔ)。點(diǎn)云空洞不僅影響礦山建筑的可視化實(shí)現(xiàn)，而且對(duì)后期的建模處理也有影響。為保證建模過程的順利進(jìn)行，需要對(duì)有空洞的點(diǎn)云進(jìn)行修補(bǔ)操作。

3.2 地質(zhì)建模流程

預(yù)處理之后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以在點(diǎn)云建模軟件中直接進(jìn)行地質(zhì)三維建模。然后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到點(diǎn)云建模系統(tǒng)，進(jìn)行模型的建立。即便進(jìn)行過點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理操作，最初的三維模型往往仍會(huì)存在噪點(diǎn)和漏洞等問題，需要進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行細(xì)化處理。細(xì)化之后的模型基本上可以滿足建模的要求，為提高模型自身的現(xiàn)實(shí)性以及在三維場景中的逼真度，往往在模型建立之后還要對(duì)其進(jìn)行紋理映射，并加入模擬燈光。

4 結(jié)語

無人機(jī)載LiDAR系統(tǒng)充分結(jié)合了無人機(jī)航測系統(tǒng)與機(jī)載LiDAR系統(tǒng)的優(yōu)勢，不僅靈活性好，操作簡便，而且數(shù)據(jù)精度高，易于三維建模的實(shí)現(xiàn)，在礦山三維建模以及“智慧礦山”的建設(shè)中越來越發(fā)揮出不可或缺的作用。

[1]堯志剛.論無人機(jī)遙感技術(shù)在測繪工程測量中的應(yīng)用[J].住宅與房地產(chǎn),2016,(18):256.