三維傾斜攝影在煤礦開采中的研究及應用

塵福艷 鄭鵬

摘要：隨著無人機技術(shù)、機載定位技術(shù)、圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，新興現(xiàn)代化測量技術(shù)已廣泛地應用于礦山監(jiān)測和大比例尺地形圖測量中。本文以傾斜攝影測量技術(shù)為研究對象，闡述了無人機傾斜攝影測量的發(fā)展現(xiàn)狀，研究了運用Smart3D Capture進行快速三維建模的技術(shù)路線和注意事項，分析了其中存在的問題并給出了建議。通過實踐發(fā)現(xiàn)，傾斜攝影快速三維建模技術(shù)可以為礦山環(huán)境監(jiān)測、煤層自燃、滅火工程中提供高效、敏捷的數(shù)據(jù)支撐與服務(wù)，促進了精細三維數(shù)據(jù)獲取能力和處理軟件的市場的繁榮。

關(guān)鍵詞：無人機；礦山監(jiān)測；傾斜攝影；地形測繪

Research and application of three dimensional tilt photography in coal mining

Chen Fu-yan， Zheng Peng

Xian coal navigation remote sensing information co. LTD Shaanxi 710199，China

Abstract：With the rapid development of uav technology，airborne positioning technology and image processing technology，New modern surveying technology has been widely used in mine monitoring and large scale topographic map survey。Oblique photography measurement technology and the technical route and points for attention of rapid 3d modeling by Smart3D Capture is studied in this paper， the development of uav tilt photogrammetry is described。Through practice， the rapid 3d modeling technique of Oblique photography can provide data support for mine environmental monitoring， spontaneous combustion of coal seam， fire engineering efficient and agile. It promotes the prosperity of the market of fine 3d data acquisition and processing software.

Key words：Unmanned aerial vehicle （uav）； Mine monitoring； Oblique photography； Topographic surveying and mapping

1.前言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、工業(yè)4.0、云計算、BIM等技術(shù)的快速發(fā)展，給人們的生活帶來了翻天覆地的變化，也給傳統(tǒng)規(guī)劃行業(yè)帶來了極大的變革與挑戰(zhàn)[1]。無人機傾斜攝影技術(shù)正是由傳統(tǒng)的遙感和測繪技術(shù)革新中新興的一項重要技術(shù)手段，并成為測繪行業(yè)、國土安全、城市規(guī)劃和礦區(qū)重建等行業(yè)的中流砥柱技術(shù)手段。

攝影測量從本質(zhì)上而言，是從二維的影像中重建三維模型，然后在重建的三維模型上提取所需的各種信息的科學與技術(shù)。航空攝影測量是攝影測量的重要分支，其獲取影像的主要手段是通過航空飛行器搭載的航攝儀進行航空攝影。

2.傾斜攝影測量

2.1傾斜攝影測量簡介

影像的獲取是整個流程的基石，占據(jù)著相當重要的地位[2]。航空影像質(zhì)量直接影響著內(nèi)業(yè)處理成果的精度和效果呈現(xiàn)?，F(xiàn)階段，傾斜影像一般是通過機載的多鏡頭傾斜攝影相機進行航拍而得到的。

多鏡頭傾斜攝影相機通過將多臺（一般是五臺）相機，以—臺下視、多臺側(cè)視的方式組合在一起，在飛機沿航線飛行的過程中，每經(jīng)過一個攝站點位置，所有相機就同時進行曝光，從而獲取一張下視的正射影像與多張側(cè)視的傾斜影像[3]（如圖1所示）。

2.2傾斜攝影測量特點

在測量礦山地形時，無人機傾斜攝影技術(shù)不僅能夠真實的反映礦山地形情況，不需要耗費大量的人力物力，而且無人機先進的定位技術(shù)可以提供精準的地理信息，呈現(xiàn)更豐富的礦山影像資料。無人機能從多個角度觀察礦山地形，礦山地形的實際情況能通過無人機得到更加真實的反映，無人機的傾斜攝影可以彌補普通正射影像在測量礦山地形中的不足[4-6]。無人機傾斜攝影有很多明顯的優(yōu)勢：①可以更直觀地反映礦山周邊地形的實際情況；②可以收集礦山周邊地形相關(guān)紋理數(shù)據(jù)；③可以對礦山地形進行單張影像的拍攝和測量。

3.無人機傾斜攝影測量在某礦區(qū)恢復治理中的應用

3.1外業(yè)數(shù)據(jù)采集

實施航測外業(yè)數(shù)據(jù)采集時，基本流程如下：

（1）航帶設(shè)計。對測區(qū)進行現(xiàn)場踏勘，確定測區(qū)范圍與地形情況[7]，根據(jù)《低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》（CH/ Z3004-2010）中低空地形圖航測規(guī)范要求，對本項目外業(yè)進行航帶設(shè)計[8]。根據(jù)項目不同的需求設(shè)定不同的高度，該項目確定航飛高度為300m，航向重疊度和旁向重疊度分別為80%和45%。每一架次拍完后，都導出相片和POS數(shù)據(jù)，并對遙感影像重疊度和質(zhì)量進行仔細檢查。（2）像控點布設(shè)。根據(jù)規(guī)范要求[9]，本項目在測區(qū)四周以及中間均勻布設(shè)了12個平高控制點，保證100張相片能有6個控制點，并保證控制點至少能在兩張影像上同時找到。（3）航測參數(shù)設(shè)定。在進行航飛前，需對研究區(qū)的天氣進行提前觀察，根據(jù)天氣情況提前安排進場時間；根據(jù)航飛現(xiàn)場勘測情況，確定飛行航線，完成航測數(shù)據(jù)采集工作。

3.2內(nèi)業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準備與處理

對外業(yè)采集完的數(shù)據(jù)進行整理，無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)量很大，飛行時間也延續(xù)很長，照片的命名會有重復。所以，首先要對照片進行重命名.利用TotalCommand對照片進行批量重命名，然后導入專業(yè)無人機處理軟件進行數(shù)據(jù)處理，如圖2。

空中三角測量是傾斜攝影的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而其中的核心又在于解決傾斜影像的可靠高效同名點匹配問題，也是目前傾斜攝影領(lǐng)域的研究重點，這就要求在飛機飛行時需要飛手嚴格把控飛機的姿態(tài)和航線，保障相片的旁向和航向的重疊度，為內(nèi)業(yè)處理減輕了困難。然后是點擊導入相控點，導入相控點的時候在選擇坐標系的時候選擇相控點的坐標系，和剛開始導入的照片的pos的坐標系不同，如圖3和圖4。

空中三角測量中，值得注意的是編輯像控點時，把正射的和傾斜的照片中所有帶像控點的照片全部選上。再看誤差的結(jié)果，如果還是有紅色的誤差比較大的控制點，此時就需要重新審視一下像控點的位置是否正確以及無人機數(shù)據(jù)是否畸變太大，如果是相片畸變太大而導致的誤差較大，則可以適當刪除部分畸變較大的點。直到最后的誤差值全部都是綠色，即符合誤差的范圍內(nèi)，則可以跑出空三和相應的傾斜模型。

3.3應用與分析

隨著科學的發(fā)展，無人機的應用越來越普及，人們對無人機數(shù)據(jù)精度的要求越來越高，數(shù)據(jù)類型也越來越多樣化。以陜北某煤炭基地為例，基于傾斜攝影的三維建模技術(shù)原理，采用國內(nèi)領(lǐng)先的多旋翼無人機作業(yè)平臺，對于研究區(qū)進行無人機傾斜攝影三維建模。大幅度地提高了工作效率，降低了生產(chǎn)成本，提升了調(diào)查精度，實現(xiàn)無人機攝影測量在礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查中的應用，可為今后類似礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查工作提供借鑒。

根據(jù)工作經(jīng)驗及《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范CH/Z 3005-2010》的一般規(guī)定，整理和總結(jié)了低空傾斜航拍數(shù)據(jù)質(zhì)量的控制標準，如表1。

三維立體模型可在全自動三維模型建立軟件中得到立體的測量，并且該軟件可以計算礦山開挖的土方量。想要動態(tài)的監(jiān)測礦山地形，可以采用多期拍攝方法，運用這種方法，不僅能夠測量立體模型，還能提供直觀準確的數(shù)據(jù)，為礦山管理人員提供管理數(shù)據(jù)。礦山開采范圍影響礦山的開采量、礦山生產(chǎn)能力、巖石剝離情況以及可開采年限，而礦山的開采范圍可以通過數(shù)字正射影像圖與三維立體模型得到準確測量，如圖5所示。

4.建模過程中存在的問題及建議

通過數(shù)據(jù)獲取和處理研究可以看出，傾斜攝影測量技術(shù)借助無人機等飛行平臺可以快速采集影像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)接近真實的三維建模。通過對比可以看出，傳統(tǒng)正射影像圖只能獲得正面拍攝的影像圖，雖然結(jié)合DEM數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)“三維”顯示，但由于缺乏側(cè)面信息，顯示效果較差[10]。而傾斜攝影測量所獲得的三維數(shù)據(jù)可以真實地反映地物的外觀、位置、高度等屬性，增強了三維數(shù)據(jù)所帶來的真實感，彌補了傳統(tǒng)攝影測量的缺點；可以在滿足傳統(tǒng)航空攝影測量的同時獲得更多的有用數(shù)據(jù)。目前發(fā)現(xiàn)的不足是：無人機傾斜攝影測量技術(shù)雖然實現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動化處理，由于航向及旁向重疊率大，5個鏡頭同時拍攝，即使很小的區(qū)域覆蓋也需要很大的數(shù)據(jù)量，空三數(shù)據(jù)處理過程相當耗時間，對計算機軟硬件均有較高的要求，在處理無人機傾斜數(shù)據(jù)時能進行聯(lián)機運算、提高數(shù)據(jù)處理效率，是很有必要的。而且在添加控制點后，誤差的結(jié)果需要等計算機運行完一遍后才能看到，需要等待的時間較長，比較費時，有些像控點需要跑很多遍才能將誤差消減到可接受的范圍內(nèi)。

5.結(jié)束語

本文研究了無人機傾斜攝影技術(shù)在礦山恢復治理中的運用，基于對無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)處理的方法和流程、存在的優(yōu)缺點、無人機傾斜攝影測量在礦山中的具體實施以及測量成果具體應用與分析方法研究，從而提出了無人機傾斜攝影技術(shù)在礦山恢復治理中的應用的優(yōu)劣勢、存在的問題及解決措施。希望本文的研究能夠為無人機傾斜攝影技術(shù)在礦山恢復治理、地形方面的運用提供思路。

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