現(xiàn)代測繪技術在礦區(qū)整治測量中的應用

韓 磊，任宇征

（江蘇省地質(zhì)勘查技術院，江蘇南京210049）

0 引言

某地部分礦區(qū)和堆石場需要進行整治測量服務，以有效控制生態(tài)環(huán)境，維護城市山水自然環(huán)境的平衡，并為后續(xù)整治規(guī)劃提供詳細的測繪基礎資料。整治測量范圍共涉及50多個宕口和堆場，面積約5 km2，地處丘陵地帶，交通不便。由于工期緊張、測量精度要求高，為提高工作效率，項目投入了航空攝影測量平臺、無人船探測平臺、三維掃描平臺，并配備三維自動建模系統(tǒng)軟件、三維測圖系統(tǒng)軟件和GIS計算分析軟件等［1-2］。

1 技術流程

在控制測量工作完成后，采用無人機傾斜攝影測量技術配合三維激光掃描技術采集空間數(shù)據(jù)，采用無人船測深技術采集宕口積水區(qū)域數(shù)據(jù)［3］。利用三維建模系統(tǒng)平臺之實景建模技術進行數(shù)據(jù)生產(chǎn)，分析處理傾斜攝影數(shù)據(jù)，融合三維激光掃描、無人船測深數(shù)據(jù)生成三維模型，并建立DEM模型。利用三維測圖軟件系統(tǒng)采集制作1∶500數(shù)字地形圖，利用GIS軟件進行土石方量分析計算［4-5］。

2 控制測量

為滿足整治測量服務項目控制需要，在項目開展前對整個測區(qū)進行了踏勘，利用測區(qū)內(nèi)及周邊6個保存完好的D級GNSS控制點計算坐標轉(zhuǎn)換七參數(shù)，并進行了點位精度校核。圖根控制測量使用所求的坐標轉(zhuǎn)換七參數(shù)，采用網(wǎng)絡RTK差分模式進行點位測設。

3 無人機傾斜攝影測量

3.1 像控點布設及測量

3.1.1 像控點布設

礦區(qū)范圍內(nèi)沒有足夠的明顯特征點，像控點全部在傾斜攝影前現(xiàn)場布設。確保所布點位有效控制成圖范圍，攝區(qū)接邊處無漏洞，充分滿足像控條件。為了GNSS作業(yè)時便于安置接收機和操作，點位布設在易于到達、視野開闊，遠離大功率無線電發(fā)射源和高壓輸電線等區(qū)域。像控點制作用石灰在地面噴畫“L”型直角標志并統(tǒng)一編號，大小在1 m左右，點位平均間距為200～300 m。小型堆場周圍布設3～4個像控點。

3.1.2 像控點測量

像控點聯(lián)測采用網(wǎng)絡RTK差分模式，在測量前后均要對已知點進行校核，測量中流動站的測量范圍在校正點控制范圍內(nèi)。像控點單測回測量成果采用平滑量測10個歷元后平差結果，每個點位觀測是2個測回，取中數(shù)作為最后成果。

3.2 傾斜攝影準備

為保證測圖及模型的精度，影像地面分辨率應小于0.05 m。

3.2.1 前期準備

勘查測區(qū)，對傾斜攝影航飛進行分區(qū)和航線設計。確定測量范圍線，在谷歌地球軟件平臺上進行測區(qū)范圍設定，生成KML文件。依據(jù)航測范圍在無人機飛控軟件中設定飛行航線，航向及旁向重疊度均為80%。相對航高分別為：固定翼200～210 m，多旋翼110～120 m。

3.2.2 航測執(zhí)行

攝影時間根據(jù)地形條件、氣象條件和本地特點選擇在上午10:00至下午4:00間進行。像片傾角不大于5°，最大不超過12°，超過8°的片數(shù)不多于總數(shù)的10%，確保沒有航攝漏洞。像片旋角一般不大于15°，最大不超過30°，超過15°旋角的像片數(shù)不多于分區(qū)像片總數(shù)的10%。

根據(jù)項目要求和宕口、堆場的面積大小及分布情況，選用相應的機型進行航測。面積較小、分散的堆場及宕口選用多旋翼無人機搭載五鏡頭傾斜攝影相機進行航測工作；面積較大、相對較集中的堆場及宕口選用垂直起降固定翼無人機搭載五鏡頭傾斜攝影相機進行航測工作，確保影像清晰、反差適中、有較豐富的層次、能辨別與攝影比例尺相適應的細小地物影像，滿足外業(yè)全要素精確調(diào)繪和室內(nèi)判讀的要求。

3.3 無人機傾斜攝影

通過無人機搭載多相機，同時從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體完整準確的信息［6-7］。垂直地面角度拍攝一組影像，傾斜地面角度拍攝4組影像。如圖1—2所示。

圖1 傾斜攝影相機

圖2 傾斜攝影工作示意

4 三維激光掃描與水下地形測量

現(xiàn)狀模型制作利用傾斜攝影測量數(shù)據(jù)，針對模型中的異常區(qū)域以及水下高程缺失的情況，采取了三維激光掃描和無人船作為補充數(shù)據(jù)采集。

4.1 三維激光掃描

測區(qū)中部分宕口有樹木、突出地貌遮擋，為防止傾斜攝影測量方法存在高程異?，F(xiàn)象，采用了三維激光掃描技術進行現(xiàn)場掃描，對傾斜攝影數(shù)據(jù)進行補充。生產(chǎn)出的數(shù)據(jù)與傾斜攝影數(shù)據(jù)充分融合，達到點云數(shù)據(jù)全覆蓋。在野外三維激光掃描點云數(shù)據(jù)采集工作后，進行點云數(shù)據(jù)處理，拼接構建成為完整的點云模型，如圖3所示。

圖3 三維激光掃描點云模型

4.2 無人船水下地形測量

對于部分宕口有積水的情況，用無人船進行水下高程測量，即網(wǎng)絡RTK與測深儀同步實施的作業(yè)方法，在測定點位位置的三維空間坐標的同時通過測量水深來測定水底高程。

由于宕口中的水塘面積普遍不大且水深值不一致，不適宜按照預定設計航線施測，所以本次測量通過手動遙控施測。人為調(diào)控無人船航行，每隔1 m自動記錄一次數(shù)據(jù)，在觀測中發(fā)現(xiàn)水深突變時進行了人工調(diào)控和加密記錄數(shù)據(jù)，保證所測水下地形的真實性。野外工作情況如圖4所示。

圖4 無人船水下地形測量

5 三維模型構建

利用三維自動建模系統(tǒng)軟件進行建模，以一組對靜態(tài)建模主體從不同的角度拍攝的數(shù)碼照片作為輸入數(shù)據(jù)源，加入傾斜攝影數(shù)據(jù)，通過軟件自動計算匹配。輸出三維格網(wǎng)模型準確，精細地復原出建模主體的真實色澤、幾何形態(tài)及細節(jié)構成，如圖5所示。

圖5 自動建模系統(tǒng)軟件界面

根據(jù)攝影數(shù)據(jù)與像控點成果資料，將獲取到符合建模要求重疊度的航空影像進行預處理，導入軟件系統(tǒng)，均勻挑選出一定數(shù)量的野外控制點，通過軟件自動匹配運算，進行三維模型生產(chǎn)。影像提取的中間數(shù)據(jù)點云效果如圖6所示，點云構建TIN模型如圖7所示，經(jīng)紋理映射構建真實三維模型如圖8所示。

圖6 影像提取點云效果

圖7 點云構建TIN模型效果

根據(jù)傾斜攝影測量數(shù)據(jù)模型，疊加融合三維激光掃描數(shù)據(jù)模型和無人船測量數(shù)據(jù)，構建最終模型。

圖8 紋理映射三維模型效果

6 地形圖測制

利用三維測圖系統(tǒng)平臺，根據(jù)傾斜攝影生成的實景三維模型及傾斜相片等源數(shù)據(jù)按照1∶500全要素地形圖要求進行立體測圖。軟件平臺測圖界面如圖9所示。

圖9 三維測圖平臺界面

內(nèi)業(yè)DLG線劃圖測圖完成后，回放成調(diào)繪底圖，供外業(yè)調(diào)繪與修補測工作。外業(yè)調(diào)繪時注意地物結構的合理性和完整性，并做到了及時進行自查互校。內(nèi)業(yè)測圖看不清、看不準、遺漏的地物均由外業(yè)補測，并專門安排外業(yè)人員采用全站儀實測高程點用于對成圖高程進行校核檢查。地形圖內(nèi)業(yè)編輯按照外業(yè)測繪的內(nèi)容，用人工干預的方式逐個對原采集初編的矢量數(shù)據(jù)圖上表示的內(nèi)容做編輯修改，以統(tǒng)一的線型庫、符號庫、字庫和要素代碼分層標準進行編輯整飾［8-9］。

7 土石方量計算

利用整治規(guī)劃要求成果數(shù)據(jù)制作三維模型，在GIS軟件平臺中和現(xiàn)狀模型進行疊加，通過3D分析工具中的柵格數(shù)據(jù)表面分析功能計算填挖方量，生成結果如圖10所示。深色區(qū)域和淺色區(qū)域分別表示填方部分和挖方部分，字段SUM_result標識填挖的土方數(shù)量，小于0表示挖方量，大于0表示填方量，單位是立方米。

圖10 土石方量計算成果

8 結語

在精度控制方面，筆者對作業(yè)流程的各個環(huán)節(jié)做好過程控制，嚴格執(zhí)行ISO 9001：2008質(zhì)量管理體系標準和“兩檢一驗”制度，確保成果質(zhì)量。土石方量計算是重點工作，本項目的高程數(shù)據(jù)豐富、分布均勻，經(jīng)數(shù)據(jù)間疊加比對，精度滿足要求，為類似項目工作積累了經(jīng)驗。