多旋翼無(wú)人機(jī)在露天礦區(qū)測(cè)繪中的應(yīng)用

譚金石，速云中，祖為國(guó)

(廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510510)

露天礦區(qū)地形復(fù)雜，不規(guī)則，礦區(qū)地形圖測(cè)繪是一項(xiàng)困難的工作，難度大、危險(xiǎn)性高，而這項(xiàng)工作礦山的安全、高效生產(chǎn)具有重要的意義。傳統(tǒng)礦山測(cè)量手段采用最多的是全站儀、和GPS-RTK兩者相結(jié)合的測(cè)量方法，這種方法在一定程度上具有集成度高、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，一定程度上具備了高效率和高精度的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，由于這種測(cè)量方式還是單點(diǎn)測(cè)量的方法，需要測(cè)量大量的地形地貌點(diǎn)，勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗時(shí)長(zhǎng)，特別在容易出現(xiàn)滑坡裂隙地段，對(duì)測(cè)繪技術(shù)人員的人身安全存在較大隱患[1,2]。吳慶深等利用近景攝影測(cè)量方法獲取露天礦區(qū)三維信息，一定程度上能夠節(jié)省人力物力，獲取大量觀測(cè)點(diǎn)，但礦區(qū)地形條件復(fù)雜，拍攝照片困惱，通常拍攝距離較遠(yuǎn)，難以獲得良好的拍攝效果[3-6]；褚洪亮等利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)露天礦進(jìn)行掃描進(jìn)行測(cè)繪、監(jiān)測(cè)等工作，該類(lèi)方法能完成三維數(shù)據(jù)的快速獲取，存在三維激光掃描設(shè)備價(jià)格昂貴、地形數(shù)據(jù)采集存在困難，而且后續(xù)處理過(guò)程復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度仍較低[7-11]。以上方法均不能很好的滿足工作中對(duì)露天礦區(qū)地形圖測(cè)繪工作。

無(wú)人機(jī)作為一種新興的測(cè)繪手段，特別是以低空多旋翼無(wú)人機(jī)為代表的消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)，具有操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、自動(dòng)化、智能化等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于城市三維建模、城市規(guī)劃、應(yīng)急救災(zāi)等領(lǐng)域[12-13]。本文提出了利用低空多旋翼無(wú)人機(jī)航測(cè)對(duì)露天礦區(qū)進(jìn)行地形圖測(cè)繪的方法，首先分析低空多旋翼無(wú)人機(jī)的特點(diǎn)及技術(shù)路線，并通過(guò)案例詳細(xì)分析從無(wú)人機(jī)航飛方案制定、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、地形圖要素采集，并對(duì)成果精度進(jìn)行評(píng)估，對(duì)后續(xù)露天礦區(qū)測(cè)繪具有重要的借鑒意義。

1 低空無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)路線

測(cè)繪無(wú)人機(jī)種類(lèi)較多，包括固定翼無(wú)人機(jī)、復(fù)合翼無(wú)人機(jī)和多旋翼無(wú)人機(jī)等，有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。低空多旋翼無(wú)人機(jī)，具備體積小、攜帶方便、穩(wěn)定性高、起降方便、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用。無(wú)人機(jī)航測(cè)主要是以無(wú)人機(jī)為平臺(tái)，搭載數(shù)碼相機(jī)，按一定的航線規(guī)劃，對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行低空攝影，獲取原始影像數(shù)據(jù)，從原始影像數(shù)據(jù)中提取每張照片的位置信息(POS數(shù)據(jù))，利用專業(yè)攝影測(cè)量處理軟件進(jìn)行空三、DSM點(diǎn)云生成、TIN構(gòu)網(wǎng)、紋理映射等過(guò)程，構(gòu)建完整的實(shí)景三維模型，還可生成真正射影像圖和數(shù)字表面模型等[14-15]。

低空多旋翼無(wú)人機(jī)航測(cè)工作主要包括項(xiàng)目前期資料收集、航飛方案制定、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、像控測(cè)量、空中三角測(cè)量、密集匹配及模型構(gòu)建、實(shí)景三維建模、DOM/DSM生產(chǎn)、三維測(cè)圖、外業(yè)補(bǔ)測(cè)及調(diào)繪等，具體的技術(shù)路線如圖 1 所示。

圖 1 低空無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)路線圖

2 案例分析

2.1 研究區(qū)概況

本案例研究區(qū)選取廣東省云浮市某一露天礦區(qū)，該礦區(qū)為高臺(tái)階開(kāi)采方式，臺(tái)階較高，高差達(dá)百米，走向長(zhǎng)度從幾百米至數(shù)千米，地形復(fù)雜、陡峭，礦區(qū)面積約1.53 km2。

2.2 低空多旋翼無(wú)人機(jī)

低空多旋翼無(wú)人機(jī)采用大疆消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)精靈4pro(DJI phantom 4 pro)，該無(wú)人機(jī)搭載FC3610相機(jī)，相機(jī)焦距為8.8 mm，像元大小2.401 2 μm。最大飛行速度為72 km/h，最大續(xù)航時(shí)為30 min，衛(wèi)星定位模塊為GPS/GLONASS，位置精度為≦±5 m，平臺(tái)穩(wěn)定系統(tǒng)精度≦±0.03°，飛控系統(tǒng)采用雙雙冗余慣性測(cè)量單元和指南針系統(tǒng)，遙控器工作頻率為2.400～2.483 GHz，云臺(tái)可控轉(zhuǎn)動(dòng)中，俯仰:-90°～+30°，圖像傳輸和可遙控距離為5 km，相機(jī)鏡頭FOV 84°，24 mm(35 mm格式等效)，f/2.8～f/11 帶自動(dòng)對(duì)焦,相機(jī)影像傳感器1英寸CMOS，有效像素2 000萬(wàn),照片尺寸選擇4：3，寬高比:4 864×3 648。另外，在進(jìn)行攝影測(cè)量采集時(shí)，需要利用航線規(guī)劃軟件。

2.3 像控點(diǎn)測(cè)量

由于礦區(qū)地面明顯特征點(diǎn)較少，需要在航飛之前測(cè)量地面像控點(diǎn)。由于礦區(qū)較難找到固定的明顯特征點(diǎn)，在平坦區(qū)域噴“L”或“+”油漆，像控點(diǎn)均勻布設(shè)于測(cè)區(qū)，并用GPS RTK(GDCORS)測(cè)量點(diǎn)位坐標(biāo)值。本項(xiàng)目中布設(shè)像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)共15點(diǎn)，其中7個(gè)點(diǎn)用于空三解算，另外8個(gè)用于檢查成果精度,分布情況如圖 3所示。為了保證像控點(diǎn)的精度，按照?qǐng)D根點(diǎn)測(cè)量的要求執(zhí)行，平面精度在±0.05 m，高程精度在±0.05 m，每個(gè)點(diǎn)位獨(dú)立觀測(cè)3次取平均值作為該像控點(diǎn)的坐標(biāo)值。

圖 2 像控點(diǎn)分布圖

2.4 航線規(guī)劃及無(wú)人機(jī)影像采集

在航飛之前，需要進(jìn)行航線規(guī)劃。航線規(guī)劃主要根據(jù)無(wú)人機(jī)搭載相機(jī)焦距、像元大小、地面分辨率、航向重疊度、旁向重疊度等因素，利用規(guī)劃軟件自動(dòng)生成航線，確認(rèn)后將航線任務(wù)發(fā)送到無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)按照規(guī)劃航線執(zhí)行飛行任務(wù)，在飛行的過(guò)程中，按一定的距離間隔定點(diǎn)拍照，將照片存儲(chǔ)在無(wú)人機(jī)內(nèi)存卡中，同時(shí)將拍照瞬間的GPS位置坐標(biāo)信息寫(xiě)入照片。在本次研究中，航線規(guī)劃軟件采集研究團(tuán)隊(duì)基于安卓和DJISDK自主開(kāi)發(fā)的智能飛行控制軟件。采用大疆精靈4無(wú)人機(jī)垂直和傾斜攝影相結(jié)合的方法，相機(jī)焦距為8.8 mm,像元大小2.401 2 μm，地面分辨率設(shè)為0.05 m，綜合考慮建模軟件、精度、地形等對(duì)重疊度的影響，制定合理的航向、旁向重疊度，這里設(shè)置航向80%，旁向75%。由于礦區(qū)高差較大，需要進(jìn)行分區(qū)航飛，本項(xiàng)目按5個(gè)航高進(jìn)行飛行，海拔高度分別為520 m、400 m、360 m、320 m、280 m，針對(duì)陡峭的區(qū)域，增加傾斜攝影。

2.5 空三及實(shí)景三維建模

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中，空中三角測(cè)量是數(shù)據(jù)處理的核心和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響到成果的精度。本次研究采集的空三及建模軟件為Context Capture Center，該軟件基于圖形運(yùn)算單元GPU進(jìn)行高速三維場(chǎng)景運(yùn)算，具有功能強(qiáng)大、處理靈活、高擴(kuò)展性、少人工干預(yù)、多GPU協(xié)同運(yùn)算建模等特點(diǎn)。根據(jù)多角度影像三維重建技術(shù)，將具有一定重疊度的垂直影像和傾斜影像融合處理，實(shí)現(xiàn)從照片到高質(zhì)量的真正射影像、三維點(diǎn)云、實(shí)景三維模型的轉(zhuǎn)變過(guò)程，高度智能化、成果多種樣，成果精度可以達(dá)到毫米級(jí)。

(1)準(zhǔn)備階段

整理好外業(yè)測(cè)量的地面像控點(diǎn)(15個(gè))、原始照片(共1 562張)、POS、相機(jī)文件等。成果要求為西安80坐標(biāo)和85高程，因此，地面像控點(diǎn)和POS數(shù)據(jù)都為相同坐標(biāo)系，便于后續(xù)計(jì)算。建模軟件中新建工程，導(dǎo)入原始照片、地面像控點(diǎn)、POS數(shù)據(jù)。

(2)空中三角測(cè)量

空中三角測(cè)量包括相對(duì)定向和絕對(duì)定向兩個(gè)過(guò)程。相對(duì)定向，只需要影像結(jié)合POS數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，提取連接點(diǎn)，再通過(guò)區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算每張照片曝光時(shí)刻相機(jī)的中心位置和姿態(tài)即外方位元素。外方位元素只是恢復(fù)了照片相對(duì)關(guān)系，如果需要確定每張照片的精確外方位元素，還需要加入地面像控點(diǎn)，進(jìn)行絕對(duì)定向。絕對(duì)定向需要增加3個(gè)以上像控點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差。像控點(diǎn)刺點(diǎn)過(guò)程中，每個(gè)像控點(diǎn)至少需要刺到3張以上照片，將所有地面像控點(diǎn)刺點(diǎn)后，提交一次以像控點(diǎn)為參考的空三解算，即基于像控點(diǎn)的區(qū)域網(wǎng)平差，通過(guò)平差報(bào)告確定空三成果精度，空三效果及像控點(diǎn)精度報(bào)告，本次試驗(yàn)中空三精度到達(dá)0.004 m以內(nèi)，如下圖4所示。

圖 3 空三關(guān)鍵連接點(diǎn)

(3)實(shí)景三維模型構(gòu)建

空三完成后，提交三維建模構(gòu)建過(guò)程，在建模之前，需要設(shè)置模型中心坐標(biāo)、分塊大小、分塊編號(hào)的起點(diǎn)坐標(biāo)等。實(shí)景三維建模構(gòu)建主要包括密集點(diǎn)匹配、TIN三角網(wǎng)建構(gòu)、紋理映射等過(guò)程。密集點(diǎn)匹配主要是基于多照片進(jìn)行同名點(diǎn)匹配，提取高精度的像點(diǎn)坐標(biāo)，該過(guò)程受地形地貌的復(fù)雜度和照片數(shù)量的影響，地物地貌越復(fù)雜，細(xì)節(jié)表現(xiàn)越精細(xì)，點(diǎn)密度越高，計(jì)算時(shí)間也越長(zhǎng)。在其他條件相同情況下，照片數(shù)量越多，計(jì)算的時(shí)間越長(zhǎng)。密集匹配后，得到大量的密集點(diǎn)云，點(diǎn)云再進(jìn)行TIN構(gòu)網(wǎng)，形成三角面，再?gòu)恼掌姓业阶詈线m、質(zhì)量最好的紋理進(jìn)行著色，最后輸出帶紋理的實(shí)景三維模型。測(cè)區(qū)建模效果如圖4示。

圖 4 礦區(qū)三維實(shí)景模型

礦區(qū)模型不規(guī)則地塊的細(xì)節(jié)表現(xiàn)很精細(xì)，局部放大圖如圖 5所示。

實(shí)景三維模型構(gòu)建完成，可快速輸出多種成果：1)三維模型包括osgb、obj、dae等；2)真正射影像圖DOM；3)數(shù)字表面模型DSM。以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，可快速采集數(shù)字化地形圖DLG。這些成果為后續(xù)的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖 5 DSM效果圖

2.6 基于實(shí)景三維的地形圖測(cè)繪

本文利用清華山維EPS2016三維測(cè)圖軟件進(jìn)行地形圖采集。EPS軟件新建測(cè)圖模板1:500地形圖，利用osgb模型轉(zhuǎn)換功能，將前面生成的實(shí)景三維模型osgb轉(zhuǎn)換成測(cè)圖格式dsm，模型展示在測(cè)圖視圖右側(cè)，左側(cè)為采集的地形圖。在采集地形圖過(guò)程中，選擇地物符號(hào)命令，在三維模型上采集相應(yīng)的地物，依次采集道路、房屋、陡坎等地物，直到所有地物采集完畢。激活高程點(diǎn)采集命令后，直接在模型上單擊采集高程點(diǎn)，最后生成等高線。最后對(duì)地形圖進(jìn)行編輯。圖 6為軟件導(dǎo)入三維模型進(jìn)行地物采集，圖 7為采集完成后的地形圖。

圖 6 三維測(cè)圖軟件

圖 7 礦區(qū)地形圖

2.7 成果精度分析

成果精度受諸多因素的影響，比如像控點(diǎn)測(cè)量精度、空三精度、地物地形要素采集等因素。成果數(shù)據(jù)能否滿足規(guī)范要求，以評(píng)價(jià)成果的依據(jù)。本次研究前面像控點(diǎn)及空三精度在相應(yīng)部分已作檢查確認(rèn)，這里主要是以三維實(shí)景模型和地形圖成果為檢測(cè)對(duì)象，利用常規(guī)檢驗(yàn)方法檢查其平面和高程精度。利用8個(gè)檢查點(diǎn)檢查三維模型的精度，統(tǒng)計(jì)得到其平面中誤差為±0.08 m，高程中誤差為±0.12 m。對(duì)于地形圖，主要檢查明顯地物和高程點(diǎn)，從地形圖中找到明顯的特征點(diǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)利用GPS-RTK測(cè)量其坐標(biāo)，并將該坐標(biāo)作為近似真值，分別計(jì)算兩個(gè)坐標(biāo)值在平面和高程上的差值，用來(lái)評(píng)估成果的精度。本項(xiàng)目中，通過(guò)測(cè)量10個(gè)檢查點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)得到其平面中誤差為±0.1 m，高程中誤差為±0.13 m，符合《工程測(cè)量規(guī)范》中1:500精度要求，滿足大部分工程應(yīng)用需求。

3 結(jié) 語(yǔ)

基于消費(fèi)級(jí)低空多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行露天礦區(qū)地形圖測(cè)繪，快速對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行低空攝影，結(jié)合地面控制點(diǎn)，利用攝影測(cè)量及三維建模軟件，快速、精確地獲取測(cè)區(qū)的實(shí)景三維模型、DOM、DSM等成果，基于這些成果，利用數(shù)字化測(cè)圖軟件采集礦區(qū)地形地貌要素，編輯成最終的地形圖。該方法大大減少了作業(yè)人員外業(yè)的工作量，降低作業(yè)人員的安全風(fēng)險(xiǎn)，保證了測(cè)繪監(jiān)測(cè)高精度的要求，補(bǔ)充了礦區(qū)監(jiān)測(cè)的外業(yè)工作流程，提供了豐富的成果類(lèi)型，大大提高了露天礦區(qū)測(cè)繪生產(chǎn)效率。但是無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中也存在不足之處，如植被區(qū)高程如何測(cè)繪、像控點(diǎn)測(cè)量困難區(qū)域如何解決等，還需要不斷完善和改進(jìn)，后續(xù)將免像控?cái)z影測(cè)量、搭載小型激光雷達(dá)等方面進(jìn)一步的實(shí)踐與探索。