基于傾斜攝影實(shí)景三維模型的礦山地形圖測(cè)繪技術(shù)分析

賀新慧

（河北省地礦局第四地質(zhì)大隊(duì)，河北 承德 067000）

礦山開(kāi)采的安全一直都是社會(huì)和相關(guān)領(lǐng)域研究人員重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，因此我國(guó)各級(jí)相關(guān)的管理部門對(duì)于礦山的安全生產(chǎn)也高度重視。但是在目前的實(shí)際工作中，對(duì)于礦山地形圖的測(cè)繪工作來(lái)說(shuō)，對(duì)建立的模型進(jìn)行數(shù)字化能夠突破傳統(tǒng)地形圖繪制時(shí)需要實(shí)地調(diào)繪的限制，且不需要借助立體眼鏡來(lái)觀測(cè)模擬立體模型，打破了在繪制過(guò)程中的局限[1]。近年來(lái)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)飛速發(fā)展，在礦山數(shù)字三維建模方面的應(yīng)用更加廣泛，目前對(duì)于礦山的視景三維模型進(jìn)行矢量數(shù)字化具有重大的意義。傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)中，模型由于一些原因會(huì)產(chǎn)生一些誤差，導(dǎo)致測(cè)繪精度較低，因此本文設(shè)計(jì)一種基于傾斜攝影實(shí)景三維模型的礦山地形圖測(cè)繪技術(shù)。

1 基于傾斜攝影實(shí)景三維模型的礦山地形圖測(cè)繪技術(shù)分析

1.1 傾斜攝影實(shí)景三維建模

與傳統(tǒng)的攝影測(cè)量相比，傾斜攝影實(shí)景三維建模的生產(chǎn)成本更低，建模速度快，能夠達(dá)到野外測(cè)量無(wú)法到達(dá)的區(qū)域。在傾斜攝影建模過(guò)程中，首先建立不同像片之間的連接關(guān)系，使用SIFT特征匹配算法，檢測(cè)圖像，生成SIFT特征描述符，完成SIF特征向量的匹配。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，傾斜攝影測(cè)量得到的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)一般會(huì)采用光束法，在區(qū)域網(wǎng)之間使用不同觀測(cè)手段得到的兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合平差，通過(guò)前方交會(huì)和后方交會(huì)，通過(guò)控制點(diǎn)的坐標(biāo)求解像片外方位元素和加密點(diǎn)地面坐標(biāo)近似值，逐點(diǎn)建立誤差方程的法方程，求解像片外方位元素，前方交會(huì)計(jì)算加密點(diǎn)坐標(biāo)，完成空中三角測(cè)量[2]。通過(guò)多視影像密集匹配技術(shù)生成密集點(diǎn)云，并構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，將礦山的每個(gè)物體通過(guò)構(gòu)建的三角網(wǎng)完成真?zhèn)€模型的構(gòu)建。當(dāng)?shù)V山的地物比較復(fù)雜時(shí)，為了真實(shí)還原模型與地面之間的相似度，可以增加三角網(wǎng)的密集程度來(lái)達(dá)到反應(yīng)真實(shí)地物結(jié)構(gòu)的目的。在完成三維建模后，通過(guò)紋理映射進(jìn)行表面的紋理賦予，就是將三維物體表面映射二維空間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的顏色，得到復(fù)合人眼視覺(jué)的真實(shí)色彩模型。

1.2 糾正畸變差

圖1 傾斜攝影相機(jī)畸變模型

在三維建模的過(guò)程中，一些步驟中會(huì)出現(xiàn)誤差，影像預(yù)處理能夠控制圖像噪聲，減少誤差的傳播，也是傾斜攝影圖像處理的重要步驟。畸變差主要分為系統(tǒng)性誤差和隨機(jī)性誤差，系統(tǒng)性誤差一般是由于光學(xué)畸變和相機(jī)內(nèi)部的產(chǎn)生的機(jī)械誤差，可以概括為徑向畸變誤差、切向畸變誤差和機(jī)械畸變誤差；隨機(jī)性誤差一般是由于相機(jī)內(nèi)部的電荷藕原件和電信號(hào)不穩(wěn)定引起的，可以概括為視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字影像時(shí)產(chǎn)生的錯(cuò)動(dòng)誤差、影像的奇數(shù)行和偶數(shù)行之間的錯(cuò)位誤差和時(shí)鐘頻率不穩(wěn)導(dǎo)致的采樣間隔誤差。相機(jī)鏡頭產(chǎn)生的誤差一般都為非線性，畸變的發(fā)生模型如圖所示。

上圖中，虛線表示沒(méi)有發(fā)生畸變的情況下的理論模型，實(shí)線為產(chǎn)生畸變后的實(shí)際模型。上圖中的圖（1）表示桶型畸變模型，表明除了主點(diǎn)沒(méi)有變動(dòng)，其余所有的點(diǎn)均向主點(diǎn)靠攏；圖（2）表示枕型畸變模型，表明除了主點(diǎn)沒(méi)有變動(dòng)，其余所有的點(diǎn)均遠(yuǎn)離主點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)張。為了避免傾斜攝影相機(jī)鏡頭畸變產(chǎn)生誤差，誤差導(dǎo)致傳播后期圖像處理精度過(guò)低，需要通過(guò)相機(jī)校檢獲取相機(jī)的內(nèi)方位元素、光學(xué)畸變參數(shù)和面陣變形參數(shù)，并通過(guò)修改參數(shù)值等方法完成鏡頭畸變差的糾正。

1.3 布設(shè)像控點(diǎn)

在礦山地形測(cè)繪的過(guò)程中，測(cè)區(qū)內(nèi)的測(cè)量控制點(diǎn)會(huì)參與到后期的空中三角測(cè)量中。并利用控制點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行光束法區(qū)域網(wǎng)的平差計(jì)算。因此像控點(diǎn)的布設(shè)位置、布設(shè)數(shù)量以及平面位置的高程測(cè)量會(huì)直接影響空中的三角測(cè)量，間接影響測(cè)繪的精度。像控點(diǎn)的布設(shè)方案需要根據(jù)測(cè)試的實(shí)際情況來(lái)具體問(wèn)題具體分析，遵守均勻布設(shè)控制點(diǎn)的原則，傳統(tǒng)的測(cè)繪方法中，控制點(diǎn)在控制網(wǎng)中的密度越大，生成的測(cè)繪產(chǎn)品精度就越高。但是本文使用的是光束法區(qū)域網(wǎng)的平差，就大大減少了對(duì)像控點(diǎn)數(shù)量上的依賴。如果測(cè)區(qū)內(nèi)的控制方案設(shè)置為3個(gè)角點(diǎn)時(shí)，區(qū)域網(wǎng)的平差精度能夠達(dá)到一個(gè)較高的水平，進(jìn)一步增加像控點(diǎn)的數(shù)量對(duì)于提高精度來(lái)說(shuō)，效果并不明顯。因此在確保精度較高的情況下，盡可能降低外業(yè)工作量，這樣才能夠提高無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的工作效率，并不會(huì)降低測(cè)繪精度。

因此能夠?qū)ο窨攸c(diǎn)布設(shè)原則和布設(shè)方案做出以下要求：①控制點(diǎn)的布設(shè)位置盡量考慮到覆蓋每張像片；②在平高控制點(diǎn)布設(shè)過(guò)程中，需要將控制點(diǎn)的航向間隔設(shè)置為4條航飛基線以下；③在測(cè)區(qū)的平行相鄰范圍內(nèi)，控制點(diǎn)基線跨度應(yīng)小于或等于2條基線；控制點(diǎn)布設(shè)在合理的成圖范圍內(nèi)，并且清晰可見(jiàn)，在像片刺點(diǎn)時(shí)清晰可見(jiàn)。在本文的測(cè)繪技術(shù)中，控制點(diǎn)測(cè)量使用的是RTK測(cè)量方法，并需要測(cè)量控制點(diǎn)坐標(biāo)。在布設(shè)控制點(diǎn)的過(guò)程中，需要均勻布設(shè)在村莊的平坦道路上，覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)。像片刺點(diǎn)主要是指人工準(zhǔn)確的輸入野外測(cè)量控制點(diǎn)坐標(biāo)，并與相應(yīng)的像片地物完全對(duì)應(yīng)，這些控制點(diǎn)坐標(biāo)需要參與后續(xù)空中三角測(cè)量，能夠有效避免刺點(diǎn)粗差，提高測(cè)繪的準(zhǔn)確度。至此完成基于傾斜攝影實(shí)景三維模型的礦山地形圖測(cè)繪技術(shù)的研究。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū)概況

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于傾斜攝影實(shí)景三維模型的礦山地形圖測(cè)繪技術(shù)的有效性，需要行進(jìn)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。本文實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū)選擇了某丘陵地貌的礦區(qū)，測(cè)區(qū)的總體地勢(shì)為南高北低，屬于中溫帶半干旱型氣候，測(cè)區(qū)內(nèi)無(wú)嚴(yán)重遮擋。在像控點(diǎn)的布設(shè)方案中，相控點(diǎn)的大地坐標(biāo)如下表所示：

表1 測(cè)區(qū)相控點(diǎn)大地坐標(biāo)

本文選取的傾斜攝影無(wú)人機(jī)為多旋翼無(wú)人機(jī)，飛行高度為80m，地面分辨率為0.0219，航攝比例尺為1:1000，像元大小為13.2mm＊8.8mm。在上述的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)本文設(shè)計(jì)的測(cè)繪技術(shù)和傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)進(jìn)行精度對(duì)比，對(duì)檢查點(diǎn)的殘差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比與分析

在上述的實(shí)驗(yàn)條件下，得到本文測(cè)繪技術(shù)和傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)的檢查點(diǎn)殘差，如下表所示：

表2 測(cè)區(qū)檢查點(diǎn)精度對(duì)比分析

根據(jù)上表的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算，能夠得到本文測(cè)繪技術(shù)檢查點(diǎn)的平面中誤差為0.03m，高程中誤差為0.12m，傳統(tǒng)測(cè)繪方法中檢查點(diǎn)的平面中誤差為0.11m，高程中誤差為0.13m.由此可以看出，本文設(shè)計(jì)的測(cè)繪方法具有更高的精度。

3 結(jié)束語(yǔ)

科技的高速發(fā)展推動(dòng)了礦山企業(yè)的重大改革，但是由于礦山地形圖測(cè)繪技術(shù)體系的不完整，導(dǎo)致礦山地形圖在測(cè)繪的過(guò)程中出現(xiàn)一定的精度誤差。針對(duì)這種情況，本文設(shè)計(jì)了一種基于傾斜攝影實(shí)景三維模型的礦山地形圖測(cè)繪技術(shù)，對(duì)建模和測(cè)繪過(guò)程中容易出現(xiàn)誤差的環(huán)節(jié)進(jìn)行了修正，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的測(cè)繪技術(shù)具有更高的精度。