傾斜攝影測量技術(shù)在礦山地質(zhì)測繪中的應(yīng)用分析

封利根，晏敏敏

（1.江西省基礎(chǔ)測繪院，江西 南昌 330000；2.新余市不動產(chǎn)登記中心，江西 新余 338000）

礦產(chǎn)資源勘查以及資源開發(fā)與利用過程中大比例尺地形圖的應(yīng)用極為廣泛，不僅為探礦工程的準(zhǔn)確定位奠定基礎(chǔ)，更是資源儲量估算不可缺少的部分。此外，大比例尺地形圖含有詳細(xì)的地形要素和地理信息等，在現(xiàn)代化三維礦山建設(shè)中占據(jù)重要地位。傳統(tǒng)的地形測繪技術(shù)方法周期長、工作量大、成圖效率低，逐漸被現(xiàn)代化新型測繪技術(shù)取代，尤其是無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了礦山快速成圖、精度高、成本低的大比例尺地形圖測繪目的。基于此，本文以某金屬礦山大比例尺地形測量為例，分析該技術(shù)在礦山地形成圖中的主要應(yīng)用流程及注意事項(xiàng)，為推動該技術(shù)的快速發(fā)展奠定基礎(chǔ)[1]。

1 傾斜攝影測量技術(shù)概述

無人傾斜攝影技術(shù)是一種先進(jìn)的新型測量技術(shù)，在快速獲取成果、模型構(gòu)建以及數(shù)據(jù)采集等諸多方面都具備優(yōu)勢，在當(dāng)前礦山地質(zhì)測繪的過程當(dāng)中需要強(qiáng)化傾斜攝影測量技術(shù)廣泛運(yùn)用。傾斜攝影測量技術(shù)是當(dāng)前測繪領(lǐng)域中一種相對現(xiàn)代化的新型技術(shù)，通過利用多個(gè)傳感器針對于同一對象完成快速數(shù)據(jù)采集工作，全方位地反映對象情況和面貌，通過使用傾斜攝影測量技術(shù)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)航拍技術(shù)缺陷和不足之處，有利于突破傳統(tǒng)測量模式制約和限制，在獲取信息方面更加高效，切實(shí)保障了數(shù)據(jù)測量工作的科學(xué)性和真實(shí)性。傾斜攝影測量技術(shù)可以從不同角度對于對象進(jìn)行拍攝，還可以針對飛行器航拍高度以及速度等綜合參數(shù)進(jìn)行處理和記錄。傾斜攝影測量技術(shù)包括了三大部分，主要是傾斜相機(jī)、POS系統(tǒng)以及飛行器。其中，飛行器主要作用就是搭載設(shè)備，并且按照預(yù)定方向進(jìn)行飛行，通過利用飛行器可以實(shí)現(xiàn)航拍。其次POS系統(tǒng)針對于對象信息進(jìn)行捕捉，并且可以記錄飛行器飛行姿態(tài)以及空間坐標(biāo)。最后，傾斜相機(jī)作用就是能夠準(zhǔn)確以及有效采集地面影像信息，切實(shí)保障信息可靠性、真實(shí)性。

圖1 傾斜攝影測量原理圖

傾斜攝影測量技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容分析傾斜攝影測量技術(shù)是國際攝影測量領(lǐng)域近十幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，其本質(zhì)是利用同一飛行平臺上搭載的多臺采集圖像的傳感器從垂直、傾斜等不同角度來獲得地面物體完整的信息，主要包括數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理2部分。數(shù)據(jù)獲取部分一般包括1臺垂直攝影相機(jī)和4臺傾斜攝影相機(jī)，與GPS接收機(jī)、高精度IMU慣性系統(tǒng)進(jìn)行高度集成。攝影相機(jī)用來獲取影像信息，GPS、IMU分別獲取位置和狀態(tài)信息。數(shù)據(jù)處理部分，一般利用在系統(tǒng)中的集成定位信息、定姿設(shè)備拍攝的每張影像上的位置姿態(tài)信息進(jìn)行影像數(shù)據(jù)的處理[2]。

2 傾斜攝影測量相關(guān)要求與影像采集

2.1 傾斜攝影測量技術(shù)要求

本次使用無人機(jī)型號為HO1300無人機(jī)，無人機(jī)中搭載南方測繪傾斜數(shù)字航空攝影相機(jī)，配置1臺垂直五棱鏡頭和4臺傾斜五棱鏡頭，配套安裝動態(tài)GPS定位系統(tǒng)、飛行管理系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)。無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)對無人機(jī)的飛行狀態(tài)要求較高，因此，在確定飛行計(jì)劃時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：①無人機(jī)飛行越平穩(wěn)，所獲得遙感影像質(zhì)量越高，因此一般選擇天氣狀況良好的氣候條件下進(jìn)行飛行航拍任務(wù)，根據(jù)測繪區(qū)域氣象資料顯示，選擇每年5月～7月天氣溫和少雨的時(shí)間最佳；②在氣候條件良好的情況下應(yīng)充分考慮每天的氣候變化，一般選擇上午10時(shí)至下午4時(shí)展開飛行任務(wù)；③航向重疊度和旁向重疊度，應(yīng)根據(jù)測繪區(qū)域地形地貌變化特征進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

2.2 飛行參數(shù)以及影像預(yù)處理

礦山地形圖測量比例尺為1：1000，飛機(jī)型號為HO1300無人機(jī)，設(shè)計(jì)飛行速度為70km/h，航線敷設(shè)方法為東西向敷設(shè)；相對飛行行高分為兩部分，飛行子區(qū)塊1的行高為350m，行子區(qū)塊2的行高為300m；平均地面分辨率均為0.06m，設(shè)計(jì)航向和旁向重疊度均為75%。以上述基本參數(shù)展開飛行航拍任務(wù)，并及時(shí)檢查每天所獲影像數(shù)據(jù)質(zhì)量，對不符合質(zhì)量要求的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行重新補(bǔ)測。在完成航拍任務(wù)后進(jìn)行影像數(shù)據(jù)的預(yù)處理，將所獲傾斜影像反投影至建立的虛擬影像中，可有效的減少突出地面垂直物體的重影現(xiàn)象，提高影像數(shù)據(jù)的質(zhì)量[3]。

3 傾斜攝影測量技術(shù)在礦山地質(zhì)測繪中的應(yīng)用優(yōu)勢

3.1 測繪作業(yè)數(shù)據(jù)采集方便

在礦山地質(zhì)測繪的過程中，傾斜攝影測量技術(shù)得到了廣泛的運(yùn)用，與傳統(tǒng)地質(zhì)測繪技術(shù)相比，傾斜攝影測量技術(shù)具有顯著優(yōu)勢。測繪作業(yè)的過程當(dāng)中，數(shù)據(jù)收集和采集工作更加方便快捷，能夠?qū)⒈粶y對象外形特征實(shí)現(xiàn)客觀化反映，能夠提升測量的精度。傾斜攝影測量技術(shù)能夠結(jié)合所生成的三維模型真實(shí)全面反映礦區(qū)的地形地貌，保障測繪工作高效化。

3.2 技術(shù)操作便利

在傾斜攝影測量過程中，無人機(jī)能夠代替飛行平臺，在技術(shù)人員控制的情況下合理地調(diào)節(jié)運(yùn)動軌跡，利用軟件對其進(jìn)行處理，以構(gòu)建立體模型產(chǎn)品，減少人工投入，節(jié)省更多的測量時(shí)間。另外，傾斜攝影測量技術(shù)性價(jià)比很高，有助于批量提取、貼紋理，減少地質(zhì)建模的成本。

3.3 無需選取投影點(diǎn)

傳統(tǒng)地質(zhì)測繪技術(shù)相比于傾斜攝影測量技術(shù)存在諸多缺陷，傳統(tǒng)地質(zhì)測繪技術(shù)通常都需要選取投影點(diǎn)，而利用傾斜攝影測量技術(shù)則無需對投影點(diǎn)加以選取，可以根據(jù)航空攝影的規(guī)模成圖針對于傾斜影像紋理批量加以提取，這樣就能夠明顯地促使工作效率得到提高。目前使用傾斜攝影測量技術(shù)能夠進(jìn)一步強(qiáng)化空間管理和規(guī)劃工作，相關(guān)的人員可以通過利用飛行器以及相應(yīng)軟件構(gòu)建三維實(shí)體模型，進(jìn)而滿足礦企實(shí)際需求，能夠發(fā)揮良好效果，值得推廣與應(yīng)用。

圖2 像控點(diǎn)布設(shè)流程圖

4 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在礦山測繪中的應(yīng)用

無人機(jī)傾斜攝影測量在礦山測繪實(shí)際應(yīng)用中，為提升數(shù)據(jù)精度與可靠性，往往要布設(shè)一定數(shù)量的地面控制點(diǎn)，通過將外業(yè)采集的航飛影像與地面控制點(diǎn)標(biāo)定，進(jìn)行空三加密處理，然后將生產(chǎn)的DOM（數(shù)字正射影像）與DEM（數(shù)字高程模型）進(jìn)行內(nèi)業(yè)制圖與外業(yè)調(diào)繪修正，基本流程如下。

4.1 地面控制測量

地面控制測量主要依賴于像片控制測量，是提高無人機(jī)傾斜攝影測量精度的有效措施。像片控制測量中最重要的環(huán)節(jié)就是像控點(diǎn)的布設(shè)，像控點(diǎn)布設(shè)不合理，可顯著的降低影像數(shù)據(jù)的質(zhì)量。在后期數(shù)據(jù)處理過程中空中三角加密測量過程中，雖然像控點(diǎn)密度對空中三角加密測量有一定的影響，但空中三角加密測量質(zhì)量與完全依賴于像控點(diǎn)的布設(shè)密度，而與測繪區(qū)域的地形地貌變化幅度等關(guān)系較為密切。因此，為了提高無人機(jī)傾斜攝影測量工作效率以及影像數(shù)據(jù)處理質(zhì)量，一般在地形變化幅度小的區(qū)域（如平原地區(qū)等）可適當(dāng)?shù)慕档拖窨攸c(diǎn)布設(shè)密度，而在地形變化幅度較大的區(qū)域（高山峽谷地貌）可適當(dāng)增大像控點(diǎn)布設(shè)密度?？傮w上，像控點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①像控點(diǎn)一般布設(shè)在容易識別的地物地貌上，即所布設(shè)的像控點(diǎn)必須是唯一的，不存在爭議的，一般布設(shè)在地形變化較小的山頭、田角等部位；②位于測繪區(qū)域范圍以外的像控點(diǎn)的目的在于控制測量整個(gè)測繪區(qū)域；對于位于圖幅邊部的像控點(diǎn)一般布設(shè)在圖框輪廓線以外；③位于航線兩側(cè)的像控點(diǎn)，一般布設(shè)在左右偏離半徑小于半條基線長度的范圍內(nèi)；④植被發(fā)育的區(qū)域以及建筑物密布區(qū)域不易作為像控點(diǎn)的布設(shè)位置，上述部位因遮擋問題導(dǎo)致測量難度增高，甚至無法獲得準(zhǔn)確的地理位置；⑤像控點(diǎn)布設(shè)位置應(yīng)盡可能避開大面積水域或者大功率敷設(shè)區(qū)域；⑥像控點(diǎn)一般布設(shè)在交通條件好和便于保存的位置，以便于后期控制測量使用。

4.2 空中三角加密處理

一般來說礦山地形變化較大，植被發(fā)育差異明顯。因此，造成無人機(jī)傾斜攝影過程中所獲影像數(shù)據(jù)中不可避免的存在拍攝“漏洞”，即所獲影像數(shù)據(jù)中存在一定數(shù)量的“留白”，該部位的攝影質(zhì)量是無法達(dá)到1：1000大比例尺地形圖測量的基本要求。此時(shí)，需要對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行空中三角加密處理，利用航拍過程中無人機(jī)搭載的定位系統(tǒng)自動存儲的POS數(shù)據(jù)中包含的方位元素對遮擋區(qū)域進(jìn)行預(yù)測，可以有效的密布因遮擋等造成影像數(shù)據(jù)中的“留白”問題，顯著的提高影像數(shù)據(jù)的精度。在完成空中三角加密處理后，可以獲得測繪區(qū)域的加密校正成果等產(chǎn)品，可進(jìn)一步生成DOM、DEM、DSM等產(chǎn)品。

4.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集與修補(bǔ)測

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前需要對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模處理，這是由于三維建模是數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)，能夠借助傾斜攝影測量自動批量建模軟件對不同視角下的傾斜影像資料進(jìn)行幾何校正、平差處理以及多視角匹配處理等操作，進(jìn)而獲得能夠反映測繪區(qū)域整體地形地貌特征的可視化三維傾斜模型。在上述操作的基礎(chǔ)上借助配套的軟件對測繪區(qū)域的地物地貌進(jìn)行提取，即數(shù)據(jù)采集過程中，主要包括：①地物要素的采集，主要以人工處理為主，包括建筑物輪廓、控制點(diǎn)信息、建筑物外側(cè)面邊線等信息，能夠顯著的提高最終數(shù)據(jù)處理精度；②地貌要素的三維信息采集，主要借助數(shù)據(jù)處理軟件自動化處理，主要包括測繪區(qū)域1：1000大比例尺等高線以及相應(yīng)密度的高程注記點(diǎn)等信息的采集，后期經(jīng)過人工手動整飾、取舍后可投入使用；③遮擋問題處理，對于遮擋嚴(yán)重的區(qū)域或者地形地貌有爭議的區(qū)域進(jìn)行標(biāo)注，使用其他輔助測量方法進(jìn)行補(bǔ)測、調(diào)繪等處理[4]。

5 結(jié)語

綜上所述，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)具有精度高、成本低、成圖快的特點(diǎn)，逐漸在礦山大比例尺地形測量中的應(yīng)用越來越廣泛。經(jīng)過實(shí)際對比驗(yàn)證，采用無人機(jī)航測1：1000大比例尺圖精度與全站儀測量結(jié)果對比，所獲地形圖的平面誤差為5.2cm，高程注記點(diǎn)的誤差為4.8cm，誤差均在相應(yīng)比例尺地形圖誤差范圍內(nèi)，說明使用無人機(jī)傾斜攝影測量獲得的大比例尺地形圖精度可靠，有助于推動數(shù)字礦山的建設(shè)步伐。