某金屬礦山三維航空攝影測(cè)量在礦山測(cè)量中的應(yīng)用分析

李 娟(甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院， 甘肅 蘭州 730050)

1 前言

根據(jù)礦山測(cè)量結(jié)果繪制的三維模型含有各種空間信息，是構(gòu)建數(shù)字化礦山的基礎(chǔ)，便捷、精準(zhǔn)的構(gòu)建三維模型是現(xiàn)階段礦山測(cè)量研究的一個(gè)重要方向[1]。王果等[2]采用無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)并結(jié)合繪圖軟件自動(dòng)構(gòu)建了露天礦三維模型；曹希等[3]無(wú)人機(jī)應(yīng)用到三維礦山模型構(gòu)建中，結(jié)合無(wú)人機(jī)攝像結(jié)果構(gòu)建了礦山的三維數(shù)字模型。文中在前人研究成果基礎(chǔ)上[4-6]，采用無(wú)人機(jī)對(duì)某金屬礦區(qū)進(jìn)行航空攝影，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了礦區(qū)三維模型，通過(guò)對(duì)比不同時(shí)期三維模型，可以直觀的掌握礦山開(kāi)采情況，為開(kāi)采量、儲(chǔ)量等估算提供直觀數(shù)據(jù)。

2 無(wú)人機(jī)測(cè)量系統(tǒng)概述

無(wú)人機(jī)測(cè)量系統(tǒng)是集導(dǎo)航系統(tǒng)、飛行平臺(tái)以及傾斜攝影系統(tǒng)為一體的攝影平臺(tái)，可以獲取多視角影像，為后續(xù)構(gòu)建的三維模型提供大量的紋理信息[7-8]。通過(guò)采用定位技術(shù)可以使得無(wú)人機(jī)測(cè)量系統(tǒng)獲取到的圖像含有更精準(zhǔn)的地理信息，從而實(shí)現(xiàn)便捷、高精度測(cè)量。本次測(cè)量中采用的無(wú)人機(jī)為大疆精靈Phantom 4，滿(mǎn)載荷最大飛行時(shí)間為60min，并配備有航空攝影機(jī)，具體采用的攝影機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 攝影機(jī)參數(shù)

采用無(wú)人機(jī)攝影技術(shù)可以較為便捷、精準(zhǔn)的構(gòu)建礦山三維模型，具體的工作流程如圖1所示。具體包括有：(1)首先需要根據(jù)測(cè)量目的構(gòu)建測(cè)量技術(shù)方案。(2)在圈定的測(cè)量區(qū)域內(nèi)進(jìn)行控制測(cè)量，當(dāng)?shù)乇頍o(wú)特征點(diǎn)時(shí)應(yīng)首先做相關(guān)標(biāo)記。(3)無(wú)人機(jī)航空測(cè)量。(4)多視覺(jué)影像聯(lián)合平差以及密集匹配。(5)三維地形TIN及無(wú)信息白模構(gòu)建。(6)紋理映射構(gòu)建實(shí)景三維模型。

圖1 測(cè)量工作流程

3 測(cè)量應(yīng)用分析

3.1 觀測(cè)礦區(qū)概況

采用無(wú)人機(jī)攝像測(cè)量的區(qū)域?yàn)槟辰饘俚V山，為了掌握礦山開(kāi)采情況及儲(chǔ)量變化情況，根據(jù)無(wú)人機(jī)攝像測(cè)量結(jié)果構(gòu)建三維模型，通過(guò)比對(duì)不同時(shí)期的三維模型，從而較為直觀的掌握礦山開(kāi)采情況。

具體觀測(cè)的礦區(qū)范圍為2.5km2，地貌為丘陵，觀測(cè)區(qū)海拔+460～650m，高差190m。采用的大疆精靈4P無(wú)人機(jī)完全可以滿(mǎn)足測(cè)量區(qū)域需要。需要構(gòu)建的三維模型比例尺為1∶1 000。測(cè)量區(qū)域?yàn)榍鹆?，根?jù)測(cè)量精度需要，在平面位置上的誤差值控制在±0.6m，等高距控制在1.0m，等高線插值點(diǎn)中位差控制在±0.5m。

3.2 像片控制測(cè)量

在礦區(qū)進(jìn)行航空測(cè)量時(shí)布點(diǎn)形式采用區(qū)域網(wǎng)方式，按照400～50mm間距布置一個(gè)像片控制點(diǎn)，在整個(gè)礦區(qū)測(cè)量中共計(jì)布置14個(gè)像控制點(diǎn)，其中4個(gè)控制點(diǎn)用以空三檢查點(diǎn)，10個(gè)控制點(diǎn)測(cè)量結(jié)果用以平差計(jì)算。像控制點(diǎn)測(cè)量方法采用RTK測(cè)量法，每個(gè)控制點(diǎn)獨(dú)立測(cè)量?jī)蓚?cè)，采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系。經(jīng)過(guò)檢查核驗(yàn)，采用的像控制點(diǎn)高程、平面中誤差分別為34mm、23mm，滿(mǎn)足測(cè)量規(guī)范要求。

3.3 傾斜測(cè)量

傾斜測(cè)量航空測(cè)量采用大疆無(wú)人機(jī)，并配備對(duì)應(yīng)的航空攝影系統(tǒng)，采用的背景圖像是谷歌影像，確定測(cè)量任務(wù)區(qū)域范圍。根據(jù)測(cè)量相對(duì)高程、地面分辨率、航線間隔以及基線等測(cè)量信息，對(duì)航空測(cè)量航線進(jìn)行設(shè)計(jì)。本次測(cè)量的航線布置見(jiàn)表2。

表2 航線布置參數(shù)

在測(cè)量區(qū)域內(nèi)工進(jìn)行4架次航空測(cè)量，獲取到1 105張地表分辨率在8m的傾斜攝像影像。

3.4 三維模型構(gòu)建

圖2所示為依據(jù)航空測(cè)量數(shù)據(jù)處理得到的三維模型。首先需要采用大疆無(wú)人機(jī)獲取到的航空測(cè)量相片，隨后將測(cè)量相片導(dǎo)入到Smart 3D處理軟件中，通過(guò)空三運(yùn)算將同點(diǎn)名匹配并自動(dòng)生成，從而形成三維模型。采用I- Data軟件可以直接在三維模型上進(jìn)行數(shù)劃線等操作，同時(shí)可以將不同時(shí)期獲取到的三維模型進(jìn)行疊加比對(duì)，從而更為直觀的顯示出礦山開(kāi)采變化情況。

圖2 三維模型

3.5 測(cè)量結(jié)果精度分析

本次測(cè)量對(duì)礦區(qū)三維地型要素進(jìn)行采集，并構(gòu)建三維模型。通過(guò)實(shí)際測(cè)量高程與生產(chǎn)的三維模型高程進(jìn)行比對(duì)，從而可以對(duì)構(gòu)建的三維模型等高線精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)獲取的20個(gè)標(biāo)高特征點(diǎn)，具體包括有房屋、道路交匯點(diǎn)以及開(kāi)采點(diǎn)等，測(cè)量數(shù)據(jù)處理后得到的測(cè)量平面精度為292mm，具體測(cè)量平面統(tǒng)計(jì)精度見(jiàn)表3，可以滿(mǎn)足在丘陵地區(qū)測(cè)量平面中誤差小于600mm精度要求。

表3 測(cè)量平面精度

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的高程點(diǎn)40個(gè)，處理得到的等高線插求點(diǎn)高程數(shù)據(jù)精度在428mm，具體見(jiàn)表4，可以滿(mǎn)足在丘陵地區(qū)測(cè)量高程中誤差小于500mm精度要求。

表4 測(cè)量高程精度

4 結(jié)論

采用專(zhuān)用的數(shù)據(jù)處理軟件可以快速的構(gòu)建礦區(qū)三維模型，同時(shí)構(gòu)建的模型具有精度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，為礦山開(kāi)采繪制大比例地形圖提供了新的技術(shù)手段。本次測(cè)量采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行航空測(cè)量，根據(jù)獲取到的礦區(qū)8cm高分辨率圖像構(gòu)建三維模型。

采用三維航空攝影測(cè)量技術(shù)獲取到的三維模型過(guò)程簡(jiǎn)單，相對(duì)于傳統(tǒng)采用的方式，可以減少人為因素對(duì)結(jié)果影響，同時(shí)大幅度降低圖像繪制及編輯工作，降低測(cè)繪人員勞動(dòng)強(qiáng)度。采用三維航空測(cè)量構(gòu)建的三維模型精度高，可以滿(mǎn)足礦山測(cè)量精度需要。