基于無人機傾斜攝影技術(shù)的礦山地質(zhì)測繪數(shù)據(jù)精度分析系統(tǒng)設(shè)計

吳曉林

（山西省第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，山西 太原 030000）

無人機傾斜攝影技術(shù)在測繪時主要優(yōu)勢有很多，是因為無人機傾斜測繪有很多優(yōu)點，首先就是它可以從多個角度來進行區(qū)域拍攝和測量。也就是在多個角度來提供更高分辨率的影像技術(shù)信息[1]，從而能建立起三維模式的數(shù)字模型。在無人機技術(shù)不斷發(fā)展過程中，其傾斜攝影技能也被運用到多個領(lǐng)域。在進行城市建設(shè)、山地測繪中發(fā)揮著重要的作用，并且與傳統(tǒng)垂直攝影技術(shù)比較，通過無人機傾斜攝影在進行測圖工作過程中可以不再佩戴立體觀測眼鏡。對于工作人員而言有方便快捷。無人機使用傾斜攝影進行測量的過程是通過將各個攝影點進行前視、后視、右視、左視以垂直等五個角度進行測量，如此就能有效生成一個三維實景模型，通過分析整理、計算就能很快得到地理位置、地勢情況以及縱橫斷面等各方面地域特征。然而以往的測量方式和方法，僅僅將各攝站點中心投影影像進行整合處理，由此生成正射影像，但是在如何有效分析出地物具體情況方面還是非常有限的。兩者進行比較，無人機傾斜攝影測量可以有效生成正射影像，同時還能對于多個比例尺地形圖進行測制，建立事物三維圖像，對于地物有一個全面的展示，還可以計算出地物的縱橫斷面，為方便研究地物的各方面打下堅實的基礎(chǔ)，從而更好地發(fā)揮其測量作用。

1 硬件設(shè)計

1.1 采集設(shè)備

首先需要注意的是采集的設(shè)備均為視頻的影像輸出設(shè)備，其次，準(zhǔn)備的設(shè)備全都需要具有DICOM 5.0插口。準(zhǔn)備的設(shè)備包含三臺CCD相機，四臺Panosonic高速掃描儀，兩張型號為Avermedia的高清視頻采集卡，一臺GoPro Hero 7Black攝像機，一個PCIE采集卡，三臺Osmo Action攝像機，最后還需要兩個CCD攝像頭。

1.2 設(shè)計傳感器

由于方案需要很強的針對性，所以傳感器的組成還有傳感器的具體型號參數(shù)都需要清晰的了解，傳感器的具體信息如下表（表1）。

表1 傳感器組成型號和參數(shù)

由于現(xiàn)有無人機空中緊急情況調(diào)查和制圖系統(tǒng)的負(fù)載能力有限，它們通常僅攜帶光學(xué)攝像機和低精度耦合慣性導(dǎo)航，并且很少使用專業(yè)的集成支架。在緊急操作期間，它容易受到無人機振動和大氣湍流的影響。對于大多數(shù)傳感器而言必須滿足低溫耐受性設(shè)計，工作溫度通常為零下二十度或更高[2]。有人機的密封條件通常比較出色，所以有人駕駛飛機可以確保機艙溫度滿足傳感器的運行要求。然而，在冬季，高海拔地區(qū)和寒冷地區(qū)，可能會發(fā)生緊急情況。由于無人機主體的氣密性很差，所以改善集成傳感器設(shè)備的不能耐受低溫度特性的問題迫在眉睫。針對以上表達的這些觀點，設(shè)計了傳感器設(shè)備的結(jié)構(gòu)、電氣、外部接口和內(nèi)部通信。具體設(shè)計思路是將光學(xué)攝像機、SAR、位置和姿態(tài)系統(tǒng)都安裝在一體式安裝座中。光學(xué)攝像機的鏡頭和SAR收發(fā)器的天線，這兩個很重要的東西都要固定在滑環(huán)上。同時，滑環(huán)上還要牢固的安裝定位和姿勢系統(tǒng)，然后再將他們牢固地連接到集成式座椅框架上。從而確保所有測量設(shè)備的集成以及牢固的固定式安裝。這不僅確保了設(shè)備之間連接到位而且設(shè)備之間明確分開，而且將天線替換后也提高了集成解決方案的可擴展性。完整的電源適配器僅在任務(wù)傳感器系統(tǒng)的無人機中配有。四個電源通道分別用光學(xué)攝像頭SAR、位置和姿態(tài)系統(tǒng)以及通過電源適配器集成的安裝座所連接。無人機平臺想實現(xiàn)任務(wù)傳感器系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳遞，就必須先實現(xiàn)對無人機的工作狀態(tài)進行監(jiān)控和成像。成像后將地面控制子系統(tǒng)實時返回，并統(tǒng)計傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。定位姿態(tài)確定系統(tǒng)，就是通過接口將實時采集的位置姿態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給航測控制器的系統(tǒng)。工作流程是將姿態(tài)數(shù)據(jù)與傳輸時間進行統(tǒng)計，保持盡可能穩(wěn)定的原因就是要防止無人機震動對光學(xué)造成損害。攝像機和SAR獲得會產(chǎn)生影響的信息并接收實時姿態(tài)信息，然后將這些數(shù)據(jù)進行聯(lián)合空中計算的過程。

2 軟件設(shè)計

2.1 分析無人機傾斜攝影的參數(shù)

使用無人機進行礦山地質(zhì)測繪需要首先由工作人員進行實地勘探，然后才能放出無人機航空攝影，最后在計算機中進行影像數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)處理。具體的測繪流程如圖1所示。如上圖所示，在使用無人機之前需要首先有工作人員去礦山進行野外地形勘探，并選擇像控點的地址。然后在選定的像控點實地布設(shè)并進行像控點的坐標(biāo)測定。此時應(yīng)同步計算像控點的攝影區(qū)間，判斷無人機的航測范圍是否大于攝影區(qū)間，若航測范圍確實大于攝影區(qū)間則可以進行下一步，若航測范圍小于攝影區(qū)間，則需要重新布設(shè)像控點。接著開始特征點和地物信息的補測，標(biāo)定地物特征點，將電線桿、水井等不易判讀的影像人工拍攝下來并做好標(biāo)記。此時就可以放出無人機進行礦山地質(zhì)測繪，需要依據(jù)航測范圍的具體地形設(shè)定各項無人機飛行數(shù)據(jù)，調(diào)校相機參數(shù)，無人機在飛行過程中會自動開始攝影。無人機的飛行參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 無人機飛行參數(shù)

無人機數(shù)據(jù)收集完畢之后，就可以開始內(nèi)業(yè)工作。需要測繪內(nèi)業(yè)工作人員利用ArcGis或者南方CASS等專業(yè)的繪圖軟件將無人機拍攝的影像資料拼接起來，生成一個完整的云數(shù)據(jù)正射影像圖。然后經(jīng)過數(shù)字成圖處理，提取云數(shù)據(jù)并獲取布設(shè)點坐標(biāo)，最后得到礦山地質(zhì)測繪的地形圖。

2.2 實現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)分析

在礦山地質(zhì)測繪中，最需要注意的就是測出數(shù)據(jù)是否精確。三維數(shù)據(jù)建模是測繪時非常重要的一種建模方式，這種建模方式可以成功的提升測繪的精確程度，將分析數(shù)據(jù)做到最精確化。構(gòu)建低質(zhì)量的空間復(fù)合體是這種方式的特點，例如可以將整個大的區(qū)域劃分成為低質(zhì)量的幾個小的層次，以此來將數(shù)據(jù)整合測繪，使測繪更精確。如圖1所示。

圖1 三維數(shù)據(jù)模型

3 實驗研究

3.1 實驗準(zhǔn)備

必須將傳統(tǒng)測繪系統(tǒng)與本方法設(shè)計的測繪系統(tǒng)放在同樣的實驗環(huán)境中，只有這樣才能讓實驗的準(zhǔn)確性最大化。將兩組系統(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)量進行調(diào)查，對比兩組實驗傳輸?shù)乃俣?，將實際應(yīng)用效果展示的更具體。

3.2 實驗結(jié)果

試驗過程中，通過兩種不同的傳輸系統(tǒng)設(shè)計同時在相同環(huán)境中進行工作，分析其傳輸速度的變化。如圖2所示。

圖2 實驗對比圖

將實驗結(jié)果對比，得到了有效結(jié)論，即與傳統(tǒng)的礦山測繪相比，應(yīng)用了無人機傾斜技術(shù)后設(shè)計出的新系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集快，數(shù)據(jù)的精確度高等優(yōu)點，可以成功解決測繪中的問題。

4 結(jié)語

綜上所述，人們對資源的需求隨著我國城市化進程的加快也在不斷的增加。這種資源需求加速了我國采礦事業(yè)的發(fā)展，所以對于采礦的質(zhì)量和速率要求越來越高，在這種條件下就需要新的測繪系統(tǒng)方式來取代傳統(tǒng)的測繪方式。無人機傾斜系統(tǒng)就是在這種條件下發(fā)展而來的產(chǎn)物，這種測繪系統(tǒng)完美的解決了傳統(tǒng)測繪準(zhǔn)確率和效率都低的缺點，提升了測繪的精確度，對測繪數(shù)據(jù)的要求更加精細(xì)。因此，采用無人機測繪系統(tǒng)進行測繪數(shù)據(jù)精度分析，為我國經(jīng)濟發(fā)展作出了新的貢獻。