無人機攝影測量技術(shù)在礦山建設(shè)中的應(yīng)用

王 遠

（遼寧排山樓黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司，遼寧 阜新 123000）

在礦山開采設(shè)計與礦山施工監(jiān)理工作中，眾多影響因素使傳統(tǒng)的測量方法不能收集完整的信息數(shù)據(jù)。尤其在礦山建設(shè)初期進行測量工作時，道路設(shè)施不完善，測繪工作難開展，人員無法到達一些山溝和樹木茂密地方，所以測量數(shù)據(jù)誤差大，測繪工作效率較低，大比例尺地形圖測量難度非常大。如果使用無人機攝影技術(shù)，能夠發(fā)揮傾斜攝影的全面性，消除常規(guī)攝影的局限性。通過搭載不同的荷載組件，能夠?qū)崿F(xiàn)礦山全景信息建立，充分展現(xiàn)礦山全貌。

1 無人機傾斜攝影測量技術(shù)特點

1.1 測繪無人機種類及特點

常見的用于遙感測繪的無人機分為2種：多旋翼無人機和固定翼無人機。

1.1.1多旋翼無人機

優(yōu)點：操作簡單，輕便，造價相對低廉，可以定點懸停，適合拍攝細節(jié)照片。缺點：續(xù)航時間短，消費型無人機搭載鏡頭后飛行時間在30min以下，工業(yè)級多旋翼無人機飛行時間能達到50min以上，在大面積，長距離的測繪項目中備受局限。多旋翼無人機適合航拍，環(huán)境監(jiān)測，偵查，建筑建模，災(zāi)害治理，特殊物體運輸?shù)刃^(qū)域應(yīng)用，所以在小面積工廣區(qū)測量的信息采集上，宜選用多旋翼無人機。

1.1.2固定翼無人機

優(yōu)點：續(xù)航時間長，抗風(fēng)能力強，拍攝范圍廣。缺點：無法完成細節(jié)精細測量，工業(yè)級無人機費用高昂。固定翼無人機適合大面積航測，可用于區(qū)域監(jiān)控，管道巡線，應(yīng)急通訊，礦山輸電線路測量等應(yīng)用場景。

1.2 無人機測量搭載的設(shè)備

1.2.1高像素攝像鏡頭

傾斜攝影測量技術(shù)需要搭載攝像鏡頭，通常像素要求高于1200萬像素，目前鏡頭技術(shù)從單鏡頭發(fā)展出五鏡頭，三旋轉(zhuǎn)鏡頭等方式，五鏡頭包含1個垂直攝影鏡頭，4個傾斜攝影鏡頭，可實現(xiàn)飛1條線拍出5個方向的照片。

1.2.2激光雷達掃描儀

機載激光雷達（LIDAR）是對傾斜攝影測量技術(shù)的有力補充，由于傾斜攝影測量形成的模型是通過空三加密計算而成的，并非直接測量所得，在面對高壓線塔、電線桿等細高地物時，往往無法形成準(zhǔn)確模型，而激光雷達獲取的是物體表面的點云數(shù)據(jù)，具有可穿透樹葉等特點，所以在某些必要場景，可通過無人機搭載激光雷達進行數(shù)據(jù)采集。

1.3 傾斜攝影技術(shù)測量原理

傳統(tǒng)空三測量對傾斜影像數(shù)據(jù)處理效果不理想，所以需要結(jié)合飛機傳感器提供的POS外方位元素數(shù)據(jù)進行聯(lián)合平差，同時結(jié)合現(xiàn)場布設(shè)的控制點進行聯(lián)合平差，通過誤差方程解算出影像的外方位元素，以前方交會的形式求出點位的三維坐標(biāo)。傾斜攝影測量還用到了多影像密集匹配技術(shù)，利用求得的外方位元素構(gòu)建立體像對，采用多影像匹配技術(shù)獲取密集點云數(shù)據(jù)，由于多角度攝像形成了大量冗余點云數(shù)據(jù)，所以可以通過這些冗余數(shù)據(jù)校正錯誤的匹配信息，提高點云數(shù)據(jù)精度。經(jīng)過多影像密集匹配后得到了能夠表達地物表面起伏的高分辨率數(shù)字模型（DSM），通過軟件分析，將合適的影像像素與DSM融合，形成統(tǒng)一的數(shù)字表面模型。再經(jīng)過正射影像糾正步驟，建立全局優(yōu)化采樣策略，聯(lián)合幾何延伸特征進行糾正，最后才能得到我們所需要的數(shù)字模型。

2 無人機傾斜攝影技術(shù)在礦山測繪中的應(yīng)用實踐

2.1 項目概況與設(shè)備參數(shù)

此次研究以某礦山作為測繪對象，礦山的地理條件復(fù)雜，且區(qū)域危險性比較高，地質(zhì)環(huán)境的差異比較大。測繪面積為19×104m2，劃分為10個測繪區(qū)。四旋翼飛行平臺能夠確保飛行穩(wěn)定性和性能。荷載重量為1702021年第5期西部探礦工程3kg，續(xù)航時間為1.3h，飛行高度為400m，地面站控制半徑超過8km。專業(yè)傾斜攝影相機，該無人機所應(yīng)用的攝像機分辨率高，且覆蓋范圍廣。攝影相機總像素大于1億，重量1.68kg，分辨率為0.01～0.1m，記憶卡存儲在應(yīng)用無人機傾斜攝影技術(shù)時，必須滿足環(huán)境氣候條件，選擇在晴朗無風(fēng)天氣下飛行。

2.2 影像獲取與預(yù)處理

在開始航攝之前，必須設(shè)定基本航向。明確測繪無人機現(xiàn)狀的同時，全面分析無人機性能、參數(shù)與飛行時間等，以此開展外業(yè)傾斜攝影。在航空攝影期間，能夠獲得不同傾斜角度影像資料，同時可以實現(xiàn)影像自動化拍攝，獲得傾斜影像資料。完成區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)采集后，對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。選擇適宜的拍攝影像，將影像反射到虛擬影像中，以此減少地面豎直物體的重影問題。

2.3 像片控制測量

像片控制測量有助于提升測繪結(jié)果的精度，在布設(shè)控制點時，應(yīng)當(dāng)參考標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)置。此次測繪選擇航向重疊度為65%，旁向重疊度為60%。在布設(shè)像控點時，應(yīng)當(dāng)關(guān)注到以下問題：第一，根據(jù)測繪區(qū)域的地形地貌，劃分不同的測繪區(qū)域。測繪區(qū)域外的像控點，多設(shè)置在輪廓線以外，位于航向基線數(shù)量在1條以上，旁向超過100m位置；第二，在選擇像控點時，應(yīng)當(dāng)聯(lián)合測繪區(qū)域的地形地貌，選擇易識別、無爭議的區(qū)域，例如明顯的地物標(biāo)志；第三，在山頭選擇像控點時，可以在地形起伏小的區(qū)域，以此確保測量結(jié)果的精度。在布設(shè)像片控制點時，應(yīng)當(dāng)選擇高程變化小的區(qū)域，以此提升傾斜攝影測量精度；第四，針對制備發(fā)育區(qū)域，存在高大構(gòu)筑物的區(qū)域，則會加大像控點布設(shè)難度。在開展業(yè)內(nèi)測量時，會出現(xiàn)測量遮擋視線問題，從而降低測量精度；第五，當(dāng)測繪區(qū)域內(nèi)存在大面積水域時，會加大像控點布設(shè)難度；第六，在布設(shè)像控點時，應(yīng)當(dāng)全面分析測繪區(qū)域的交通條件，選擇交通條件良好，便于存儲的區(qū)域。

2.4 空中三角加密處理

在礦山測繪工作中，極易受到外部環(huán)境干擾，例如建筑物和植被等，致使無人機傾斜攝影期間，地面控制點測量無法滿足實際需求，小區(qū)域測繪存在盲區(qū)等問題，從而導(dǎo)致測繪結(jié)果不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。為了處理以上問題，應(yīng)當(dāng)做好空中三角加密處理與校正，以此彌補測繪精度不足問題。對于空中三角加密處理來說，主要是建立影像外方位元素，以此確保預(yù)算準(zhǔn)確性，聯(lián)合相關(guān)軟件消除干擾因素，全面提升測量精度，以此改善地形條件比較差的區(qū)域。

2.5 三維建模與數(shù)據(jù)采集

在建立三維數(shù)據(jù)模型時，需要通過多角度傾斜影像的校正操作、聯(lián)合平差操作、多視匹配操作等，以此獲得三維傾斜模型。數(shù)據(jù)采集所涉及的內(nèi)容如下：第一，采集地物要素。該采集工作由手動完成，例如拍攝影像像控點、建筑物等有效控制測量精度；第二，自動化提取地貌要素三維信息，涉及到高程標(biāo)注點、等高線采集等，再由人工通過現(xiàn)代化處理軟件平臺整合處理；第三，在處理地物遮擋問題時，對像片內(nèi)的遮擋區(qū)域，進行補充測量，確保整體測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠全面提升測量精度與準(zhǔn)確度。

2.6 外業(yè)調(diào)繪及補測

通過上文分析可知，在航空拍攝操作中，無人機傾斜攝影技術(shù)會出現(xiàn)拍攝盲區(qū)。在建筑物遮擋與植被茂盛區(qū)域無法獲得影像。所以在內(nèi)業(yè)處理期間，必須準(zhǔn)確標(biāo)注上述區(qū)域，開展外業(yè)調(diào)繪和補測。

2.7 測繪數(shù)據(jù)處理

完成礦山測繪外業(yè)后，通過多視圖多維重建技術(shù)處理任意像片。將數(shù)碼影像導(dǎo)入到軟件內(nèi)，自動化生成高質(zhì)量正射影像，建立高分辨率三維模型，可以獲得毫米級精度的模型。像片導(dǎo)入后，通過計算機技術(shù)縮短數(shù)據(jù)處理時間，在多臺計算機上實現(xiàn)引擎運行，之后在作業(yè)隊列中關(guān)聯(lián)，以此獲得實景模型。在此次測繪工作中，共獲取12121張像片，將POS數(shù)據(jù)和像片導(dǎo)入到軟件內(nèi)，按照照片自帶參數(shù)信息與位置信息排列。軟件自動開展空間三角加密處理，添加多個地面像控點坐標(biāo)，以此確保工程地理坐標(biāo)和模型坐標(biāo)相同。通過準(zhǔn)確計算后，可以自動化獲取航片特征點，匹配同名點，以此計算像片的空間位置與姿態(tài)角，確定像片關(guān)系。此次測繪采集數(shù)據(jù)源于多個架次，因此會出現(xiàn)空間三角加密點片層變形和偏移問題，因此必須詳細記錄姿態(tài)信息與航片信息。通過新建任務(wù)塊加載航片，融合姿態(tài)信息和位置信息，反算獲得地形加密點數(shù)據(jù)。在獲得無紋理信息、不規(guī)則三角網(wǎng)之后，可以從航片中選擇高像素紋理著色，以此確保三維模型的真實度。應(yīng)用傳統(tǒng)方式檢驗精度時，將像控點坐標(biāo)作為真實數(shù)據(jù)，通過模型可以獲取監(jiān)測值，計算二者差值，可以獲得數(shù)據(jù)高程誤差，約為0.01m，平面坐標(biāo)誤差為0.08m，所以可以滿足測量要求。在應(yīng)用傳統(tǒng)測繪技術(shù)時，需要投入大量人力與物力。比如專人操控測量設(shè)備，專人旁站監(jiān)指揮測量，專人分析和處理數(shù)據(jù)。在應(yīng)用無人機測繪技術(shù)時，只需要專人操控?zé)o人機即可，可以實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)采集與自動化分析數(shù)據(jù)。采用傳統(tǒng)測量設(shè)施時，無法深入到狹窄區(qū)域或者復(fù)雜區(qū)域監(jiān)測，對于清晰度不足的影像，還需要多次進行測量，且成圖時間比較長。

圖1 無人機攝影測繪實例

3 無人機傾斜攝影測量技術(shù)未來展望

此次研究將無人機傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用到礦山測繪中，根據(jù)應(yīng)用實踐可知，該項技術(shù)可以快速獲取測繪區(qū)域內(nèi)的影像數(shù)據(jù)資料，同時包含調(diào)查區(qū)域內(nèi)的地物信息，以此建立三維模型，可以提出清晰的礦山開發(fā)利用策劃圖，為礦山建設(shè)與開發(fā)應(yīng)用提供詳實可靠的數(shù)據(jù)資料。數(shù)字化方向?qū)儆跍y繪技術(shù)的發(fā)展新方向，在測繪工程中，可以應(yīng)用智能化系統(tǒng)，操作人員聯(lián)合工程實況繪制圖紙，以此提升測繪工程的效率，還能夠緩解操作人員的工作壓力，對工作程序開展優(yōu)化設(shè)計。

4 結(jié)語

綜上所述，無人機傾斜攝影測量技術(shù)可以擴大數(shù)據(jù)采集范圍，且測量結(jié)果的精度與準(zhǔn)確度非常高，可以有效應(yīng)用于礦山規(guī)劃與勘測工作中。應(yīng)用無人機傾斜攝影測量開展礦山測繪工作時，應(yīng)當(dāng)聯(lián)合礦區(qū)實際情況，制定無人機航行路線，科學(xué)布設(shè)像控點，全面采集數(shù)據(jù)和信息，以此確保數(shù)據(jù)處理效果。