無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在礦山測(cè)繪中的應(yīng)用

黃宗劍

摘要：礦山測(cè)繪能夠?yàn)榈V山建設(shè)、資源開發(fā)提供數(shù)據(jù)支持，確保礦山開采效率和效益，推進(jìn)礦山建設(shè)。傳統(tǒng)礦山測(cè)繪技術(shù)的測(cè)繪時(shí)間比較長，且測(cè)繪效率比較低，無法滿足快速成圖要求。在定位技術(shù)、無人機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)快速發(fā)展過程中，礦山測(cè)繪中開始應(yīng)用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，技術(shù)應(yīng)用效果顯著。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量;礦山測(cè)繪;應(yīng)用

1無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)概述

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是在無人機(jī)垂直攝影技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，解決了無人機(jī)垂直攝影技術(shù)只能獲得垂直方向航拍影像數(shù)據(jù)的弊端，攻克了多角度、多方位獲取測(cè)繪區(qū)域地面信息的技術(shù)難關(guān)。無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)早期階段主要應(yīng)用于建筑物外立面紋理信息的獲取上，在礦山地形測(cè)量、工程測(cè)量等領(lǐng)域應(yīng)用較少。隨著動(dòng)態(tài)GPS技術(shù)、圖像融合處理以及多元數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的快速發(fā)展，解決了傾斜攝影數(shù)據(jù)處理難的問題，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，如地形測(cè)量、工程測(cè)量等。傾斜攝影三維自動(dòng)建模軟件屬于自動(dòng)化建模軟件，能夠通過多源序列影像生成高分辨率三維模型。建模軟件通過全自動(dòng)空三解算，建立不規(guī)則三角網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)化紋理映射，快速建立三維模型。該建模軟件通過傾斜攝影能夠在垂直影像上獲取結(jié)構(gòu)信息，并且基于單張影像測(cè)量原理獲取建筑立面結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整、提拉和編輯等操作獲取精細(xì)單體化模型。通過傾斜攝影紋理采集特點(diǎn)，能夠從影像中采集模型貼圖，自動(dòng)化生成模型貼圖。

2無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在礦山測(cè)繪中的應(yīng)用

2.1項(xiàng)目概況

此次研究以某礦山作為測(cè)繪對(duì)象，礦山的地理?xiàng)l件復(fù)雜，且區(qū)域危險(xiǎn)性比較高，地質(zhì)環(huán)境的差異比較大。測(cè)繪面積為19×104m2，劃分為10個(gè)測(cè)繪區(qū)。四旋翼飛行平臺(tái)能夠確保飛行穩(wěn)定性和性能。荷載重量為3kg，續(xù)航時(shí)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(jī)，該無人機(jī)所應(yīng)用的攝像機(jī)分辨率高，且覆蓋范圍廣。攝影相機(jī)總像素大于1億，重量1.68kg，分辨率為0.01～0.1m，記憶卡存儲(chǔ)在應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)時(shí)，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(cè)繪無人機(jī)現(xiàn)狀的同時(shí)，全面分析無人機(jī)性能、參數(shù)與飛行時(shí)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(shí)可以實(shí)現(xiàn)影像自動(dòng)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)量

像片控制測(cè)量有助于提升測(cè)繪結(jié)果的精度，在布設(shè)控制點(diǎn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)參考標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)置。此次測(cè)繪選擇航向重疊度為65%，旁向重疊度為60%。在布設(shè)像控點(diǎn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)關(guān)注到以下問題：第一，根據(jù)測(cè)繪區(qū)域的地形地貌，劃分不同的測(cè)繪區(qū)域。測(cè)繪區(qū)域外的像控點(diǎn)，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(diǎn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)聯(lián)合測(cè)繪區(qū)域的地形地貌，選擇易識(shí)別、無爭(zhēng)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(diǎn)時(shí)，可以在地形起伏小的區(qū)域，以此確保測(cè)量結(jié)果的精度。在布設(shè)像片控制點(diǎn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇高程變化小的區(qū)域，以此提升傾斜攝影測(cè)量精度;第四，針對(duì)制備發(fā)育區(qū)域，存在高大構(gòu)筑物的區(qū)域，則會(huì)加大像控點(diǎn)布設(shè)難度。在開展業(yè)內(nèi)測(cè)量時(shí)，會(huì)出現(xiàn)測(cè)量遮擋視線問題，從而降低測(cè)量精度;第五，當(dāng)測(cè)繪區(qū)域內(nèi)存在大面積水域時(shí)，會(huì)加大像控點(diǎn)布設(shè)難度;第六，在布設(shè)像控點(diǎn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)全面分析測(cè)繪區(qū)域的交通條件，選擇交通條件良好，便于存儲(chǔ)的區(qū)域。

2.4空中三角加密處理

在礦山測(cè)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(jī)傾斜攝影期間，地面控制點(diǎn)測(cè)量無法滿足實(shí)際需求，小區(qū)域測(cè)繪存在盲區(qū)等問題，從而導(dǎo)致測(cè)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(bǔ)測(cè)繪精度不足問題。對(duì)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(cè)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(shí)，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。完成三維數(shù)據(jù)模型建立后，可以通過數(shù)據(jù)處理軟件獲得區(qū)域內(nèi)的地貌和地物數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集所涉及的內(nèi)容如下：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(dòng)化處理，主要包括測(cè)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(dòng)整飾、取舍后可投入使用;③遮擋問題處理，對(duì)于遮擋嚴(yán)重的區(qū)域或者地形地貌有爭(zhēng)議的區(qū)域進(jìn)行標(biāo)注，使用其他輔助測(cè)量方法進(jìn)行補(bǔ)測(cè)、調(diào)繪等處理。

2.6外業(yè)調(diào)繪及補(bǔ)測(cè)

通過上文分析可知，在航空拍攝操作中，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)會(huì)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(bǔ)測(cè)。

2.7測(cè)繪數(shù)據(jù)處理

完成礦山測(cè)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(dòng)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(jí)精度的模型。像片導(dǎo)入后，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)縮短數(shù)據(jù)處理時(shí)間，在多臺(tái)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)引擎運(yùn)行，之后在作業(yè)隊(duì)列中關(guān)聯(lián)，以此獲得實(shí)景模型。在此次測(cè)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(dòng)開展空間三角加密處理，添加多個(gè)地面像控點(diǎn)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(jì)算后，可以自動(dòng)化獲取航片特征點(diǎn)，匹配同名點(diǎn)，以此計(jì)算像片的空間位置與姿態(tài)角，確定像片關(guān)系。此次測(cè)繪采集數(shù)據(jù)源于多個(gè)架次，因此會(huì)出現(xiàn)空間三角加密點(diǎn)片層變形和偏移問題，因此必須詳細(xì)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(diǎn)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(shí)度。應(yīng)用傳統(tǒng)方式檢驗(yàn)精度時(shí)，將像控點(diǎn)坐標(biāo)作為真實(shí)數(shù)據(jù)，通過模型可以獲取監(jiān)測(cè)值，計(jì)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(cè)量要求。

在應(yīng)用傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)時(shí)，需要投入大量人力與物力。比如專人操控測(cè)量設(shè)備，專人旁站監(jiān)指揮測(cè)量，專人分析和處理數(shù)據(jù)。在應(yīng)用無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)時(shí)，只需要專人操控?zé)o人機(jī)即可，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)化分析數(shù)據(jù)。采用傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)施時(shí)，無法深入到狹窄區(qū)域或者復(fù)雜區(qū)域監(jiān)測(cè)，對(duì)于清晰度不足的影像，還需要多次進(jìn)行測(cè)量，且成圖時(shí)間比較長。而應(yīng)用無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)時(shí)，能夠進(jìn)入到復(fù)雜、危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)拍攝，且成圖質(zhì)量高，能夠縮短成圖時(shí)間，應(yīng)用價(jià)值高。

3結(jié)語

綜上所述，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可以擴(kuò)大數(shù)據(jù)采集范圍，且測(cè)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(cè)工作中。應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量開展礦山測(cè)繪工作時(shí)，應(yīng)當(dāng)聯(lián)合礦區(qū)實(shí)際情況，制定無人機(jī)航行路線，科學(xué)布設(shè)像控點(diǎn)，全面采集數(shù)據(jù)和信息，以此確保數(shù)據(jù)處理效果。

參考文獻(xiàn)：

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