消費級無人機遙感三維建模在礦山場地調查中的應用

郝建花 孫亞楠 劉 猛 李曉靜 段宇波

（山西財經(jīng)大學公共管理學院虛擬仿真實驗室，山西 太原 030006）

0.引言

無人機技術一直受到包括國土資源調查、農(nóng)林生長監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、災害調查評估等諸多領域的青睞。利用無人機遙感影像進行室內預判，充分利用遙感影像所提供的大量信息，進行專業(yè)解譯，能極大減少室外工作量[1]。如姜武漢等學者利用無人機遙感獲取的影像進行路線勘測，為野外調繪做準備工作[2]，吳晗等利用高分辨率無人機生成地籍圖，提取和劃分地籍邊界[3]。李國杰利用無人機遙感進行土地信息數(shù)據(jù)進行動態(tài)巡查和監(jiān)測等[4]。因此，無人機的發(fā)展極大地克服了傳統(tǒng)外業(yè)測量中人為因素大、效率低、大范圍工作成本高、工作時間長等弊端，尤其在土地調查、礦區(qū)調查[5]等復雜的系統(tǒng)性工程中有良好的效果。

無人機遙感系統(tǒng)是利用無人機作為遙感平臺，集成遙感傳感器（如光學相機、激光、雷達等）和其他輔助設備（如定位裝置等），在無人機遙感的三維建模中，傳統(tǒng)方式主要使用傾斜攝影手段，搭載多鏡頭傾斜相機和高精度GPS系統(tǒng)，硬件成本高，建模耗時長，主要應用于精確坐標的三維建模工作，而日常礦區(qū)地物調查，不需要獲取帶準確位置信息的地物信息。相對大型無人機測繪和傳統(tǒng)三維模型構建攝影測量，利用消費級無人機遙感三維建模進行礦山場地日常監(jiān)控和調查工作，具有成本低、操作方便、動態(tài)實時的優(yōu)勢，能協(xié)助礦區(qū)調查人員在小尺度、高精度上，實時快速地掌握礦區(qū)主要災害點的變化情況。因此，本研究選用消費級無人機——大疆精靈4 Pro，搭載原機標配單鏡頭光學相機，應用于礦區(qū)場地調查中航拍模型構建。

1.消費級無人機遙感三維建模原理

無人機遙感三維模型是由現(xiàn)場上百張單張無人機拍攝照片組合形成，其建模系統(tǒng)由拍攝系統(tǒng)、現(xiàn)場控制系統(tǒng)和無人機監(jiān)控管理系統(tǒng)組成，三維模型的成型質量取決于無人機遙感系統(tǒng)構建的穩(wěn)定性。其中拍攝系統(tǒng)由無人機、廣角鏡頭、地面調查對象組成（如圖1所示）；無人機監(jiān)控管理系統(tǒng)主要由我國的無人機飛行管制進行約束；現(xiàn)場控制系統(tǒng)主要由作業(yè)人通過無線傳輸系統(tǒng)將飛行高度、飛行速度、旁向重疊度和航向重疊度、航線參數(shù)、拍照模式等無人機參數(shù)設置對無人機現(xiàn)場拍攝情況進行實時監(jiān)控，通過現(xiàn)場控制系統(tǒng)預設合理飛行參數(shù)，可以極大提高飛行效果。

圖1 無人機遙感成像系統(tǒng)

1.1 設置飛行高度

飛行高度為飛機與拍攝區(qū)域地面的相對高度，而不是飛行中的實際海拔高度。針對調查區(qū)地物的高度和預期獲得的地面分辨率，可以通過相機鏡頭的焦距和像元尺寸，計算出飛行高度。不同的飛行高度不僅會影響成像效果，還會影響航向重疊度和旁向重疊度。所以，確定飛行高度時需要綜合考慮，在保證安全的情況下，平衡好分辨率與工作量之間的關系，尋找一個較為合適的飛行高度進行拍攝。飛行高度的計算如式（1）所示：

式（1）中，H為飛行高度（m）；f為鏡頭焦距（mm）；GSD為地面分辨率（m）；a為像元尺寸（mm）。

1.2 設置飛行速度

消費級無人機所搭載的非量測相機，為非專業(yè)測量相機，其拍攝時多采用飛行中拍攝，而非航點懸停拍攝模式，再加上相機曝光的時間，會產(chǎn)生像點位移，極易造成影像模糊。針對消費級無人機拍攝像點位移受飛行速度、曝光時間的影響，飛行需考慮地面分辨率的要求，計算飛機合理的飛行速度，來緩解像點位移帶來的影響。飛行速度的計算方法如式（2）所示：

式（2）中，v為飛行速度（m/s）；δ為像點位移（pixel）；GSD為地面分辨率（m）；t為曝光時間（s）。

1.3 設置成片重疊度

無人機成片重疊度由航向重疊度和旁向重疊度組成。其拍攝過程中，按照航線飛行兩兩相鄰像片對所拍攝地面的重疊影像部分稱為航向重疊度；兩條相鄰航帶之間的像片影像重疊部分稱為旁向重疊度。一般情況下，較高的像片重疊部分是立體觀察和像片連接的必須條件，重疊度過低可能會導致不良后果，尤其是在三維模型構建工作中，調查區(qū)域內要有數(shù)量足夠的關鍵點匹配，否則建模效果不佳。因此，無人機外業(yè)飛行的航向重疊度不小于53%，一般為60%至80%；旁向重疊度最低不小于8%，一般為15%至60%。像片重疊度用像幅邊長的百分數(shù)來表示。像片X、Y方向的重疊度計算式如式（3）、式（4）所示：

式（3）、式（4）中，Px、Py分別表示航向和旁向重疊影像部分的邊長；lx、ly表示像幅的邊長。

1.4 設置航線參數(shù)

無人機航攝工作航線參數(shù)包括：起始點、終點、航線方向、長度。根據(jù)調查區(qū)范圍大小、飛行方向和像片重疊度，可以規(guī)劃確定無人機航線。航攝基線長度和航線間隔寬度的計算式如式（5）、式（6）所示：

式（5）、式（6）中，Bx為航攝基線長度；Dy為航線間隔寬度；Lx為像幅長度（m）；Ly為像幅寬度（m）；Px為實際航向重疊度；Py為實際旁向重疊度；H為無人機飛行高度（m）；f為鏡頭焦距（m）。

2.實驗場地概況及飛行條件

山西省運城市某鐵礦采用地下開采，生產(chǎn)規(guī)模30000t/a，礦區(qū)面積51.69km2。建礦后進行了基建和少量開采，地面設施完備，有廢石場一座。2013年至今，一直處于停產(chǎn)狀態(tài)；現(xiàn)計劃重新開始生產(chǎn)。礦區(qū)位于稷王山的東部，區(qū)內溝谷縱橫，地形切割強烈?？傮w地形西北低，東南高，海拔標高650-780m，相對高差130m左右，屬黃土丘陵地貌特征。為了協(xié)助該礦進行廢石場選址和設計，輔助礦區(qū)土地調查和環(huán)境治理設計，使用無人機構建三維模型。

消費級無人機的最大優(yōu)點是成本低、機體輕薄，因此在飛行中對抗外界條件的干擾會相對不足，對起飛場地和氣候條件有相應要求。首先，飛行的起降坪需要相對開闊、平整的地面；其次，基于飛行安全的要求，極高（低）氣溫、氣壓過低的高海拔區(qū)域和大風、雨雪等惡劣天氣禁止飛行。另外，進行場地飛行任務需到當?shù)乜展懿块T申請飛行空域。

3.無人機場地調查三維建模流程

礦區(qū)的土地調查與測繪不同，不需要很高精度的絕對位置坐標，因此不需布設像控點，位置信息由無人機自帶的GNSS系統(tǒng)確定。其工作流程可分為外業(yè)預判選址并預設航線、外業(yè)航拍、內業(yè)計算與建模三個部分。

3.1 選址及航線預設

根據(jù)礦山開發(fā)利用情況，預計該鐵礦未來生產(chǎn)期間廢石產(chǎn)量總計約28.1km3。在影像上可以看到礦區(qū)東南和西南方向兩條溝谷均可用于建設廢石場（如圖2所示）。此次調查共規(guī)劃航線10條，S形線路，覆蓋目標礦區(qū)及周邊。設置飛行高度177.4m，分辨率4.9cm/pixel，飛行速度14.8m/s，曝光間隔3s，航向重疊度75%，旁向重疊度65%。共飛行一架次，約15分鐘。

圖2 場地調查選址位置示意圖

3.2 外業(yè)航拍

調查中，利用大疆消費級無人機——精靈4 pro（Phantom 4 pro）對廢石場進行了航飛建模，搭載傳感器為標配2000萬像素光學相機，剔除不合格的航片后，共獲取有效航片232張。

3.3 內業(yè)建模

三維內業(yè)建?？梢詾閮蓚€部分：空三運算和三維建模。所謂空三運算，指通過空中特征點提取、解算像片的空間位置、調整照片姿態(tài)角度、確定像片的相互關系等過程生成照片密集點云，是確定模型地物相對準確位置的必不可少過程；其次三維建模，在密集點云的基礎上進行Tin模型構建和紋理映射，形成場地三維模型。

4.三維模型構建及應用

三維模型的構建可以為設計人員和決策者提供直觀的影像，還可以在模型上進行量測（包括坐標、長度、面積、庫容等），為廢石場下一步的工作計劃提供數(shù)據(jù)，并可對現(xiàn)場調查遺漏問題進行補充修正。

4.1 長度、面積量測

在Acute3D Viewer軟件中選定廢石場攔石壩頂部兩點，測量兩點間距離，獲取攔石壩頂部長度為60.93m（如圖3所示）?，F(xiàn)場通過GNSS RTK進行檢核，其長度為61.12m。說明航測結果在長度上可達到亞米級精度。不過由于航測時沒有設置像控點，單點精度不可靠，僅可使用模型上的相對長度。同樣模型上可測得壩底長度為25.11m。

圖3 廢石場三維模型上長度量測

同理，在Acute3D Viewer軟件中沿廢石場排棄范圍周邊圈繪制一個閉合面，可測量場地面積，獲取廢石場現(xiàn)有平臺面積為0.75km2（如圖4所示）：

圖4 廢石場三維模型上面積量測

4.2 庫容設計

在Acute3D Viewer軟件中，可通過設置一個平面范圍、一個水平面，估算在設置的平面范圍內，現(xiàn)有地形平整到設置水平面的挖方（高出該水平部分）、填方（低于該水平部分）。應用于廢石場庫容設計中，可將設計堆放高度輸入軟件，估算得到的“填方”即廢石場的庫容。

現(xiàn)廢石場攔石壩壩頂高程670m，設置一個略大于排矸場的平面范圍，并設置水平面高程670m（假設可排廢石到攔石壩頂），估算得到填方量為9.4km3，即該廢石場剩余庫容（如圖5所示）。而670m標高的剩余庫容小于預計未來生產(chǎn)期間廢石產(chǎn)量28.1km3，考慮加高廢石場平臺5m（攔石壩也需同步改造），至675m標高，估算得到填方量為55.2km3，即廢石場排棄標高加高5m后的剩余庫容，可滿足生產(chǎn)需要（如圖6所示）：

圖5 排放至670標高的剩余庫容計算

圖6 排放至675標高的剩余庫容計算

5.結束語

綜上，相對于土地資源調查中的外業(yè)調繪，本研究利用消費機無人機遙感構建鐵礦廢石場的三維建模工作更為簡便，擴展了無人機遙感在場地調查中的應用，對于礦區(qū)場地調查工作具有重要意義。

（1）相對于傳統(tǒng)土地調查外業(yè)繁重的狀況，在場地調查絕對精度要求不高的情況下，應用消費級無人機遙感簡單、快捷，極大地節(jié)約人員成本和時間成本。據(jù)計算，其內、外業(yè)工作效率均可提高70%以上。

（2）使用航飛后的像片可以制作正射影像圖和三維模型，用于輔助調查或設計。尤其是三維模型，不僅可以用來演示觀摩，為由于疫情或者其他原因不能到現(xiàn)場的設計人員和決策者提供直觀的材料，還可以直接在模型上進行量測（包括坐標、長度、面積、體積等），減少了外業(yè)工作量，并可對調查遺漏問題進行補充修正。

（3）利用消費級無人機影像測繪工作，可以利用系統(tǒng)自帶的GNSS系統(tǒng)確定位置信息，在無像控點布設的條件下可獲得亞米級精度的三維模型。