基于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的露天礦山三維建模及精度分析
——以廣西為例

王 成，潘少煒，李 巖

1.廣西自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)院，廣西 南寧 530023

2.桂林理工大學(xué)測(cè)繪地理信息學(xué)院，廣西 桂林 541004

礦山的資源勘查、礦山監(jiān)測(cè)、儲(chǔ)量評(píng)估等地形測(cè)繪任務(wù)需要科學(xué)有效的技術(shù)手段來保證礦產(chǎn)資源得以安全高效地開采[1]。以往在開展礦山地形測(cè)繪原始數(shù)據(jù)采集時(shí)，一般采用RTK 或者單基站作業(yè)方式，測(cè)繪人員經(jīng)過實(shí)地測(cè)繪，完整繪制地形圖后再開展設(shè)計(jì)或施工等工作[2]。這樣的作業(yè)方式不僅時(shí)間長、工作量大，還易受到危險(xiǎn)地形的限制，測(cè)繪成果的精度難以保證[3]。

將無人機(jī)傾斜攝影三維建模與礦山測(cè)繪有機(jī)地結(jié)合，不僅可以順利解決這些問題，而且還可以為礦山周圍的環(huán)境提供有效的信息和資料，提供真實(shí)的礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理的地物空間信息和模型紋理數(shù)據(jù)。王果等人[4]于2017年利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對(duì)某礦山邊坡進(jìn)行三維重建，獲取滑坡區(qū)域的長度、寬度、體積、坡度等用于監(jiān)測(cè)滑坡等災(zāi)害的信息。謝洪斌等人[5]將無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于露天礦山監(jiān)管，生成了正射影像（DOM）、數(shù)字地表模型（DSM）、三維模型等成果，估算開采分析與開采量，并將結(jié)果和其他露天礦山測(cè)量手段從精度、價(jià)格、效率、適用條件等方面做比較，結(jié)果表明該技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著。

研究小組以廣西某露天礦山作為研究區(qū)，利用無人機(jī)搭載高像素照相機(jī)獲取礦區(qū)影像，結(jié)合外業(yè)RTK 采集控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)研究區(qū)露天礦山的三維模型構(gòu)建方法以及精度評(píng)定方法進(jìn)行研究和評(píng)價(jià)。

1 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，是近景測(cè)量和航空攝影測(cè)量的改進(jìn)升級(jí)技術(shù)。它解決了拍攝角度單一的問題，無人機(jī)按照設(shè)定好的航線、一定的重疊度，拍攝垂直、前、后、左、右5 個(gè)角度的傾斜影像，并結(jié)合GPS 接收機(jī)和慣性測(cè)量單元IMU 進(jìn)行測(cè)量工作，其獲取到的影像、POS 數(shù)據(jù)以及地面控制點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理可得到測(cè)繪的“4D”產(chǎn)品以及三維模型等成果。

數(shù)據(jù)處理的主要技術(shù)流程包括：影像預(yù)處理、影像特征點(diǎn)匹配、刺點(diǎn)、光束法區(qū)域網(wǎng)平差、多視影像密集匹配、三維TIN 三角網(wǎng)構(gòu)建、模型構(gòu)建等，最后得到色彩真實(shí)、幾何精度高、可測(cè)量和分析且符合礦山實(shí)貌的三維實(shí)景模型。

2 研究區(qū)和數(shù)據(jù)獲取

2.1 研究區(qū)概況

此次選取實(shí)驗(yàn)區(qū)域?yàn)閺V西東興市某露天礦山，研究區(qū)面積約為20 萬m2。該礦山地形起伏大，最大高差約160 m，礦體直接露出地表，兩個(gè)開采面的采礦條件較好，周邊為山地、林地、耕植地且無居民區(qū)，礦山屬于中小型的露天礦山，代表性強(qiáng)。

2.2 數(shù)據(jù)來源

研究小組利用基于無人機(jī)傾斜攝影拍攝的918 張照片（分兩組，一組為459 張正射影像，另一組為459 張斜射影像），照相機(jī)型號(hào)為SONY ILCE-6000,鏡頭為E 20 mm，光圈值為2.8，影像大小為6 000×4 000。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的主要技術(shù)方法如圖1 所示。其包含以下4 個(gè)部分。

（1）外業(yè)部分：像控點(diǎn)布設(shè)和采集、無人機(jī)影像采集。

（2）數(shù)據(jù)整理：檢查控制點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)、航測(cè)影像數(shù)據(jù)、POS 數(shù)據(jù)的完整性。

（3）內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理：通過軟件的模擬和計(jì)算進(jìn)行空中三角測(cè)量，得到預(yù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)并與像控點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配矯正（刺點(diǎn)），獲得最終帶有坐標(biāo)的三維模型等產(chǎn)品。

（4）精度驗(yàn)證：對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)品進(jìn)行各項(xiàng)精度驗(yàn)證，確保達(dá)到質(zhì)量要求。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和精度討論

3.1 三維模型成果

研究小組從模型的整體和局部細(xì)節(jié)兩方面分析基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的露天礦三維模型的精度。

整體方面（見圖2），山體模型形狀起伏有致，沒有出現(xiàn)顯著錯(cuò)誤，對(duì)原始地物的形狀還原效果好，和現(xiàn)實(shí)三維世界山體構(gòu)造一致。山體由道路分層，反映出礦山的開采特征。

圖2 模型工作面整體細(xì)節(jié)圖

局部方面（見圖3），在空間形變上，三維模型和現(xiàn)實(shí)照片幾乎沒有出入，道路彎曲程度完全一致，路邊的棱角也一致，現(xiàn)實(shí)三維世界地面上的石頭凸出明顯，可見空間形狀一致性較好；貼圖色彩上看，模型色彩稍微厚重、整個(gè)畫面較為銳利（峭壁下的影子），但與現(xiàn)實(shí)世界基本一致，沒有出現(xiàn)很大變化；從完整性來看，模型圖中沒有出現(xiàn)空洞，小石頭、山邊石層、水坑、石坑、地面劃痕等細(xì)節(jié)均能較完整地表現(xiàn)出來。

圖3 照片和模型對(duì)比圖（左圖為實(shí)地照片，右圖為模型圖）

3.2 空中三角測(cè)量精度評(píng)價(jià)

3.2.1 像點(diǎn)精度評(píng)價(jià)

衡量空中三角測(cè)量加密和聯(lián)合平差的結(jié)果可以使用影像像元的均方根進(jìn)行評(píng)價(jià)。此次實(shí)驗(yàn)研究區(qū)域的像控點(diǎn)經(jīng)過平差后，其像元的均方根為0.53 個(gè)像元，小于個(gè)像元，滿足《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量內(nèi)業(yè)規(guī)范》（CH/Z3003-2010）要求。

3.2.2 像控點(diǎn)的精度評(píng)價(jià)

像控點(diǎn)的坐標(biāo)值在經(jīng)過空中三角測(cè)量加密聯(lián)合平差解算之后發(fā)生了改變。研究小組將其和外業(yè)測(cè)量坐標(biāo)值的平面及高程誤差值相比較來計(jì)算中誤差（見表1），中誤差計(jì)算公式為:

表1 像控點(diǎn)精度評(píng)價(jià)表

式（1）中，Δx、Δy、Δz 為x、y、z 方向上模型點(diǎn)坐標(biāo)值與真實(shí)測(cè)量值的差值，mx、my、mz分別為x、y、z 方向上的中誤差，m為平面誤差。

由表1 統(tǒng)計(jì)可得，平面坐標(biāo)中誤差為±7.9 cm，最大誤差為11.1 cm；垂直（即高程）中誤差為±9.2 cm，誤差最大值為-12.8 cm。平面和高程最大限差分別小于25cm 和35 cm，符合《數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范》（GB/T 23236-2009）要求。

3.3 模型精度評(píng)價(jià)

3.3.1 平面精度評(píng)價(jià)

研究小組首先對(duì)模型中的檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，然后和外業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行求差，計(jì)算出x、y、z 3 個(gè)方向的殘差，對(duì)模型進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。檢查點(diǎn)的外業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表2 所示，提取檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)如表3 所示。由表2 和表3 計(jì)算5 個(gè)檢查點(diǎn)在x、y、z 3 個(gè)方向上的殘差，其結(jié)果如表4 所示。

表2 外業(yè)實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)表

表3 提取檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)表

由表4 統(tǒng)計(jì)可知，在統(tǒng)計(jì)的該地區(qū)檢查點(diǎn)中，x 方向上的最大誤差為6.6 cm,中誤差為±4.6 cm；y 方向上的最大誤差為8.6 cm,中誤差為±4.8 cm；平面最大誤差為10.2 cm，中誤差為6.7 cm。根據(jù)《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》（CH/T9015-2012），比例尺為1 ∶500 的精度應(yīng)控制在30 cm 以內(nèi)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究區(qū)誤差為6.7 cm，小于30 cm 的標(biāo)準(zhǔn)，符合規(guī)范精度要求。

3.3.2 高程精度

由表4 可知，在統(tǒng)計(jì)的檢查點(diǎn)中，z 方向上的最大誤差為8.6 cm，中誤差為±6.3 cm，根據(jù)《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》（CH/T9015-2012），比例尺為1 ∶500 的高程精度應(yīng)控制在50 cm 以內(nèi)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究區(qū)高程誤差為6.3 cm，小于50 cm 的標(biāo)準(zhǔn)，符合規(guī)范精度要求。

表4 三維模型檢查點(diǎn)坐標(biāo)殘差統(tǒng)計(jì)表

綜上所述，經(jīng)過空中三角測(cè)量加密和聯(lián)合平差后，像元的均方根為0.53 個(gè)像元；像控點(diǎn)在經(jīng)過空中三角測(cè)量加密聯(lián)合平差后與外業(yè)測(cè)量值對(duì)比，平面坐標(biāo)中誤差為±7.9 cm，最大誤差為11.1 cm；垂直（即高程）中誤差為9.2 cm，誤差最大值為12.8 cm；模型平面坐標(biāo)中誤差為±6.7 cm，最大誤差為10.2 cm；高程中誤差為±6.3 cm，最大誤差為8.6 cm。

從以上模型的像控點(diǎn)、檢查點(diǎn)、平面和高程精度值可以很明顯地看出，使用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行三維建模，其精度較高、分布均勻，符合測(cè)繪級(jí)別精度要求，完全符合《數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范》（GB/T 23236-2009）和《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》（CH/T9015-2012）等行業(yè)規(guī)范。

4 技術(shù)難點(diǎn)

傳統(tǒng)的礦山地形測(cè)繪的技術(shù)手段有：（1）全站儀、GNSS 的單點(diǎn)式數(shù)據(jù)獲取手段。這種方法雖精度高，但作業(yè)效率低、危險(xiǎn)性大；（2）激光雷達(dá)技術(shù)掃描式獲取手段。這種方法效率高、精度高，但設(shè)備昂貴，數(shù)據(jù)量大且難以處理；（3）傳統(tǒng)攝影測(cè)量手段。這種方法拍攝角度單一，難以獲取地物的側(cè)面信息，其生產(chǎn)成果只能對(duì)長度、面積等平面信息進(jìn)行測(cè)量。總之，傳統(tǒng)的技術(shù)手段較難全面地獲取礦山的三維信息。

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)突破了影像視角單一的局限性，采用多視影像區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差的方法，利用SIFT 等算法從多角度的若干張影像中提取特征點(diǎn)和線，從POS 數(shù)據(jù)信息中篩選提取出傾斜影像的外方位元素。這種技術(shù)利用最小二乘匹配方法、同名點(diǎn)匹配法以及區(qū)域網(wǎng)光束法聯(lián)合平差來消除影像的幾何形變和遮擋影響，提高平差精度[6]，由特征點(diǎn)、特征線、控制點(diǎn)以及POS 數(shù)據(jù)建立誤差方程，最終求得影像的外方位元素和物方坐標(biāo)。

為解決由于露天礦山高程落差大而導(dǎo)致三維建模效果不理想的情況，研究小組在高程變化明顯的地方均勻布設(shè)控制點(diǎn)，并且在無人機(jī)采集數(shù)據(jù)時(shí)根據(jù)已有地形數(shù)據(jù)人為控制調(diào)整飛行高度，保證了區(qū)域各處重建效果和精度的一致性。研究小組利用無人機(jī)搭載傾斜相機(jī)鏡頭獲取研究區(qū)影像，大大減少了外業(yè)測(cè)量工作量。露天礦區(qū)地物間相互遮擋較少，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，影像效果好，構(gòu)建的模型精度優(yōu)于10 cm，作業(yè)效率高、費(fèi)用低。

5 結(jié)語

研究小組通過對(duì)無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量與三維建模的研究，結(jié)合廣西某礦山的三維模型生產(chǎn)實(shí)例論證該技術(shù)可行性。實(shí)驗(yàn)得到模型平面坐標(biāo)中誤差為±6.7 cm，最大誤差為10.2 cm；高度中誤差為±6.3 cm，最大誤差為8.6 cm，模型精度可達(dá)厘米級(jí)，且均符合行業(yè)參考精度要求。實(shí)驗(yàn)直觀表達(dá)了基于無人機(jī)傾斜攝影三維建模與礦山測(cè)繪結(jié)合的可行性，并得到以下結(jié)論。

（1）基于無人機(jī)傾斜攝影的三維建模能夠滿足礦山表面測(cè)繪需求，模型的精度達(dá)到相關(guān)規(guī)范要求。

（2）相較于同類三維建模方式，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量更適合礦山測(cè)繪，它性價(jià)比高，采集數(shù)據(jù)速度快，生產(chǎn)模型效率高。運(yùn)用該技術(shù)可減少測(cè)繪人員在礦山危險(xiǎn)區(qū)域的地面實(shí)測(cè)次數(shù)，既可以提高安全性，又可以為露天礦山開采以及其他工作提供相關(guān)數(shù)據(jù)支撐。

（3）礦山環(huán)境復(fù)雜，下一步應(yīng)繼續(xù)探討影像數(shù)量、航高、地形因素、天氣因素等條件對(duì)模型精度的影響，以進(jìn)一步推廣無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在礦山環(huán)境治理、資源估算、開采監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用。