基于多旋翼無人機傾斜攝影測量的礦山開采區(qū)域三維形態(tài)研究

劉 陽

多旋翼無人機傾斜攝影測量技術主要是以多旋翼無人機作為的航攝平臺，在無人機上搭載出傳感器、相機、三維脈沖掃描儀，從多個方面角度同時入手，來獲得測區(qū)的點云數(shù)據(jù)和影像，這些數(shù)據(jù)和影像可用于光譜影像分析、正射影像制作、DSM制作、DLG制作等，從而形成立體三維的礦山模型，在開始開采、管理、治理等方面提供必要的支持和參考。和其他測量技術相比，多旋翼無人機傾斜攝影測量技術，在測量效率、成本、效率、場景逼真等方面有非常顯著的優(yōu)勢?；诖?，開展基于多旋翼無人機傾斜攝影測量的礦山開采區(qū)域三維形態(tài)的研究分析就顯得尤為必要。

1 多旋翼無人機傾斜攝影測量的優(yōu)勢

多旋翼無人機傾斜攝影測量技術是目前測量領域用的測量技術，和傳統(tǒng)全站儀測量技術相比，多旋翼無人機傾斜攝影測量技術集合先進的無人機技術、遙感傳感器技術、實時通信技術、GPS差分技術、POS定位技術以及自動化和數(shù)字化技術，而且擁有非常強大的后臺處理技術，多旋翼無人機傾斜攝影測量得到的數(shù)據(jù)，可用于構(gòu)建三維立體可視化模型，可大幅度提升測量數(shù)據(jù)的應用效果，和早期的衛(wèi)星航天遙感技術，以及大飛機航空攝影測量技術相比，具有的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

第一，成本低，風險小。多旋翼無人機傾斜攝影測量中采取無人機，無人機組裝簡易，對起降平臺的要求比較小，測量成本低，而且具有非?？煽康膶崟r性，可準確定位測區(qū)的范圍和采取地物的位置。在整個多旋翼無人機傾斜攝影測量過程中，無人機的飛行路線，都前期設計好的，可按照設定的航線進行自動飛行，自動測量。從而獲得更加所需的測量數(shù)據(jù)，并自動實時的傳輸?shù)降孛婵刂葡到y(tǒng)中，進行實時分析和存儲。此外，多旋翼無人機具有良好的穩(wěn)定性，在地形地貌復雜的測區(qū)、大風等條件下，也可以很好的完成測量任務，即便是無人機發(fā)生損壞，也不會影響到操作人員和測量數(shù)據(jù)的安全性。

第二，分辨率比較高。無人機受到自重、動力等因素的影響，飛行的高度、距離通常是有限的，低空飛行能夠更加清楚的拍攝到地面地形地貌和景觀的特征。因此，通過多旋翼無人機傾斜攝影測量技術通?？傻玫礁臃直媛矢摺⒏尤嬖敿毜牡匦蔚孛灿跋駭?shù)據(jù)。目前很多多旋翼無人機傾斜攝影測量得到的影像分辨率可達到0.05m～0.5m，在1：500～1：5000的測圖比例尺精度要求下，可很好的滿足相關規(guī)定，得到的測量數(shù)據(jù)，可用制作和建立大比例尺的DOM和DLG以及三維立體化模型。

第三，靈活便捷。多旋翼無人機對起降的要求比較低，在復雜的地形環(huán)境下，也可以進行很好的起降操作。在發(fā)射時由輔助設備進行發(fā)射，常用發(fā)射輔助設備有彈射器、滑翔機等，回收時可利用自帶的懸停系統(tǒng)和跳傘進行回收，因此，在具體測量中受到天氣變化和地形地貌的影響比較小，測量數(shù)據(jù)獲得的時效性也會大幅度提升。

2 多旋翼無人機傾斜攝影測量在礦山開采區(qū)域三維形態(tài)建設中的應用

2.1 案例分析

某礦山開采項目，經(jīng)過地質(zhì)勘測，發(fā)現(xiàn)為銅鎳礦山，賦存量比較大，為準確獲得該礦山的地形地貌和環(huán)境情況，采用多旋翼無人機傾斜攝影測量對礦山區(qū)域進行三維形態(tài)測量和分析，測區(qū)總面積為14.25km2，利用一組217張帶有基于WGS-84坐標系的GPS信息的航空攝影圖片進行空氣區(qū)域三維形態(tài)重建，取得了良好效果，值得其他礦石在區(qū)域三維形態(tài)建設中借鑒和參考。

2.2 多旋翼無人機傾斜攝影測量設備選型

在本次礦石區(qū)域三維形態(tài)建設中，在天氣晴朗，微風的天氣測量，空氣質(zhì)量好，周圍沒有輸配電系統(tǒng)和其他飛行系統(tǒng)的干擾，多旋翼無人機選擇了DJI Phantom3 Standard型號的無人機，相機選擇了FC300C相機，分辨率為4000×3000，焦距為3.61mm，像素類型為方形像素，單像素規(guī)格為1.56192×1.56192μm，F(xiàn)OV為94°。

2.3 航線和航點規(guī)劃設計

為獲得更加準確的礦山區(qū)域三維空間坐標數(shù)據(jù)，提升多旋翼無人機傾斜攝影測量效率和質(zhì)量，在航線和航點規(guī)劃設計中，先按照具體的要求，在礦山開采區(qū)域三維形態(tài)建模的區(qū)域進行標記和劃線，以精確定位無人機的飛行方向，并在地形圖上清楚的顯示出來。案例礦山區(qū)域測量中的航線和航點規(guī)劃設計圖如圖1所示。

2.4 圖像獲取方法

規(guī)劃設計好航線和航點和測量設備器具都準備好之后，按照飛行任務和實際測量的要求，搭載上航空攝像機。就可以啟動無人機和傾斜攝影測量設備，按照提前規(guī)劃好的航線和要求進行執(zhí)行飛行任務。飛行完成之后，就能得到多張帶有基于WGS-84坐標系GPS信息的傾斜航空攝影圖片及圖像。

2.5 圖像處理

通過多旋翼無人機傾斜攝影測量可達到數(shù)以千萬張的影像和圖像，這些測量信息，有的是有價值，有用的信息，而有的則是毫無價值影像，為減輕三維形態(tài)建模的工作量，在正式使用之前，需要先進行預處理。對多旋翼無人機傾斜攝影測量傳輸回來的圖片和影像進行下載和質(zhì)量檢查。達標礦山開采三維形態(tài)建模要求的圖片進行畸變校正，畸變校正可利用專用的軟件系統(tǒng)來完成，無需人為干預，具有良好的自動化水平。畸變校正完成后，再進行初步建模和建模質(zhì)量分析。但經(jīng)過畸變校正之后，會在一定程度上降低圖像邊緣細節(jié)質(zhì)量，所以，就需要對各個圖像在航向和旁向上都有大于30%左右的重合部分，以便彌補圖像校正所帶來的各個圖像邊緣在圖像校正過程中的精度損失。通常情況下，會采取軟件對圖像實際拍攝位置和計算拍攝位置差異的檢測，在案例礦山開采三維形態(tài)建模分析中，采取的檢測方法為通過專用的軟件對圖像進行合理分類和匹配，就能得出最終位置差異的比較結(jié)果。案例礦山利用多旋翼無人機傾斜攝影測量獲得的實際拍攝位置及計算拍攝位置的差異情況如圖2所示。

圖2中原始位置為藍色小球，而計算獲得的圖像位置為綠色小球，二者的相差偏移量可通過重合度表示出來。圖2中的中間大圖就是頂視圖，也就是XY平面；下部圖片則為前視圖片，也就是XZ平面；右側(cè)的為側(cè)視圖，也就是YZ平面。通過頂視圖可以看出，在本次多旋翼無人機傾斜攝影測量中，攝影測量的位置精度比較高，實際拍攝位置和計算得到的位置差異比較小，也就表明最終礦山開采三維形態(tài)建模精度比較高。而從前視圖和側(cè)視圖中能夠看出，本次多旋翼無人機傾斜攝影測量飛行高度保持的比較好，各個圖片之間的相關性比較高，可有效保證建模的精度。在所需的建模區(qū)域，每個區(qū)域所能匹配的像素點都能被五張以上的圖片所包含，也可以有效保證建模的精度，再通過正射影像上的每個像素所包含的圖像數(shù)目數(shù)量檢測之后，就能形成點云加密前相應的DSM模型。

2.6 三維重建和點云加密

三維重建和點云加密都是多旋翼無人機傾斜攝影測量在礦山開采區(qū)域三維形態(tài)建設中的關鍵步驟，而且都具有很強的復雜性，且難度比較大。本次測量中三維重建用專用的計算機軟件來自動識別和判別圖像之間的特點，再對這些特征點按照被圖像包含的數(shù)目多少賦予相應的權(quán)重，就能形成特征點的匹配網(wǎng)絡圖，網(wǎng)路圖之間的連線就是兩幅圖像的關聯(lián)，按照網(wǎng)絡圖之間連線顏色的深淺，就能獲知相互之間關聯(lián)度的強弱情況。隨著網(wǎng)路技術的不斷發(fā)展，計算機軟件系統(tǒng)愈發(fā)先進，可按照實際需求對圖像加入合適的人工標識特征點，以更好的保障礦山開采區(qū)域三維形態(tài)建模的質(zhì)量和精度。通過人工增加特征點之后，就可以得到初步的生成關鍵點數(shù)據(jù)表。得到關鍵點數(shù)據(jù)表之后，就可以進行初步的三維重建，以粗略的反映礦山開采區(qū)域三維形態(tài)模型的大致輪廓。然后再經(jīng)過點云加密處理，就能得到正式的三維模型。形成三維模型之后，通過計算機軟件系統(tǒng)，技能計算出每個點所對應的高程和位置坐標值，再通過計算分析，就能得到礦山開采區(qū)域三維形態(tài)的高程云圖。

案例礦山開采區(qū)域高程變化明顯，為提升礦山開采區(qū)域三維形態(tài)建模的立體化程度，需要由不同的顏色來代表不同的相對高程，并在帶有特征點的情況下，建設礦山開采區(qū)域三維形態(tài)模型，其精度會得到大幅度提升。再用插值算法對建立的模型進行平滑處理，經(jīng)過系統(tǒng)的平滑處理之后，就能得到精確、清晰、立體化的三維高程模型。但會導致一些細節(jié)喪失，如：對礦山開采區(qū)域三維形態(tài)模型經(jīng)過平滑處理之后，地面的植被、細小砂石等會在模型圖上消失。但這并不會影響礦山開采區(qū)域三維形態(tài)建模的總體精度。通過三維建模和點云加密之后，就能得到整個建模區(qū)域的高精度三維模型，具體情況如圖3所示。

圖3 礦山開采區(qū)域三維形態(tài)的高精度模型圖

2.7 精度分析

多旋翼無人機傾斜攝影測量在礦山開采區(qū)域三維形態(tài)建設中應用時，衡量應用精度的指標主要有兩個，一個是空三加密的檢查點精度，另一個是平面和高程精度。

2.7.1 空三加密的檢查點精度分析

通過多旋翼無人機傾斜攝影測量技術得到的礦山開采區(qū)域三維形態(tài)模型經(jīng)過空三加密調(diào)整之后，其檢查點的誤差為實測坐標值和對應圖像點坐標計算加密坐標值之差的一個具體數(shù)值。案例礦山經(jīng)過測量和計算，其殘差如表1所示。

表1 空三加密檢查點的方向殘差值表

根據(jù)空三加密檢查點的方向殘差值，推測出本次礦山開采區(qū)域檢查點平面中誤差的數(shù)值為0.105，最大誤差為±0.210。同理也可以計算出，高程坐標中誤差為±0.128，最大的誤差值為±0.210?？杖用軝z查點誤差最大限差數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 空三加密檢查點誤差最大限差表

通過表2和表3的相互對比可知，本次礦山開采區(qū)域三維形態(tài)模型空三加密檢查點的精度符合相關標準和規(guī)范要求，精度比較高，真實可靠，可為礦山開采和管理提供必要的參考和指導。

2.7.2 平面和高程精度檢查

在本礦山開采區(qū)域三維形態(tài)建模中，外業(yè)測量的檢查點，主要是通過中海達V30接收機聯(lián)合GPS RTK測量技術進行測量，測量數(shù)據(jù)和礦山開采區(qū)域三維形態(tài)模型中的相同點位坐標數(shù)據(jù)進行對比，通過中誤差計算公式以及相關規(guī)范和標準對三維模型的相關固定，要求礦山開采區(qū)域三維形態(tài)模型的平面精度不能表3中的規(guī)定，高程精度則不能低于表4中的規(guī)定。

表3 礦山開采區(qū)域三維形態(tài)模型的平面精度（m）

表4 礦山開采區(qū)域三維形態(tài)模型高程精度（m）

在礦山開采區(qū)域三維形態(tài)建模中，采取多旋翼無人機傾斜攝影測量技術，可為礦山開采、規(guī)劃、治理、監(jiān)測、管理、環(huán)境保護等提供真實可靠的DOM數(shù)據(jù)、三維傾斜立體模型數(shù)據(jù)、DLG數(shù)據(jù)等。通過精度分析，礦山開采區(qū)域三維形態(tài)模型檢查點的精度，滿足要求相關規(guī)范的要求。

3 多旋翼無人機傾斜攝影測量技術的發(fā)展趨勢分析

多旋翼無人機傾斜攝影測量技術具有很強的綜合性，融合了很多先進的技術，將其應用到礦山開采中具有兩個非常顯著的特點。

其一是數(shù)據(jù)分辨率非常高，多旋翼無人機傾斜攝影測量中攜帶了高分辨率的可見光相機，目前我國可見光數(shù)碼相機技術非常先進，分辨率極高，在礦山開采測量中應用時可獲得毫米級別的影像數(shù)據(jù)資料，能夠滿足各種比例尺和地形地貌變化的測量要求，成圖和三維重建的尺度以及比例可按照實際研究的需求進行合理調(diào)整，這是傳統(tǒng)測量技術無法比擬的。

其二數(shù)據(jù)資料更新速度非?？?。在礦山測量中應用多旋翼無人機傾斜攝影測量技術可實現(xiàn)自動化測量和測繪，而且對空域的限制要求非常小，只要在適宜的天氣，就能開展測量工作，可大幅度提升數(shù)據(jù)資料采集、匯總、分析、整理的時效性。

基于此，多旋翼無人機傾斜攝影測量技術分辨率高、數(shù)據(jù)資料更新速度快的特點，其在礦山領域中應用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

第一，通過多旋翼無人機傾斜攝影測量技術可為建設數(shù)字化礦山提供更加詳細的數(shù)據(jù)和資料。利用多旋翼無人機傾斜攝影測量技術可為礦山的開采管理和環(huán)境質(zhì)量，提供大量遙感影像、地形圖件、DSM模型、DEM模型等，從而為建設數(shù)字化礦山提供各種基礎信息。而且多旋翼無人機傾斜攝影測量技術在應用時，多以低空姿態(tài)飛行，可按照礦山的實際情況，自行劃定航行路線，可有效克服礦山地形地貌復雜，所處位置偏僻的缺點，減少野外測量工作量，減輕人為勞動量，避免發(fā)生安全風險。

第二，礦山開采比較自然會對周圍的生態(tài)環(huán)境，造成一定的影響和破壞。但礦山通常情況下都位于地形地貌惡劣、地質(zhì)條件復雜的偏遠山區(qū)，使得環(huán)境保護和排土場的管理難度非常大。因此，生態(tài)環(huán)境保護和治理，長期以來都礦山開采的重難點，也是限制礦山事業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的關鍵。通過多旋翼無人機傾斜攝影測量技術可有效解決這一問題。此項技術數(shù)據(jù)采集過程簡單、安全、高效，可在很短的時間內(nèi)就獲得大量真實、有效的影像和數(shù)據(jù)，可快速完成礦山開采、排土、復墾方面的監(jiān)測和定位，從而在保證礦山開采效率和安全的基礎上，更好的保障生態(tài)環(huán)境，促使礦山事業(yè)和環(huán)境保護同起步共發(fā)展，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)語

綜上所述，結(jié)合理論實踐，分析了基于多旋翼無人機傾斜攝影測量的礦山開采區(qū)域三維形態(tài)，分析結(jié)果表明，礦山開采區(qū)域三維形態(tài)建模是當代建設數(shù)字化礦山的關鍵。但數(shù)字化礦山對礦山區(qū)域的地形地貌測量數(shù)據(jù)有很高的要求，傳統(tǒng)的全站儀測量技術和遙感測量技術，在礦山開采測量中具有很大的局限性，難以為礦山開采區(qū)域三維形態(tài)建模提供準確、實時、高分辨率的影像數(shù)據(jù)。而采用多旋翼無人機傾斜攝影測量技術就可以有效解決這一問題，為數(shù)字化礦山建設提供清楚、三維立體化的地形圖、數(shù)字正射影像、數(shù)值高程模型、三維可視化數(shù)據(jù)等，為礦山的開采、治理、環(huán)境保護等提供更加全面的數(shù)據(jù)，促使我國礦山事業(yè)實現(xiàn)健康持續(xù)的發(fā)展。