無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在某露天礦山三維建模中的應(yīng)用

張 君 周 銳 唐宛唐

（1.長(zhǎng)沙施瑪特邁科技有限公司；2.中南大學(xué)數(shù)字礦山研究中心；3.長(zhǎng)沙迪邁數(shù)碼科技股份有限公司）

露天礦山主要采用全站儀、GNSS、RTK及三維激光掃描儀等設(shè)備完成采場(chǎng)現(xiàn)狀圖繪制及測(cè)量驗(yàn)收等工作［1-2］。露天礦山測(cè)繪往往通過(guò)測(cè)量、計(jì)算和繪圖來(lái)確定空間三維坐標(biāo)，雖然可獲取高精度單點(diǎn)坐標(biāo)，但也存在測(cè)量點(diǎn)分散、測(cè)繪實(shí)施難度大、測(cè)繪效率低、測(cè)繪成果單一、圖紙表現(xiàn)力不強(qiáng)等問(wèn)題，在礦山實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，難以直觀全面地描述測(cè)區(qū)和掌握露天礦山采場(chǎng)現(xiàn)狀。近年興起的無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)具有方便快捷、實(shí)施周期短等特點(diǎn)，能在較短時(shí)間內(nèi)測(cè)繪出附帶地理位置信息的三維數(shù)字化模型［3-4］。

無(wú)人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）傾斜攝影技術(shù)是指通過(guò)無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載傾斜攝影相機(jī)的方式，獲取地表多角度、高分辨率航測(cè)影像，同時(shí)為每張影像賦予確定的地理位置信息。通過(guò)對(duì)模型特征點(diǎn)提取、空三測(cè)量、多視影像密集匹配，在獲得密集點(diǎn)云的基礎(chǔ)上，構(gòu)建不規(guī)則三維網(wǎng)格和紋理映射，可快速構(gòu)造真實(shí)的實(shí)景三維模型。

在數(shù)字城市建設(shè)領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可通過(guò)實(shí)景三維模型完成地表大比例尺地形圖的繪制［5-6］；在交通建設(shè)領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)結(jié)合BIM技術(shù)，可有效兼顧傾斜攝影數(shù)據(jù)紋理真實(shí)性和BIM模型的可控性［7-8］；在地籍測(cè)繪領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)能夠有效地收集以及整理數(shù)據(jù)，并且獲得的數(shù)據(jù)也相對(duì)準(zhǔn)確。

目前無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在地籍測(cè)量、不動(dòng)產(chǎn)登記調(diào)查、數(shù)字城市等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但是在露天礦山的研究相對(duì)較少。本文基于現(xiàn)有無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，結(jié)合礦山實(shí)際生產(chǎn)需求，構(gòu)建礦山整體實(shí)景三維模型，同時(shí)通過(guò)相關(guān)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理，實(shí)現(xiàn)與CAD、Dimine及南方CASS等制圖軟件的數(shù)據(jù)對(duì)接，在一定程度上解決了礦區(qū)整體測(cè)繪制圖的問(wèn)題；同時(shí)可對(duì)接卡車調(diào)度系統(tǒng)及三維管控系統(tǒng)，為露天礦山建設(shè)數(shù)字礦山、智能礦山和綠色礦山提供全礦區(qū)數(shù)字化地表三維模型［9-10］。

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)與技術(shù)原理

1.1 系統(tǒng)組成

無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)、高精度多角度測(cè)量相機(jī)、相控配件、地面站航線規(guī)劃軟件組成，如圖1所示。自動(dòng)化建模處理軟件數(shù)據(jù)處理過(guò)程如圖2所示。地面站航線規(guī)劃軟件可完成無(wú)人機(jī)航測(cè)飛行的航高、飛行速度、重疊度等飛行參數(shù)的設(shè)置，同時(shí)可實(shí)時(shí)知悉飛行器飛行狀態(tài)。自動(dòng)化建模處理軟件無(wú)需人工干預(yù)，在幾分鐘或幾小時(shí)的計(jì)算時(shí)間內(nèi)能輸出高分辨率的、帶有真實(shí)紋理的三角網(wǎng)格模型。

1.2 技術(shù)原理

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息，其中，垂直地面角度拍攝獲取的影像稱為正片，鏡頭朝向與地面成一定夾角拍攝獲取的影像稱為斜片。通過(guò)多目相機(jī)多角度采集信息，配合控制點(diǎn)或影像POS信息，影像上每個(gè)點(diǎn)都會(huì)有三維坐標(biāo)信息，同時(shí)基于影像數(shù)據(jù)可對(duì)任意點(diǎn)線面進(jìn)行量測(cè)，獲取厘米級(jí)的測(cè)量精度并自動(dòng)生成三維地理信息模型。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)路線主要包含外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。

外業(yè)數(shù)據(jù)采集要根據(jù)作業(yè)區(qū)域地貌特征，設(shè)計(jì)布置相控點(diǎn)和航拍路徑規(guī)劃，同時(shí)也要考慮天氣狀況，具體作業(yè)流程如圖3所示。

（1）資料收集。收集礦山等高線圖紙，了解礦山范圍邊界、高差等情況，用于繪制航測(cè)飛行區(qū)域。

（2）現(xiàn)場(chǎng)踏勘。了解具體地形地貌情況，初步確定航測(cè)飛行的架次分布、起飛點(diǎn)及像控點(diǎn)布設(shè)位置，并向當(dāng)?shù)乜展懿块T進(jìn)行報(bào)批，所有的航空攝影項(xiàng)目都需要進(jìn)行空域申請(qǐng)，得到批復(fù)后才可以實(shí)施測(cè)量。

（3）航測(cè)區(qū)域規(guī)劃。結(jié)合礦山資料及現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況，初步確定起飛點(diǎn)、航測(cè)飛行架次分布等情況。

（4）飛行參數(shù)設(shè)定。確定航測(cè)飛行無(wú)人機(jī)飛行速度、飛行高度、地面分辨率及重疊度等。

（5）像控點(diǎn)布設(shè)。采用“四周加中間均勻布設(shè)”的方式，L型布設(shè)，線寬20 cm。

（6）像控點(diǎn)測(cè)量。使用GNSS RTK測(cè)量的方式，測(cè)量統(tǒng)計(jì)點(diǎn)坐標(biāo)。

（7）航測(cè)飛行。采集影像資料及POS信息。

（8）外業(yè)數(shù)據(jù)打包。整理影像、POS及像控點(diǎn)坐標(biāo)信息。

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理包括以下幾部分：

（1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。原始數(shù)據(jù)包含傾斜攝影的照片和控制點(diǎn)的信息。

（2）導(dǎo)入照片。設(shè)置采樣率，檢查航片完整性，導(dǎo)入POS，編輯相機(jī)參數(shù)，每個(gè)照片組都會(huì)有一個(gè)相機(jī)參數(shù)，可以在右鍵編輯，導(dǎo)入或?qū)С鱿鄼C(jī)參數(shù)。

（3）空三測(cè)量。提交之后會(huì)顯示空三等待處理，設(shè)置引擎路徑與工程路徑一致，然后啟動(dòng)引擎，空三即可運(yùn)行。

（4）相控刺點(diǎn)。每個(gè)航帶刺點(diǎn)數(shù)不少于9張，邊緣一般不低于3張。

（5）模型重建。設(shè)置空間坐標(biāo)系，在mode選擇瓦片分塊，設(shè)置分塊大小，提交生成產(chǎn)品。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)輸出數(shù)據(jù)具有良好的可控性和交互性，源于其輸出數(shù)據(jù)格式的多元化，其應(yīng)用場(chǎng)景也涉及多個(gè)領(lǐng)域。

2 傾斜攝影技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

2.1 操作靈活

無(wú)人機(jī)技術(shù)在多年的發(fā)展中已經(jīng)朝多功能化、集群化方向發(fā)展，無(wú)論是從技術(shù)層面還是使用便捷層面，傾斜攝影建模都比傳統(tǒng)測(cè)繪具備很大優(yōu)勢(shì)。無(wú)人機(jī)設(shè)備體積更小，攜帶和操作更加方便快捷，相較于全站儀、手持RTK，無(wú)人機(jī)搭載五鏡頭能更快地對(duì)露天礦山進(jìn)行全覆蓋地測(cè)繪。

2.2 精度高

露天礦山由于地質(zhì)條件復(fù)雜、勘察風(fēng)險(xiǎn)高，存在很多人工難以到達(dá)的區(qū)域，而傾斜攝影技術(shù)可以高質(zhì)量地完成測(cè)繪工作。高分辨率的數(shù)碼相機(jī)和低空飛行數(shù)據(jù)采集方法，通過(guò)打相控點(diǎn)的方式，生產(chǎn)出來(lái)的DSM和DEM模型完全可以達(dá)到平面誤差2～3 cm、高程誤差4～5 cm的精度，滿足露天礦山日常生產(chǎn)的需要。因此，傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用可以讓采集數(shù)據(jù)范圍更廣，更便捷高效，并且借助計(jì)算機(jī)軟件形成可視化信息，將模型鑲嵌入三維礦業(yè)軟件中，在后續(xù)的采礦設(shè)計(jì)、礦山施工中發(fā)揮更高的能效。

2.3 應(yīng)急性強(qiáng)

傳統(tǒng)的礦山測(cè)量工作中，受到露天礦山生產(chǎn)作業(yè)影響，一旦發(fā)生了安全事故，會(huì)對(duì)一線的作業(yè)人員造成傷害，而應(yīng)用傾斜攝影技術(shù)可以遠(yuǎn)距離操控?zé)o人機(jī)進(jìn)行外業(yè)作業(yè)。同時(shí)對(duì)于安全事故發(fā)生的現(xiàn)狀、變化趨勢(shì)都可以利用無(wú)人機(jī)傾斜攝像技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)追蹤分析，為災(zāi)害的事故原因分析提供可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)。

3 傾斜攝影技術(shù)在露天礦山中的應(yīng)用

海螺集團(tuán)非常重視數(shù)字化和智能礦山建設(shè)，旗下很多礦山近年逐步推進(jìn)數(shù)字化礦山建設(shè)，而數(shù)字化礦山建設(shè)關(guān)鍵工作之一就是獲取礦區(qū)范圍地表三維模型，將礦山的生產(chǎn)調(diào)度、車輛、人員、資源開采情況都集中在三維管控平臺(tái)上顯示，而三維管控平臺(tái)依賴于現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)測(cè)繪的地貌信息。由于礦區(qū)范圍大，短時(shí)間通過(guò)傳統(tǒng)測(cè)繪工具難以獲得現(xiàn)場(chǎng)三維地理信息，同時(shí)傳統(tǒng)的測(cè)繪工具獲取的是點(diǎn)坐標(biāo)信息，缺乏現(xiàn)場(chǎng)地貌色彩信息，因而在顯示界面上往往是虛擬化的抽象模型。通過(guò)考察，發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可以很好地解決以上問(wèn)題，因而決定采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影的方式，獲取礦區(qū)整體三維模型，用于礦山生產(chǎn)測(cè)繪工作及數(shù)字化礦山建設(shè)。

采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對(duì)海螺水泥某露天礦山開采區(qū)域、排土場(chǎng)區(qū)域、生活辦公區(qū)域、水泥加工廠房區(qū)域進(jìn)行航拍作業(yè)，飛行區(qū)域面積是3.2 km2，外業(yè)時(shí)間是3 d，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理周期是7 d，數(shù)據(jù)處理采用Bentley公司的Context Capture三維建模軟件完成。Context Capture是一套基于圖形處理器（GPU）的快速三維場(chǎng)景運(yùn)算軟件，通過(guò)簡(jiǎn)單連續(xù)的影像生成超高密度點(diǎn)云，并在此基礎(chǔ)上生成基于真實(shí)影像紋理的高分辨率實(shí)景三維模型，并支持多種數(shù)據(jù)源，兼容各種航攝相機(jī)系統(tǒng)，同時(shí)能夠輸出obj、osgb、dae、xml等通用兼容格式，且能方便自由地導(dǎo)入各種主流GIS平臺(tái)及三維編輯軟件，模型可對(duì)接三維管控平臺(tái)，接入生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)模型定期更新。該礦數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖4所示，該模型可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量、長(zhǎng)度測(cè)量、面積測(cè)量、體積測(cè)量等功能。構(gòu)造實(shí)景三維模型的同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)DLG、DOM、DSM等數(shù)字地圖的生成，在礦山大比例尺地形圖繪制、堆體方量計(jì)算、采場(chǎng)填挖方量計(jì)算等方面有著很好的應(yīng)用，如圖5所示。

在實(shí)際飛行航拍以及數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，數(shù)據(jù)最終呈現(xiàn)的效果還受到水面不良反射導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性缺失或模型局部變形，物體移動(dòng)、影像分辨率低、影像覆蓋率不足導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形和紋理失真；另外，航飛作業(yè)參數(shù)的設(shè)置、航飛光影條件等因素也會(huì)影響到模型效果，如出現(xiàn)地物重影、整體拉花、融化、變形等問(wèn)題。因此，進(jìn)行無(wú)人機(jī)航拍之前需要進(jìn)行實(shí)地踏勘以及航飛規(guī)劃，這樣可以很好地提前避免或減少不利因素影響。

傾斜無(wú)人機(jī)航拍模型不僅可以實(shí)現(xiàn)三維模型的建立以及滿足礦山常規(guī)的測(cè)繪技術(shù)需求，同時(shí)基于其數(shù)據(jù)格式良好的交互性，可與礦山三維管控平臺(tái)對(duì)接，將礦山的生產(chǎn)信息、安全信息融合到無(wú)人機(jī)航拍三維模型中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)作業(yè)的三維可視化管控目標(biāo)，建成礦山的智能決策支持系統(tǒng)。三維實(shí)景展示整個(gè)礦山的總體布局，利用數(shù)據(jù)中心的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示整個(gè)礦山的生產(chǎn)狀況，為礦山生產(chǎn)指揮提供支持，如圖6所示。海螺水泥礦山結(jié)合無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)形成了“三大平臺(tái)+兩大系統(tǒng)+礦山數(shù)據(jù)中心”礦山智能管控系統(tǒng)，解決了礦山數(shù)字化、智能化建設(shè)中涉及的海量多源異質(zhì)信息進(jìn)行高效組織管理的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)模塊之間實(shí)時(shí)信息同步共享。礦山定期進(jìn)行無(wú)人機(jī)航拍作業(yè)，將三維模型更新至礦山智能管控系統(tǒng)中，礦山管理者就可以很好地掌握礦山當(dāng)前的開采情況和相關(guān)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

4 結(jié)論

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是一項(xiàng)革命性的三維測(cè)繪技術(shù)，在一定程度上改變傳統(tǒng)全站儀、RTK測(cè)量制圖實(shí)施難度大、周期長(zhǎng)的現(xiàn)狀，借助無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，可在短時(shí)間內(nèi)獲取礦山實(shí)景三維模型，且附帶準(zhǔn)確的地理位置信息，具有測(cè)量效率高、精度高等特點(diǎn)；同時(shí)，相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)繪手段，其對(duì)目標(biāo)物數(shù)字化程度更高，不僅包含了坐標(biāo)信息，還包含了真實(shí)物體紋理和色彩信息，對(duì)于推動(dòng)露天礦山數(shù)字化建設(shè)具有重要意義。無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)不僅在露天礦山三維建模中發(fā)揮重要作用，在礦山資源開采管理、礦山安全生產(chǎn)、礦山大比例尺地形圖繪制、堆體方量計(jì)算、開挖方量計(jì)算、礦山三維智能化管控系統(tǒng)等方面也具有很好的應(yīng)用前景。