無人機(jī)三維攝影技術(shù)在礦山地質(zhì)勘查中的應(yīng)用探究

張玉剛，呂忠良，毛洪輝，任曉軒，晏繼君

中國整體經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展促使中國各產(chǎn)業(yè)發(fā)展得很快。近年來由于技術(shù)的進(jìn)步，尤其是電子計算器的快速發(fā)展，使得大型民用無人機(jī)空中航拍控制系統(tǒng)在中國的方方面面都得以應(yīng)用，而且無人機(jī)航拍控制系統(tǒng)的測量結(jié)果表現(xiàn)出了很多的技術(shù)優(yōu)勢，通過加快無人機(jī)航拍測量系統(tǒng)的技術(shù)的進(jìn)展，可以將它迅速的運(yùn)用于地質(zhì)、礦區(qū)災(zāi)害處理等應(yīng)用領(lǐng)域。

1 無人機(jī)攝影測量的特點(diǎn)

1.1 操作簡單、成本也相對低廉

相比于一些傳統(tǒng)航空檢測儀器，在無人機(jī)攝影檢測中投入的成本也相對低，而且人為操作較為簡單，也不需要經(jīng)過過量的訓(xùn)練就可以完成操作。

1.2 圖像清晰度

在攝影檢測項(xiàng)目中，無人駕駛飛行器占有了重要的優(yōu)勢，它可以獲取較高清晰度的圖像，相對于傳統(tǒng)的遙感檢測方法，它不受云層的束縛。由于無人機(jī)能夠隨意的在云彩下飛翔，所以獲取的圖片并不會因?yàn)楸辉撇蕮踝《绊懙角逦?，同時，由于無人機(jī)還能夠從不同視角進(jìn)行拍攝，從而有效的提高了數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確度，從而彌補(bǔ)了傳統(tǒng)遙感檢測科技的不足。

1.3 精度高

由于無人機(jī)在行駛過程中能夠全方位轉(zhuǎn)換，而且飛行高度都在一公里之內(nèi)，自身所配備的攝像機(jī)都是高清的，其攝像的精確度也可以做到亞米級水平，所以，通過無人駕駛的飛行器來完成測量工作，可以在一定程度上提高工作的水平。在我國的當(dāng)前礦山勘探作業(yè)中，無人機(jī)除了滿足其高精度需求，也可以被應(yīng)用到中低空攝影測量領(lǐng)域，同時適應(yīng)高精確度測量需求。

1.4 安全與靈活

總的來說，由于無人機(jī)本身重量比較輕，所以人工操縱也相對簡單，在穩(wěn)定性和靈敏度等方面都要優(yōu)于常規(guī)測繪技術(shù)，同時在真實(shí)的無人機(jī)操控過程中，由于外部的自然條件因素對無人機(jī)干擾甚少，所以即使出現(xiàn)了不良的氣象，也不會干擾到無人機(jī)正常的行駛。在實(shí)際試飛過程中，也不會無人機(jī)發(fā)生了故障，也不會危害到操作人員的安全，這也就解決了生命安全這一關(guān)鍵性問題，同時增強(qiáng)了礦山勘查工作的穩(wěn)定性。

2 無人機(jī)傾斜攝影測量概述

2.1 傾斜攝影技術(shù)

近年來，傾斜攝影是在我國科學(xué)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域蓬勃發(fā)展出來的攝影測量技術(shù)手段，利用技術(shù)手段在垂直和水平四種視角傾斜五個不同的方向同步采集圖像的視角，可以在建筑的頂部和高分辨率的紋理等方面更加豐富。它不但能精確地表現(xiàn)地面物體的運(yùn)動狀況，同時還能更精確地得到地面物體的紋理信息。它還能夠利用先進(jìn)的定位、融合、建模，以及其他技術(shù)手段來制作逼真的3D 建模。

2.2 無人機(jī)傾斜攝影測量系統(tǒng)組成

2.2.1 自駕及慣導(dǎo)系統(tǒng)

航飛自駕及慣導(dǎo)控制系統(tǒng)，簡稱飛控。主體包含，陀螺儀，加速度計、地磁感應(yīng)、GPS 模塊和控制電路，主要用途是自動感應(yīng)無人機(jī)設(shè)備的飛行姿態(tài)，并監(jiān)控飛機(jī)路徑。

2.2.2 傾針攝影相機(jī)

傾斜攝影鏡頭通常是由一個垂直或者四個傾斜五個左右的全視角高像素面陣數(shù)碼相機(jī)頭構(gòu)成，在特定角度下放置于云臺上。斜置相機(jī)包含一個更小的相機(jī)、一個前視相機(jī)、一個后視攝像頭、一個左鏡頭和一個右鏡頭，相機(jī)是垂直的，前裝相機(jī)、后置鏡頭、左相機(jī)和右鏡頭也是傾斜的。用來拍攝地的側(cè)面紋理影像，傾斜范圍在15°～45°之間。

2.2.3 云臺

云臺是安置、穩(wěn)定照相機(jī)的基礎(chǔ)裝置，能夠降低航拍過程中的無人機(jī)飛行姿勢對照相機(jī)拍攝角度影響。

2.2.4 地面控制系統(tǒng)

地面系統(tǒng)，一般分為計算機(jī)、信息傳送控制系統(tǒng)和地面自動控制系統(tǒng)。

2.2.5 其他設(shè)備

包括發(fā)射架，車輛，降落系統(tǒng)等。

3 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的測繪方式

無人機(jī)傾斜式拍攝技術(shù)具有國際領(lǐng)先水平，可以提將數(shù)據(jù)信息的表現(xiàn)得更為直接和精準(zhǔn)，在測繪礦山的地貌時候能夠同時從多種視角加以觀測，將礦山的地質(zhì)狀況更為逼真地表現(xiàn)出來，同時也可以大幅節(jié)約人力物力以及財力，使地質(zhì)的地形特征更為全面，更為完善地表現(xiàn)出來。對地形的測量傳統(tǒng)方法在正射影像當(dāng)中所出現(xiàn)的缺陷通過無人機(jī)設(shè)備可以加以克服，從而代替了原來傳統(tǒng)單一方式的測量方法。通過無人機(jī)設(shè)備還可以對礦井的高程距離及各類相關(guān)信息在影像當(dāng)中進(jìn)行檢測，把傳統(tǒng)無人機(jī)設(shè)備的拍攝技術(shù)優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮出來，可以實(shí)現(xiàn)更大面積的高空攝影，從而可以把礦井地質(zhì)紋理用立體模擬的方法表現(xiàn)出來，從而得出高度相關(guān)的數(shù)據(jù)。

3.1 前期考察調(diào)研

在無人機(jī)航拍進(jìn)行前，首先要對礦山攝影的區(qū)域加以判斷，對拍攝畫面的清晰度加以判斷和調(diào)節(jié)，為防止發(fā)生意外的情形，適當(dāng)對攝影區(qū)域增加一些噪點(diǎn)。

3.2 拍攝航線的確定

將前期調(diào)查中所獲得的所有資料和數(shù)據(jù)，都加以綜合的整理并對之加以分析，并將這些調(diào)查所得的所有資料都以大數(shù)據(jù)的方式展示出來，同時配合無人機(jī)的控制軟件，可以調(diào)節(jié)的分辨率，以及把航拍的高度、畫面的所有數(shù)據(jù)都添加到其中，把航拍的道路規(guī)劃好。

3.3 內(nèi)外業(yè)的航拍與處理階段

在飛機(jī)的平臺上搭載了斜面視角和垂直于視角的感應(yīng)器，同時在采用無人機(jī)傾斜技術(shù)拍照的同時要把礦山的相關(guān)的所有數(shù)據(jù)都完成相應(yīng)的錄入，并統(tǒng)一完成數(shù)據(jù)分析和匯總。比如航拍的方位、鏡頭的視角，以及畫面大小等信息。當(dāng)對礦井地質(zhì)的無人駕駛飛機(jī)傾斜攝影攝像技術(shù)都完成以后，要由專門的人員利用一些軟件對攝影信息來完成數(shù)據(jù)處理和解析，最后可以獲取一個三維立體的模型。而無人駕駛直升機(jī)的傾斜攝像技術(shù)，不僅能夠直接把取景地的現(xiàn)場狀況信息帶給技術(shù)人員，還可以顯示出礦井的實(shí)際地理位置，從而顯示更多的相關(guān)數(shù)據(jù)，以便得到更加完善的礦井地質(zhì)。

3.4 對測量結(jié)果進(jìn)行評價

對礦山地形的測定結(jié)果的確定，取決于檢查點(diǎn)的結(jié)果是否精確。所以，對采礦地質(zhì)項(xiàng)目的所有檢測結(jié)果，都必須采用檢查點(diǎn)法來進(jìn)行仔細(xì)的檢驗(yàn)，以檢查項(xiàng)目的合格程度和完整程度，而對于采礦地質(zhì)的攝影畫面當(dāng)中有無明顯的拼接痕跡都要進(jìn)行仔細(xì)的檢驗(yàn)，以保證所拍攝資料的準(zhǔn)確性。

4 無人機(jī)航空測量技術(shù)在采礦地質(zhì)中的運(yùn)用

4.1 航測技術(shù)在礦山測繪中的應(yīng)用

采礦測量圖是在采礦的開采過程之前規(guī)劃測量和繪制，將地表現(xiàn)有的地表特點(diǎn)和界線利用測量手段，得到表現(xiàn)在地面現(xiàn)狀上的圖像和位置信號，供礦山工程的規(guī)劃設(shè)計時使用，主要運(yùn)用了無人機(jī)攝影畫面清晰的特點(diǎn)。在確定開采有色金屬礦工程后首先確定開采區(qū)域，以確定的采礦區(qū)域的地圖圖像為航空勘測的依據(jù)，設(shè)置坐標(biāo)方位和飛行軌道。接著，從所有計算機(jī)中選擇橫縱雙向的交叉布線方法。檢查預(yù)設(shè)的自動航測控制參數(shù)和飛行狀況，并檢測無人駕駛飛行器的蓄電池容量狀況能否適應(yīng)整個飛行測試的流程，以保證各項(xiàng)管理工作順利完成。內(nèi)部布點(diǎn)的情況為地面監(jiān)控外業(yè)技術(shù)人員在野外刺點(diǎn)，測繪圖是按照《1：500，1：1000，1：2000 區(qū)域地形圖航空攝影測量外業(yè)技術(shù)規(guī)范》中所規(guī)定的地區(qū)網(wǎng)點(diǎn)圖執(zhí)行的，在繪制過程中依據(jù)礦山地區(qū)中的地形地貌，標(biāo)示出了地面區(qū)域死角。設(shè)定好無人機(jī)數(shù)據(jù)后就可以完成航拍功能，將無人機(jī)在行駛時獲取的圖片與數(shù)據(jù)分別上傳到了電腦中，由系統(tǒng)完成了數(shù)據(jù)處理，將圖片進(jìn)行等比還原后制造出了目標(biāo)區(qū)域礦產(chǎn)的測繪地圖，并說明區(qū)域內(nèi)的礦區(qū)所在具體位置、危險地帶內(nèi)的情況，以及地標(biāo)間的相對位置等。用航測技術(shù)的高精確性結(jié)合數(shù)字化處理圖形的智能化，在提高測繪圖形準(zhǔn)確率的基礎(chǔ)上減少了圖形繪制的困難。

4.2 空中三角加密測量

在獲得礦山記錄的攝影數(shù)據(jù)信息時，必須做好攝影資料的預(yù)處理，如攝影數(shù)據(jù)信息的畸變校正、轉(zhuǎn)換、增光勻光等處理。經(jīng)過了上述運(yùn)算之后完成了高空三角加密測量，這主要是基于無人機(jī)設(shè)備的傾角拍攝測量技術(shù)，雖然有效的改變了傳統(tǒng)無人機(jī)拍攝設(shè)備垂直拍攝技術(shù)只可以獲得垂直方位圖像資料的不足，從而達(dá)到了多角度、全方位地拍攝監(jiān)測區(qū)圖像數(shù)據(jù)的目的，同時得到的圖像數(shù)據(jù)資料也比較完整，從而減少了測量區(qū)測繪盲點(diǎn)的幾率，但由于無人機(jī)拍攝設(shè)備傾角拍攝技術(shù)不可避免的受到周圍高大林木、建筑結(jié)構(gòu)等因素干擾而會產(chǎn)生拍攝盲點(diǎn)，所以此時就必須通過高空三角加密測量，才可以通過在航拍流程中手動保存的POS 數(shù)據(jù)信息加以解算，從而制造出準(zhǔn)確率較高的礦區(qū)成果資料。

外部的環(huán)境因素對地面測量過程產(chǎn)生的影響也是不可避免的，比如植被影響，正是這種外部影響造成了無人駕駛飛行器在實(shí)際的傾斜拍攝過程中往往達(dá)不到對地面控制區(qū)域測量的實(shí)際條件，甚至是存在著測量區(qū)域盲區(qū)問題等，最后仍然達(dá)不到地面測量期望的結(jié)果。在這種時刻空間三角加密與校準(zhǔn)的主要工作的特性就凸現(xiàn)起來了，通過采用空間三角加密數(shù)據(jù)處理與校準(zhǔn)就能夠很高效的克服地面測量準(zhǔn)確度不達(dá)標(biāo)的問題。而空間三角形加密處理的主要優(yōu)點(diǎn)就是可以建立在精確估計出地面影像外的方位元素上，然后再利用一些軟件的相互配合把影響因素全部去除掉，這么做不但能夠很高效的改善地面測量的準(zhǔn)確性，同時也可以很有效率的提高地質(zhì)條件較差的地區(qū)航測結(jié)果。在實(shí)現(xiàn)地空中三角形加密處理工作的基礎(chǔ)上，還能夠根據(jù)礦山測量中的輸出要求將DOM、DEM、DSM 等模塊輸出。

4.3 傾斜影像獲取及預(yù)處理

在開展實(shí)施無人機(jī)航拍任務(wù)前必須做好航線的設(shè)計，在掌握測量區(qū)域基本狀況的基礎(chǔ)上，充分考慮無人駕駛飛行器的性能參數(shù)選擇適當(dāng)?shù)脑囷w日期和飛越時間，進(jìn)而才能開展外業(yè)的傾斜攝影工作。在航空攝影過程中可獲得多角度拍照影像資料，在相關(guān)的攝像控制器和加密點(diǎn)范圍內(nèi)自動獲取，并得到相關(guān)的傾斜影像資源。在對已測量區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)信息收集完畢后通過對測繪數(shù)據(jù)的預(yù)處理，將獲取的傾斜影像，將其反投影至新創(chuàng)建的虛擬映像中，目的是為降低突出于地面豎直物體上的重影現(xiàn)象。

4.4 數(shù)據(jù)采集

三維空間資料模式的建設(shè)，是指通過對多視點(diǎn)傾角影像采用幾何校準(zhǔn)、聯(lián)合平差、多視對應(yīng)等各種運(yùn)算，最后得到可視化的三維空間傾斜模式的流程。在三維空間資料模式建設(shè)完成后，就能夠通過信息處理軟件得到測量范圍內(nèi)的地物、地貌等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理的收集工作，一般包括以下三方面的內(nèi)容：①地物要素的收集工作，一般由監(jiān)測任務(wù)人員自動完成，如通過捕捉影片中的像控點(diǎn)、構(gòu)筑物等，有助于提升監(jiān)測的準(zhǔn)確度；②地貌要素三維信息的自動獲取，基本上涵蓋了對監(jiān)測地區(qū)等高線、高程注記點(diǎn)等的收集工作，雖然能夠通過現(xiàn)代化的信息處理軟件平臺實(shí)現(xiàn)，但必須通過后期監(jiān)測人員的人工整飾和取舍，才能夠投入實(shí)際使用；③地物等自然要素遮蔽問題的解決上，對相片資料中的遮蔽地區(qū)予以補(bǔ)充檢測，將有助于提升最終的檢測準(zhǔn)確度。在獲取飛機(jī)圖像數(shù)據(jù)信息的技術(shù)基礎(chǔ)上，先通過圖像數(shù)據(jù)信息預(yù)處理并對其執(zhí)行空間三角加密數(shù)據(jù)處理，完成后執(zhí)行校正、平差、鑲嵌等數(shù)據(jù)處理，再通過MapMatrix 全數(shù)碼攝影測量技術(shù)收集地形數(shù)據(jù)信息，并自動生成出1：2000 地形曲線，對得到的產(chǎn)品執(zhí)行測試，如出現(xiàn)了問題，則需要再執(zhí)行對檢查數(shù)據(jù)的修正，直到位置圖確定無誤為止。

4.5 匹配生成密集點(diǎn)云

在對影像數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)多視點(diǎn)聯(lián)合空間三角加密測量的技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)而生成出測繪區(qū)內(nèi)密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析，對密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽取、整合、優(yōu)化等處理過程，并通過POS 數(shù)據(jù)處理中所涉及的外位置元素，以及特征信息匹配等方法生成出高密度的DSM 數(shù)據(jù)分析等，從而為建立礦山三維空間地理環(huán)境提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

4.6 數(shù)據(jù)處理以及成像

（1）解析了空間三角測量后，在實(shí)際工作中，有關(guān)人員就可以直接通過全數(shù)碼攝影測量工作站，然后再通過其他的各種過程，具體如像控點(diǎn)測量、像點(diǎn)連接等過程，對DOM 的合成和空間三角測量的自動化進(jìn)行。至于相機(jī)數(shù)據(jù)和控制點(diǎn)部分，則需要加以測試，當(dāng)確定其沒有什么錯誤以后，再進(jìn)行像控點(diǎn)檢測。

（2）對于外業(yè)調(diào)繪法，在具體的流程上，首先需要對全野外調(diào)繪法做出分析，然后再利用航空影像技術(shù)，對DEM 數(shù)據(jù)做出整合。

（3）對于地形圖數(shù)據(jù)的收集和管理，也要通過全數(shù)碼攝影監(jiān)測工作站，直接對數(shù)據(jù)信息加以采集，而所采用的模擬對象：自動恢復(fù)模式，可以實(shí)現(xiàn)立體化、全面的圖形檢測，從根本上避免了二次誤差問題，為測圖的精度提供了保證。在采集工作真正開始以前，一般需要先完成空三精度檢測工作，然后再通過像控點(diǎn)開始測量，當(dāng)確定其滿足了相應(yīng)的精度條件之后，再陸續(xù)開始后面的作業(yè)。

（4）同時制造DOM 和DEM，在此流程中，重點(diǎn)是借助相關(guān)軟件對DEM 完成制造，同時需要保證其制造精度可以與經(jīng)過處理和剪輯后的地形圖數(shù)值保持一致，在完成了以上的全部步驟以后，還需要繼續(xù)借助于專用軟件，對真正攝影影像完成制造，在這一過程中，還必須妥善做好技術(shù)把控工作，以避免產(chǎn)生誤差的問題。

4.7 對影像的特征進(jìn)行利用

運(yùn)用遙感等地質(zhì)勘查技術(shù)能夠?qū)Σ煌牡乩碛诚裉攸c(diǎn)加以分析，從而正確的對所勘察地區(qū)的與地層或柱形圖相對的地層和巖漿等進(jìn)行分類。而運(yùn)用地理影像特征進(jìn)行地區(qū)或是單元分類，是對某一地區(qū)進(jìn)行遙感研究的主要前提條件，同時也是對所研究地區(qū)的地層和巖漿等物質(zhì)活動特征進(jìn)行比較的主要基礎(chǔ)。由于在同一個地區(qū)的同種地理特征在映像上顯示的影紋和顏色等物質(zhì)特點(diǎn)都是相同的，從而能夠利用對已檢查出的某些物質(zhì)的活動特點(diǎn)進(jìn)行追索解譯和對比解譯。同時利用對典型地區(qū)巖層結(jié)構(gòu)的分類，可以分析該地區(qū)巖層構(gòu)成時的地層、巖漿等的活動表現(xiàn)。在運(yùn)用遙感技術(shù)開展地域內(nèi)的地理巖石研究工作時，對于某地對地物質(zhì)信息的獲取，應(yīng)當(dāng)以影片作為最基礎(chǔ)的根據(jù)，客觀準(zhǔn)確逼真地展示轄區(qū)內(nèi)的地質(zhì)地物的影子，并盡量減少對傳統(tǒng)“專家工作經(jīng)驗(yàn)”的運(yùn)用。

5 結(jié)語

綜上所述，無人機(jī)傾角照相檢測技術(shù)在礦山大尺度地形圖測量工作中有著突出的優(yōu)越性，明顯的降低了測量員外業(yè)工作量，大大提高了檢測工作效率，也降低了檢測生產(chǎn)成本。將無人機(jī)傾角拍攝檢測技術(shù)運(yùn)用到礦井監(jiān)測，明顯的提升了檢測準(zhǔn)確度，為礦井施工打下了基礎(chǔ)。另外，傾角拍攝技術(shù)得到的影像數(shù)據(jù)包括三維空間信號，為建立三維礦井和智能采礦打下了基礎(chǔ)。