無人機(jī)傾斜攝影測量在礦山測繪中的應(yīng)用探討

陳國珊

(廈門長衡測繪有限公司,福建 廈門 361000)

0 引言

隨著信息技術(shù)發(fā)展水平的不斷提高，當(dāng)前，其在各行各業(yè)也得到了廣泛的應(yīng)用，既有利于各個領(lǐng)域的發(fā)展，同時也使得其工作效率和質(zhì)量得到顯著改善。特別是在礦山測繪領(lǐng)域，通過無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行相關(guān)信息的采集與獲取，使得測繪工作難度大大降低，相較于傳統(tǒng)測繪技術(shù)而言，該技術(shù)準(zhǔn)確度精準(zhǔn)度以及測量效率均得到顯著提升，為礦山測繪工作的進(jìn)一步發(fā)展給予了充足動力[1]。通過應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，既能夠有效提高礦山測繪工作的安全性，有效節(jié)約人力物力資源，同時也使得測繪結(jié)果受到復(fù)雜地貌的影響，大大降低，獲得更加準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

1 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)

1.1 內(nèi)容介紹

隨著信息技術(shù)以及無人機(jī)技術(shù)的良好發(fā)展，當(dāng)前在多個領(lǐng)域，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)均發(fā)揮重要作用，為多角度測量工作提供了諸多支持與幫助。無人機(jī)傾斜測繪技術(shù)的原理，是在進(jìn)行數(shù)據(jù)測量時借助無人機(jī)從多個角度對目標(biāo)測量對象進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，最初是在建筑垂直面數(shù)據(jù)測量工作中應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，但隨著該技術(shù)的逐漸發(fā)展，以及無人機(jī)技術(shù)發(fā)展水平的逐漸提高，其應(yīng)用范圍逐漸拓寬。當(dāng)前正逐漸將無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)與GPS定位技術(shù)以及綜合圖像匹配技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用范圍，使其在實(shí)際工作中發(fā)揮更重要的作用。

無人機(jī)傾斜攝影測量系統(tǒng)包括：(1)無人機(jī)飛行平臺。無人機(jī)系統(tǒng)主要由飛控系統(tǒng)、云臺、相機(jī)、圖傳設(shè)備等組成，此類設(shè)備的性能主要基于飛行平臺向生產(chǎn)廠家進(jìn)行定制，這一過程中要重點(diǎn)研究無人機(jī)飛行平臺的載重能力，續(xù)航時間，抗干擾能力以及與平臺之間的匹配性，在應(yīng)用過程中成本相對較低，性能好，質(zhì)量輕載重大，可滿足于當(dāng)前無人機(jī)傾斜攝影所需平臺的要求。(2)飛行控制與導(dǎo)航系統(tǒng)。飛行控制系統(tǒng)主要用于接收傳感器傳回?zé)o人機(jī)飛行懸停的各種姿態(tài)變化，以及各種飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)，由飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行計算判斷，從而下達(dá)操控指令，對無人機(jī)平臺的飛行動作以及飛行姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。導(dǎo)航系統(tǒng)主要用于測量無人機(jī)曝光時刻影像的空間位置和姿態(tài)，對于無人機(jī)搭載的導(dǎo)航系統(tǒng)具備測量位置的GPS功能與測量姿態(tài)的INS系統(tǒng)，能夠快速得到影像的經(jīng)緯度、高度、姿態(tài)信息。(3)任務(wù)設(shè)備。任務(wù)設(shè)備包括攝影機(jī)、攝影機(jī)控制系統(tǒng)及其他相關(guān)部件，這些部件主要應(yīng)用于傾斜攝影，對于載重平臺較小的無人機(jī)，其佩戴的相機(jī)大多是輕小型，搭載多是單鏡頭非量測數(shù)碼相機(jī)，像素一般在2 000萬以上。在攝影測繪過程中，為了獲取高精度的地面坐標(biāo)，則需要清楚掌握攝影機(jī)的內(nèi)方位元素(x,y,f)，在航測之前需要對無人機(jī)進(jìn)行檢校工作，一般檢校工作是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，獲取影像內(nèi)方位元素和畸變參數(shù)[2]。(4)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)需要傳輸兩個方面的內(nèi)容，一是無人機(jī)飛行參數(shù)，包括航高、距離、軌跡、航向和飛行資料等；二是無人機(jī)獲取的影像數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)一般儲存在內(nèi)存卡中，在航拍結(jié)束后通過數(shù)據(jù)分享，為后續(xù)工作開展奠定基礎(chǔ)。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢

通過無人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影時，能夠從多個角度完成數(shù)據(jù)的采集與測量工作，使工作人員的測繪需求能夠得到充分滿足，同時由于該方法可以在一次測量中針對多個不同平面數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，所以有效降低了測量次數(shù)，對于提高工作效率具有顯著積極影響。

而且通過無人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，能夠獲得更加立體直觀的數(shù)據(jù)，相較于傳統(tǒng)測量模式無人機(jī)測繪技術(shù)所得到的數(shù)據(jù)是從多個角度獲取的，因此在進(jìn)行相應(yīng)模型的構(gòu)建時，也可以實(shí)現(xiàn)更加三維立體的模型建立工作，而傳統(tǒng)測量方式其往往都是通過正視或者是側(cè)視角度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，導(dǎo)致最終所得的結(jié)果存在一定局限。此外應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)采集得到的數(shù)據(jù)以及圖片資料無論是在宏觀層面還是微觀層面，均能夠十分全面地對采集對象信息進(jìn)行顯示。在應(yīng)用該技術(shù)時，第1步需要完成目標(biāo)對象的數(shù)據(jù)檢測工作之后，將所得數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)诫娔X中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，也將其中的重大信息以及錯誤點(diǎn)加以刪除或者修改，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步梳理后，應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)加以聯(lián)機(jī)分析處理，最終獲得所需的測繪信息。在對其整體工作流程進(jìn)行分析后，能夠看出該技術(shù)具有較高的自動化程度，使得因人為因素導(dǎo)致的風(fēng)險發(fā)生概率大大降低，同時也有效節(jié)約了人力及物力資源，使得測繪工作質(zhì)量得到顯著提高。在人力物力資源有效節(jié)約的同時也使得測繪的技術(shù)成本大大降低。

2 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的測繪方式

2.1 實(shí)地勘察

通過無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行礦山測繪時，相關(guān)工作人員應(yīng)當(dāng)先對需要測量的區(qū)域范圍進(jìn)行明確，然后用無人機(jī)進(jìn)行試拍，從而選擇適宜的分辨率使其處于最佳狀態(tài)，此外為避免采集信息不全對后續(xù)施工的影響，通常在實(shí)際進(jìn)行拍攝時所拍攝的區(qū)域會比預(yù)期施工區(qū)域范圍更廣一些，以保證最終所得數(shù)據(jù)的全面性。

2.2 確定航拍路線

在明確了詳細(xì)的礦山數(shù)據(jù)信息后，需對所得信息加以全方位的分析處理之后，在無人機(jī)控制程序中導(dǎo)入，根據(jù)實(shí)際需求完成相關(guān)參數(shù)的調(diào)節(jié)與設(shè)定，并結(jié)合實(shí)際情況選擇適宜的航拍路線。

2.3 測繪信息數(shù)據(jù)處理

實(shí)際進(jìn)行測繪時工作人員需在無人機(jī)上安裝多角度的專業(yè)測繪傳感器以保證可以及時對所需數(shù)據(jù)信息進(jìn)行測量收集與整理。一般在進(jìn)行測繪時，工作人員會對航拍時的飛行路線、方向以及拍攝方向等內(nèi)容進(jìn)行記錄，尤其是在應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影測繪技術(shù)之后，要用專業(yè)性的軟件完成相關(guān)數(shù)據(jù)信息的處理。數(shù)據(jù)處理完成后，基于所得結(jié)果構(gòu)建礦山的三維數(shù)據(jù)模型，為后續(xù)實(shí)際工作提供一定參考。

2.4 測繪結(jié)果分析評價

在獲得所需數(shù)據(jù)信息后，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)測量結(jié)果以及礦山實(shí)際情況對其進(jìn)行綜合性的評價分析，確定所得結(jié)果的可靠性、準(zhǔn)確性以及可靠度，再確定各個數(shù)據(jù)均滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)以及規(guī)范要求后，方可應(yīng)用于后續(xù)工作。

3 在礦山工程測繪各階段的應(yīng)用

3.1 開采規(guī)劃階段

正式進(jìn)行開采工作前，工作人員還需要對礦山進(jìn)行全方位的勘察和數(shù)據(jù)采集工作，基于勘探結(jié)果制定科學(xué)合理的開采方案，通過應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，可以更加全方位地對礦山實(shí)際信息進(jìn)行采集，既能夠了解其地貌信息，也可對其海拔、高度以及整體地形信息進(jìn)行獲取，而且在數(shù)據(jù)獲取后，還可以用計算機(jī)完成礦山地形圖以及三維模型的繪制工作，從而獲得更加精準(zhǔn)可靠的礦山測繪結(jié)果。實(shí)際進(jìn)行上述操作時，所需建模軟件為CAD軟件，將所得數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入到該軟件后，即可進(jìn)行礦山三維模型的構(gòu)建工作，使得相關(guān)工作人員能夠更加直觀清晰地了解到礦山以及其周圍環(huán)境的實(shí)際情況，此后相關(guān)工作人員可根據(jù)該模型對施工方案加以優(yōu)化完善，針對施工過程中可能面臨的問題或者潛在危險進(jìn)行明確，并確定應(yīng)對方案。此外，在施工過程中，還應(yīng)當(dāng)建立起以傾斜攝影技術(shù)為基礎(chǔ)采集得到的各類數(shù)據(jù)信息的綜合性數(shù)據(jù)庫，對礦山的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行更加深入的了解與掌握，以保證施工的科學(xué)性和合理性[3]。

其次，將實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)在全國范圍內(nèi)推廣。我國自貿(mào)區(qū)幾乎涉及東南、西南、中部、西北、東北等主要地理區(qū)域，各個自貿(mào)區(qū)的地理位置、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、工業(yè)結(jié)構(gòu)等各異，這為競爭中立制度的實(shí)施提供了多樣化的實(shí)踐環(huán)境。自貿(mào)區(qū)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)在全國范圍內(nèi)推行時，可再細(xì)化其推行步驟和程序機(jī)制，結(jié)合各個行業(yè)的特殊性，以市場競爭狀況、市場結(jié)構(gòu)、行業(yè)經(jīng)濟(jì)地位等作為其現(xiàn)實(shí)依據(jù)，使推行的競爭中立制度更具科學(xué)性。

3.2 礦山施工階段

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)不僅能夠在礦山正式開工之前進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，為后續(xù)實(shí)際施工工作提供數(shù)據(jù)支持，保證其符合質(zhì)檢規(guī)定，也可在礦山實(shí)際開工過程中發(fā)揮一定作用，通過該技術(shù)可以準(zhǔn)確高效地對礦山及其附近環(huán)境以及相關(guān)數(shù)據(jù)信息加以采集，以保證在實(shí)際施工過程中，外界因素不會對施工帶來顯著影響，為勘探工作和礦山施工工作的安全性提供良好保障。此外借助無人機(jī)技術(shù)還可進(jìn)行低空拍攝，從而使得工作人員可以獲得礦山施工過程中的實(shí)際情況，更加科學(xué)、合理、規(guī)范地進(jìn)行施工現(xiàn)場管控，并對礦石位置進(jìn)行合理的規(guī)劃與安排，防止發(fā)生局部超載問題，使得部分區(qū)域地層面臨嚴(yán)重負(fù)面影響。對現(xiàn)代化礦山施工工作而言，無人機(jī)技術(shù)能夠很好地滿足其各項(xiàng)需求。

3.3 礦山驗(yàn)收階段

工程竣工后，需要對工程項(xiàng)目進(jìn)行驗(yàn)收。這時候，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)仍然可以發(fā)揮其優(yōu)勢。在實(shí)際應(yīng)用中，主要是通過無人機(jī)測繪，收集當(dāng)前礦井實(shí)際情況的數(shù)據(jù)信息，輸入計算機(jī)，顯示礦井實(shí)際情況。工作人員還可以針對礦山的實(shí)際情況，應(yīng)用相關(guān)軟件進(jìn)行建模做具體分析模擬。

3.4 生態(tài)修復(fù)

3.4.1 前期地形地貌的勘測

隨著測繪技術(shù)的發(fā)展，能夠以清晰直觀的方式對礦區(qū)前期地形地貌進(jìn)行測量。使用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，運(yùn)用無人機(jī)拍攝多組鏡頭影像而后生成礦山的正射影像、三維立體影像，正射影像可以將礦山周邊的實(shí)際情況進(jìn)行展現(xiàn)，以三維立體影像的方式對礦山進(jìn)行多角度觀察，并配套相應(yīng)的航片處理軟件，可獲取礦山的數(shù)據(jù)信息，為生態(tài)修復(fù)方案的制定奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.4.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

影像的采集：在外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中，應(yīng)根據(jù)客戶的需求明確測區(qū)范圍和精度要求，并選用合適的無人機(jī)和攝像機(jī)；根據(jù)礦區(qū)道路的實(shí)際情況，選擇恰當(dāng)?shù)慕煌üぞ?；在無人機(jī)放飛過程中要注重?zé)o人機(jī)放飛場地的選擇，避免與高大苗木以及高壓線發(fā)生碰撞。在影像采集過程中，按照《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》中指出，航向重疊要求在60%～80%，最低不小于53%，旁向重疊15%～60%，最小不小于8%的要求進(jìn)行傾斜拍攝，從而提升拍攝的精準(zhǔn)度，獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)模型[4]。

航線的布設(shè)：由于無人機(jī)在野外飛行過程中覆蓋面積有限，對于大面積礦山區(qū)域的傾斜拍攝，必須要考慮到無人機(jī)的續(xù)航能力。例如使用大疆無人機(jī)地面控制APP，在指定范圍內(nèi)設(shè)置好高度以及相片重疊率等參數(shù)自動規(guī)劃航攝路線，進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，可清晰地展示出無人機(jī)的飛行狀態(tài)飛行參數(shù)，確保礦山無人機(jī)傾斜攝影測量任務(wù)的完成。

3.4.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

軟件選擇：傾斜攝影自動三維建模軟件使用的是Pix4d、Photoscar、Smart3DCapture三類。Pix4d軟件主要應(yīng)用生成正射影像，在三維建模的速度和效果較差，在高精度三維建模上并不適用；Photoscarn軟件成數(shù)字圖像的處理，生成三維模型，效果較好，但Photoscarn軟件價格相對較高，因此在影像處理軟件檢測上大多以Smart3DCapture軟件為主。Smart3DCapture軟件能夠連續(xù)快速完成三維建模，生成基于真實(shí)影像的高密度點(diǎn)云，若相機(jī)分辨率較高，可無限接近還原真實(shí)場景。

建模過程：(1)使用Smart3DCapture獲取的原始數(shù)據(jù)中的POS文件是以文本文檔的格式存在，而在導(dǎo)入?yún)^(qū)塊過程中為Execl表格；(2)添加檢查建模的圖片；(3)添加像片控制點(diǎn)；(4)利用smart3D 中的Context Capture Center Engine進(jìn)行空三運(yùn)算；(5)對所拍攝影像進(jìn)行分塊處理；(6)3D建模，選擇輸出格式和使用坐標(biāo)系統(tǒng)，并勾選要建模的瓦片，等待建模完成。

3.4.4 三維模型應(yīng)用分析

實(shí)景三維模型能夠真實(shí)準(zhǔn)確的還原測量現(xiàn)場的實(shí)際情況，可以在同一位置以不同的角度展現(xiàn)地貌信息，便于設(shè)計人員直觀清晰的了解周邊地理信息，為設(shè)計決策提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。如了解礦山周邊巖體特征、植被生長發(fā)育特征、土地利用現(xiàn)狀，工程設(shè)施等，通過三維數(shù)據(jù)模型實(shí)時調(diào)查礦山周邊農(nóng)田、果園、林地、房屋、排水管線設(shè)施，為地質(zhì)災(zāi)害評估提供指導(dǎo)；對礦場廢石料堆積、礦坑結(jié)合深度的精準(zhǔn)測量，便于后續(xù)工程量的估算。通過實(shí)景三維模型的應(yīng)用為生態(tài)環(huán)境治理方案的制定提供了技術(shù)支撐，促進(jìn)了礦山生態(tài)修復(fù)工作開展。

4 總 結(jié)

經(jīng)過以上分析，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用在礦山測量中，為礦山各種工作措施的施行提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐之外，還為工作人員對礦山信息建模以及模擬保證了其合理性和準(zhǔn)確性，大大提升了工作效率和經(jīng)濟(jì)效益。