無人機攝影測量在礦山測量中的應(yīng)用

英配珣

近年來，信息化建設(shè)突飛猛進，基礎(chǔ)地理信息空間數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸式增長態(tài)勢。伴隨航空航天事業(yè)的快速發(fā)展，國民生產(chǎn)中越來越多環(huán)節(jié)逐漸利用攝影測量技術(shù)進行生產(chǎn)建設(shè)。我國基礎(chǔ)測繪十四五規(guī)劃中對于建設(shè)實景三維中國提出了明確要求，明確提出了建設(shè)“實景三維中國分兩步走”的戰(zhàn)略。攝影測量工作是獲取三維模型、開展實景三維建設(shè)的重要內(nèi)容之一，傾斜攝影測量等新型勘測技術(shù)的出現(xiàn)，滿足了建設(shè)實景三維中國的技術(shù)需求。相比于航空攝影測量依賴于天氣條件以及作業(yè)范圍較大的特點，以無人駕駛飛機為空中遙感平臺的技術(shù)，解決了在較小區(qū)域進行攝影測量的難題。當前無人機攝影測量已經(jīng)能夠滿足1：500、1：1000、1：2000等大比例尺地形圖精度要求，在地形圖測量中有著廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的測繪作業(yè)已逐漸被無人機攝影測量所替代，無人機攝影測量在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、測繪地理信息、防災(zāi)減災(zāi)、交通等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，其中最廣為應(yīng)用的技術(shù)為傾斜攝影測量技術(shù)。

礦山施工作業(yè)項目中不可或缺的一部分是礦山測量。礦山的測量工作是一項集地上與地下于一體的工程，不僅要服務(wù)于礦山的生產(chǎn)建設(shè)，而且要確保礦山的安全，確保社會的穩(wěn)定。因此，礦山測量在礦山開采作業(yè)中承擔(dān)著重要責(zé)任、發(fā)揮著重要作用，在礦山開采前、中、后都承擔(dān)著重要角色。由于礦山地形復(fù)雜，礦山測量過程中任何微小誤差或粗率都會對礦山開采過程產(chǎn)生較大影響，因此需要高精度測量手段保證礦山開采工作的有序進行。

傳統(tǒng)的礦山測量方法主要利用全站儀等手段，采用傳統(tǒng)全站儀、RTK等測量方法進行高精度測繪工作需要耗費大量時間和人力，且需要攜帶大量沉重儀器，開展測繪工作極不便利。隨著數(shù)字礦山概念的提出以及無人機傾斜攝影測量技術(shù)的發(fā)展，礦山管理中對于空間三維信息也提出了更高要求，礦山測量要求外業(yè)作業(yè)速度快、測量精度高，三維可視化的測量模式正逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)測量方式，成為數(shù)字礦山的主要內(nèi)容之一。

研究背景

傾斜攝影測量是一種在國際上比較新穎的測量方法。在飛行過程中，無人機可以搭載多個傳感器，有一個正射角度和四個傾斜角度，在相機傾斜狀態(tài)下拍攝多個視角的實際地質(zhì)調(diào)查圖像，并以影像數(shù)據(jù)形式表現(xiàn)出來，與此同時無人機記錄下飛行時的點位信息。使用傾斜攝影技術(shù)，可以產(chǎn)生正射影像（DOM）、礦山三維模型、數(shù)字表面模型（DSM）這樣的可視化成果，從而捕捉到地面的相關(guān)真實信息，反映地表真實狀況，以便于解決后期礦山開采中如何施工等技術(shù)問題，避免測量人員到現(xiàn)場測量帶來的安全性問題。無人機測繪具有數(shù)據(jù)采集準確、結(jié)果三維可視化程度高、耗時少等優(yōu)點。露天礦環(huán)境復(fù)雜多變，新一代輕型、微型無人機測量技術(shù)上取得了突破性進展，使無人機測繪工作內(nèi)外業(yè)實現(xiàn)常態(tài)化且能夠自主進行。當前，傾斜攝影測量在露天礦測繪中的應(yīng)用正逐步擴大，其主要內(nèi)容包括：地面、土石方量測定、礦區(qū)以及植被覆蓋率的監(jiān)測、礦區(qū)危險源的識別和景觀地貌的測量等，在測繪生產(chǎn)實踐中，傳統(tǒng)的測繪手段逐漸被傾斜攝影測量技術(shù)所取代，進而被廣泛利用。

土石方量的計算在眾多領(lǐng)域生產(chǎn)建設(shè)中都有所涉及，其計算精確性關(guān)系著生產(chǎn)建設(shè)項目的準確性，會直接影響到生產(chǎn)項目的經(jīng)濟效益。計算土石方量是為了量算測區(qū)填挖量或者計算測區(qū)內(nèi)填挖前后的土石方量差值，傳統(tǒng)工作中，通常采用斷面法、方格網(wǎng)法以及三角網(wǎng)法（也稱作DTM法）這三種方法來確定土方量。傾斜攝影測量技術(shù)計算土石方量的原理與三角網(wǎng)法相同，通過獲得高分辨率DSM來反映地表起伏特征，該方法普遍適用于各種地形地貌。

基于以上背景，應(yīng)北方某地區(qū)一礦產(chǎn)公司實際需求，同時結(jié)合礦山測量中三維數(shù)據(jù)更新需求，本研究以該地區(qū)一露天礦山為例，對其進行了傾斜攝影測量，協(xié)助該公司核算工作量，利用無人機傾斜攝影測量技術(shù)測算土石方量。

無人機傾斜攝影測量

無人機傾斜攝影關(guān)鍵技術(shù)

多視點聯(lián)合平差和多視點近距離匹配是傾斜攝影測量的關(guān)鍵技術(shù)。由于無人機飛行涉及多個視角，多視角圖像包含了垂直和傾斜圖像，甚至需要POS系統(tǒng)配合提供無人機相片外方位元素。傾斜影像一般由一個下視和多個側(cè)視影像組成，其空間位置精度較高，遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的單鏡頭航攝影像。像控點之間的跨度應(yīng)結(jié)合下視影像地面分辨率。

多視影像密集匹配可以在完全計算和消除多余信息的基礎(chǔ)上準確快速地獲得同名點的坐標，從而進一步確定地表物體的三維信息。在多視影像密集匹配之后，圖像可以進一步生成DSM，這需要使用基于幾何校正、平差等方法的點云算法。

無人機傾斜攝影測量作業(yè)流程

影像獲取

起飛前，需要檢查飛機硬件是否正常以及電池電量是否充足；開始作業(yè)前，需要勘察周邊測區(qū)的地形地貌以及航測范圍的起伏程度并進行航線規(guī)劃。目前，航空攝影作業(yè)主要有兩種情況：無需控制點和需要控制點。如果不需要控制點，就可以在規(guī)定的范圍內(nèi)，設(shè)計一條航線，進行航拍操作。如果是需要的控制點，那么要把控制點均勻地布置在各個作業(yè)范圍內(nèi)。無人機傾斜攝影測量作業(yè)前，要充分考慮航測任務(wù)目的、施工作業(yè)周邊環(huán)境、執(zhí)行任務(wù)無人機性能、作業(yè)當天氣候條件等因素，設(shè)置無人機航線相關(guān)參數(shù)，參數(shù)包括無人機飛行航高、拍攝掃描相片重疊度、無人機飛行任務(wù)起降點等，從而確定最佳的、具體的飛行航線。

布設(shè)像控點需要注意涵蓋測區(qū)各個方位，做到在測區(qū)內(nèi)均勻分布標注清楚像控點，像控點選取要求做到視野開闊、分布均勻，以確保無人機可以清晰拍攝。數(shù)據(jù)處理是無人機傾斜攝影的重要組成部分，其主要內(nèi)容為：影像預(yù)處理、高精度相機檢查、影像匹配、空中三角自動測量、DSM/DEM自動提取、DOM生成及拼接技術(shù)等。

作為一種搭載有測量設(shè)備的平臺，無人機還需要達到一定的技術(shù)指標和相關(guān)參數(shù)要求，這就包括了無人飛行器的位置控制與精密定位技術(shù)兩個部分。通過無人飛行器的位置控制系統(tǒng)來調(diào)整其瞬時轉(zhuǎn)角、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角，其與描述相片空間姿態(tài)的要素相對應(yīng)；利用無人飛行器的精密定位技術(shù)，可獲取被測時刻的無人飛行器的瞬間空間位置。無人機與測繪儀器攝影中心在空間上的定位是比較固定的，能夠進行簡單的空間位置轉(zhuǎn)換。

傾斜攝影測量對地物進行信息采集，有著多角度、多方位的優(yōu)勢，從而能夠獲取更多三維信息。測區(qū)選好后組織人員在測區(qū)范圍內(nèi)制作高精度檢查點標識及采集檢查點坐標，并計算測區(qū)范圍內(nèi)不同坐標系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。為了保障露天礦山地表信息采集精度，一般來說，裸露礦山因地物簡單，需要對礦山附近地形進行建模，航向重疊度為77%，旁向重疊度為47%。由于三維建模的需要，因此在實際作業(yè)過程中，無人機傾斜攝影測量對于影像分辨率、航線重疊度要求較高，以保證空間位置計算結(jié)果更加精確。對礦山中選定的某區(qū)域進行傾斜攝影測量后，對所獲得的數(shù)字影像進行校正，借助空中三角測量處理軟件，對影像數(shù)據(jù)進行分析。在航空攝影中應(yīng)用最為廣泛的是空中三角解析法，對于空三加密基本定向點殘差限差的要求為傾斜影像分辨率的2倍，以此標準對航空測量的影像進行加密，并將二維的圖像轉(zhuǎn)換為三維密集點云。

測區(qū)為不規(guī)則多邊形，面積約1.2km2。在測區(qū)東側(cè)有近似均勻等高梯形田地，人工目測高差較大，礦區(qū)中部為生產(chǎn)堆積區(qū)域，右側(cè)為填方區(qū)域，生產(chǎn)堆積區(qū)域及填方區(qū)域后期需計算體積。作業(yè)時間正處在北方初春時節(jié)，風(fēng)沙較大，容易對無人機低空作業(yè)產(chǎn)生較大影響，尤其起風(fēng)后需對無人機采取較高等級防護措施。本露天礦測量項目的要求主要體現(xiàn)在：可交付成果為點云或DSM形式；精度要求為10cm；若生成DSM數(shù)據(jù)，需要每隔10cm布設(shè)一個測量點，數(shù)據(jù)采集時間為1天，無人機航攝坐標參考系為CTRF2000，投影坐標系為CGCS2000，垂直參考基準為大地橢球高。

項目研究使用飛馬多旋翼無人機D200，針對露天礦山的特殊地形及測繪作業(yè)環(huán)境進行了設(shè)計，可搭載包括正射相機、傾斜相機、三維激光LiDAR等多種傳感器，同時可以適應(yīng)多地形飛行，以滿足礦山測繪的不同工作需求。本研究用該無人機搭載單鏡頭傾斜相機、機載LiDAR傳感器獲取測量數(shù)據(jù)，驗證其點位及高程精度，進而將其應(yīng)用于露天礦土石方量的計算。考慮到測區(qū)較小且并不完全規(guī)則，因此飛行作業(yè)采用外接矩形將測區(qū)包括在內(nèi)，以此降低航攝難度。

根據(jù)選定目標區(qū)域，事先在測區(qū)內(nèi)布設(shè)足夠多的高精度檢查點，待飛行完成后，通過對比相應(yīng)檢查點及地物特征點的平面和高程差異評定無人機的航測精度。設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，航高設(shè)計90m，無人機可自動進行航線規(guī)劃。布設(shè)12條航線，呈多“井”字形，輸入點云密度或飛行高度以及無人機飛行速度，使用數(shù)據(jù)處理軟件自動進行點云處理。

飛行前作業(yè)人員做好目標區(qū)域飛行可行性分析、地面基站準備、飛行航線上傳、無人機通電等一系列準備工作。作業(yè)人員遙控?zé)o人機起飛，在無人機飛行高度超過30m后，機載激光測量系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)獲取任務(wù)完成后操控?zé)o人機返航；在數(shù)據(jù)處理軟件中導(dǎo)入數(shù)據(jù)，經(jīng)過軌跡解算，作業(yè)人員利用點云融合軟件進行點云融合，生成點云數(shù)據(jù)（.las文件）；依據(jù)點云進行三維建模，計算土方量。實際作業(yè)過程中，需要對無人機飛行狀態(tài)進行嚴密監(jiān)測，以往出現(xiàn)意外發(fā)生事故。

基于無人機傾斜攝影測量的土石方量計算方法

為了測試基于無人機傾斜攝影測量的土石方量結(jié)果精確性，本文以實際作業(yè)中的無人機傾斜攝影測量結(jié)果與全站儀外業(yè)測量結(jié)果做對比，比較精確程度。

內(nèi)業(yè)處理

根據(jù)一組傾斜影像可以自動生成高分辨率三維模型，該模型能夠完整準確反映出測區(qū)內(nèi)地形地物特征。對經(jīng)過圖像質(zhì)量檢驗的照片進行幾何影像匹配，從而獲取系數(shù)點云，然后利用相關(guān)算法對其進行加密，形成密集點云。

對點云軌跡進行解算，解算出點云的軌跡文件。進行航帶渲染，如果大于限制則進行航帶平差，直至航帶拼接處不存在明顯問題。基于原始點云數(shù)據(jù)和軌跡文件計算輸出標準化點云成果。將點云數(shù)據(jù)進行自動分類，保證地面點密度滿足規(guī)范要求，然后導(dǎo)出數(shù)字高程模型（DEM）。

土方量計算及數(shù)據(jù)統(tǒng)計

土石方量計算一般需要兩方面數(shù)據(jù)：基準地形數(shù)據(jù)和待測地形數(shù)據(jù)。其中，基準地形數(shù)據(jù)是指挖方填方的基準地形數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)可以是點云數(shù)據(jù)，也可以DEM形成提供；待測地形數(shù)據(jù)就是等待計算土方量的新地形數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)呈現(xiàn)形式與基準地形數(shù)據(jù)相同。土方量的計算在數(shù)據(jù)處理工具中有兩種：基于DEM成果進行格網(wǎng)計算和基于點云構(gòu)建三角網(wǎng)進行三角網(wǎng)計算。

使用3D Analyst工具一柵格表面一填挖方工具進行土方量的計算。輸出柵格為最終提取出的開挖量。同時，將全站儀外業(yè)測量的高程點進行導(dǎo)出后確定原始面計算范圍并基于土石方計算范圍及填挖方土量。最終計算出的土石方量的對比結(jié)果，地塊面積約為1.2km2，基于無人機傾斜攝影測量的挖方量計算結(jié)果為52416.1m3，而基于全站儀外業(yè)測量所得的挖方量結(jié)果為52394.9m3，兩者相差21.2m3，

由計算結(jié)果分析可知，基于無人機傾斜攝影測量的土石方量計算和全站儀外業(yè)測量的土石方量計算精度差距很小?；跓o人機傾斜攝影測量的土石方量外業(yè)1天時間即可完成，而基于全站儀測量的工作量長達4天。在精度相當?shù)那闆r下，基于無人機傾斜攝影測量的土石方量計算效率大大提高。

隨著礦區(qū)的不斷開采，礦山遭遇著愈發(fā)嚴重的破壞，無人機傾斜攝影測量可以精確高效地測量出礦山被開采量，獲取較為清晰的三維模型。通過對露天礦山進行傾斜攝影測量，可以獲得高精度的DEM和DOM等數(shù)據(jù)。對比無人機傾斜攝影測量結(jié)果與傳統(tǒng)全站儀外業(yè)測量結(jié)果可知：

（1）無人機傾斜攝影測量建模精度高，與正射影像相比可從多個方向觀察地物；

（2）可實現(xiàn)對測量區(qū)域高度、長度、面積等多要素的測量，有效降低測量成本。

經(jīng)過地理信息數(shù)據(jù)處理軟件如ArcGIS等工具計算開挖土方量，其可以實現(xiàn)對礦井開采全過程的動態(tài)監(jiān)控，為礦井的生產(chǎn)經(jīng)營以及管理提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。本研究將無人機傾斜成像技術(shù)應(yīng)用于露天礦探測中，與傳統(tǒng)測繪方式相比，這種新型測繪方式有著極大的優(yōu)勢。但為了跟上快速更新的無人機制造水平，電池的續(xù)航能力也值得引起重視，從而為新時代測繪工作貢獻出更大的作用。但無人機傾斜攝影測量借助無人機飛行進行測量，對天氣要求較高，大風(fēng)、陰雨天氣會嚴重影響測量精度，對于礦山地表覆蓋滿植被的情況下則失去作用，因此可采用無人機傾斜攝影測量與激光雷達結(jié)合的方法，提高外業(yè)測量精度，為測繪事業(yè)做出更多貢獻。