劉海生

（柳州市國土規(guī)劃測(cè)繪院，廣西 柳州 545000）

為加強(qiáng)柳州市露天采石場(chǎng)儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)督管理，防范露天采石場(chǎng)越界、超深及超規(guī)模開采行為，進(jìn)一步規(guī)范露天采石場(chǎng)開采秩序，根據(jù)《關(guān)于全面開展礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)督管理的通知》（國土資發(fā)[2006] 87號(hào)）及《廣西壯族自治區(qū)國土資源廳關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)礦山資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)督管理的通知》（桂國土資發(fā)（2013） 73號(hào)）文件要求，對(duì)柳州市13宗露天采石場(chǎng)進(jìn)行每個(gè)季度1次的無人機(jī)航拍儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。先利用無人機(jī)進(jìn)行低空傾斜攝影測(cè)量，然后實(shí)地進(jìn)行礦山地質(zhì)測(cè)量，調(diào)查每宗石灰?guī)r礦山資源儲(chǔ)量開采利用情況。通過對(duì)兩期數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算出各礦山每季度的采出量、損失量和保有礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量，更新資源儲(chǔ)量估算圖紙與管理臺(tái)賬，并按照國家統(tǒng)一要求，編報(bào)礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量報(bào)表，編寫礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)告，為礦產(chǎn)監(jiān)管部門及時(shí)了解和監(jiān)控礦山開采情況提供保障，促進(jìn)礦產(chǎn)資源的有效保護(hù)和合理利用。

1 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

1.1 技術(shù)簡(jiǎn)介

無人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)由五部分組成，分別為飛行平臺(tái)、飛行導(dǎo)航系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。近年來，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，其方法是利用無人機(jī)為飛行平臺(tái)，搭載5臺(tái)傳感器，同時(shí)從垂直和前、后、左、右五個(gè)不同角度對(duì)地表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過影像糾正、平差與匹配等一系列處理，可生成包括DSM、DOM、TDOM及DLG等數(shù)字產(chǎn)品。由于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)具有高分辨率、多角度、產(chǎn)品多樣等特點(diǎn)，因此，在應(yīng)急指揮、國土安全、城市管理、環(huán)保監(jiān)測(cè)、礦山監(jiān)管等方面應(yīng)用廣泛。

1.2 技術(shù)流程

基于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)獲取影像制作DSM、DOM、TDOM、DLG的工作流程如圖1所示。

2 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在礦山動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)采集

2.1.1 無人機(jī)傾斜攝影

柳州市地處桂中北部，屬于典型的喀斯特地貌，石灰?guī)r礦產(chǎn)較為豐富?？紤]到本項(xiàng)目地形特點(diǎn)，采用成都縱橫CW-10垂直起降固定翼無人機(jī)作為飛行平臺(tái)，搭載索尼5100型5鏡頭相機(jī)，CMOS傳感器為Exmor APS HD，最大分辨率為4 000×6 000，飛行前完成相機(jī)檢校工作，包括像主點(diǎn)的框標(biāo)坐標(biāo)、相機(jī)主距和畸變參數(shù)等。根據(jù)航攝區(qū)域高差大及影像空間分辨率要求高等特點(diǎn)，使用“小型無人機(jī)低空攝影測(cè)量系統(tǒng)”進(jìn)行自動(dòng)航線設(shè)計(jì)，航向重疊度大于80%，旁向重疊度大于75%，傾斜相機(jī)角度為30～45°。

圖1 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量工作流程圖

2.1.2 像控點(diǎn)測(cè)量

外業(yè)像片控制點(diǎn)的點(diǎn)位與測(cè)量精度對(duì)最終成果精度的影響很大，因此，像控點(diǎn)的選擇與布設(shè)應(yīng)遵循以下原則。本項(xiàng)目像控點(diǎn)統(tǒng)一布設(shè)成為平高點(diǎn)，均勻分布于各礦區(qū)范圍；目標(biāo)影像選擇易于判刺和立體測(cè)量的地方，一般盡量在航向和旁向六片重疊或五片重疊范圍內(nèi)，使之能盡量公用；由于各礦區(qū)范圍較小而散，像控點(diǎn)坐標(biāo)采用覆蓋全區(qū)的GXCORS網(wǎng)基站信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，因此，控制點(diǎn)應(yīng)盡量選擇無信號(hào)遮擋且遠(yuǎn)離電磁干擾的位置。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 影像預(yù)處理

由于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)上搭載的感應(yīng)器為非測(cè)量型相機(jī)，以及影像拍攝時(shí)存在不均勻光照、不同拍攝角度和時(shí)相差等因素，影像之間差異較大，不利于后續(xù)的處理工作，因此，原始影像需要經(jīng)過畸變差糾正、勻光勻色等處理后，才能使影像在幾何尺度、亮度、飽和度和色相方面保持良好的統(tǒng)一。

2.2.2 多視影像聯(lián)合平差

因多視影像包含垂直影像和傾斜影像，多視聯(lián)合平差應(yīng)考慮影像間的幾何變形與遮擋關(guān)系，結(jié)合POS系統(tǒng)提供的多視影像外方位元素，采取由粗到精的金字塔匹配策略，在每級(jí)影像上進(jìn)行同名點(diǎn)自動(dòng)匹配和自由光束法平差，得到較好的同名點(diǎn)匹配結(jié)果。同時(shí)建立連接點(diǎn)和連接線、控制點(diǎn)坐標(biāo)以及POS數(shù)據(jù)的多視影像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差的誤差方程，通過聯(lián)合解算，獲得每張像片更精確的外方位元素和加密點(diǎn)的地面坐標(biāo)。

2.2.3 多視影像密集匹配

影像匹配是攝影測(cè)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是近年來國內(nèi)外研究的熱門，同時(shí)效果較好的方法是基于計(jì)算機(jī)視覺的多基元、多視影像密集匹配方法。多視影像具有重疊度高、覆蓋范圍大、分辨率高等特點(diǎn)，因此，關(guān)鍵在于如何合理運(yùn)用大量的多視點(diǎn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確獲取多視影像的同名點(diǎn)坐標(biāo)。首先，采用聯(lián)合平差獲取的精確影像外方位元素，對(duì)影像采取聚簇分類，通過初始特征匹配、膨脹、過濾三個(gè)步驟對(duì)同一地物不同角度的多幅圖像完成密集匹配，獲取密集的三維點(diǎn)云。

2.2.4 DSM生成及TDOM糾正

通過多視影像密集匹配獲取的高精度高分辨率的數(shù)字表面模型（DSM），充分展現(xiàn)了地形地物的表面起伏特征，DSM數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波處理后，可將不同單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，從而生產(chǎn)出超高密度點(diǎn)云的具有真實(shí)景觀的數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)。TDOM糾正是利用DSM數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字微分糾正，確定像點(diǎn)與地物之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)將像點(diǎn)的灰度值賦給相應(yīng)的地物點(diǎn)，有效地解決了DOM影像存在的地物傾斜、遮擋等問題，提高了正射影像的利用價(jià)值。

2.2.5 三維建模及數(shù)字化測(cè)圖

本項(xiàng)目采用Smart 3D軟件進(jìn)行三維建模，其原理是區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差及多視影像匹配，軟件通過空三加密解算出大量連接點(diǎn)，并據(jù)此構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，生成三維模型表面紋理的自動(dòng)映射，從而建立具有真實(shí)、自然的高分辨率實(shí)景三維模型。生成的OSBG格式三維模型導(dǎo)入EPS測(cè)圖軟件進(jìn)行地形圖繪制，由于三維模型比二維影像圖更直觀真實(shí)，因此，內(nèi)業(yè)可以準(zhǔn)確預(yù)判大多數(shù)地物及地貌，外業(yè)只是針對(duì)遮擋較嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，極大提高了地形圖測(cè)繪的工作效率。且在三維模型上可直接采集特征點(diǎn)的高程信息，經(jīng)測(cè)試完全能夠滿足礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)高程點(diǎn)精度和密度上的要求。

2.3 精度分析

外業(yè)采用GNSS-RTK法實(shí)地測(cè)量各礦區(qū)范圍內(nèi)的特征點(diǎn)，如房角點(diǎn)、道路交叉點(diǎn)和電桿等地物點(diǎn)，記錄各特征點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程以及每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)地位置，通過與從三維模型中提取的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的三維坐標(biāo)作對(duì)比進(jìn)行精度評(píng)判。綜合各礦山的精度統(tǒng)計(jì)來看，平面中誤差不超過0.20 m，高程中誤差不超過0.30 m。本項(xiàng)目測(cè)圖比例尺為1∶2 000，按《GB/T 15967—2008 1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖航空攝影測(cè)量數(shù)字化測(cè)圖規(guī)范》規(guī)范要求，平面中誤差限差為0.8 m，高程中誤差限差為1.2 m。數(shù)據(jù)表明，利用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)生成的數(shù)字地形圖精度較高，可用于計(jì)算礦山各季度的采出量、損失量和保有礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量。

3 結(jié)語

本文主要介紹了無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的原理及其工作流程，并結(jié)合實(shí)際介紹該技術(shù)在礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用實(shí)例。結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)的測(cè)繪方法，采用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量方法生成地形圖成果精度較高，工期可減少約80%，其非接觸性測(cè)量的特點(diǎn)更能保證測(cè)繪外業(yè)人員的安全，生成的三維模型可真實(shí)地展示礦山的開采現(xiàn)狀，直觀判斷出有無越界開采的情況以及各季度礦山采空區(qū)變化情況，提高了礦產(chǎn)監(jiān)管部門對(duì)礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的精度和效率。不過該技術(shù)尚處于發(fā)展期，成本仍較高，待發(fā)展成熟后，將會(huì)更廣泛地應(yīng)用于測(cè)繪行業(yè)。