宋小平

（寶雞西北有色七一七總隊(duì)有限公司，陜西 寶雞 721012）

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是以無人機(jī)為航攝平臺(tái)，通過搭載多種航攝傳感器后，獲取地面垂直和傾斜角度的多個(gè)方向的影像二維相片或掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，獲取的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行多光譜影像分析、正射影像制作、DSM和DLG數(shù)據(jù)制作等，還可以結(jié)合機(jī)載POS數(shù)據(jù)、像控測(cè)量成果及其他矢量數(shù)據(jù)，構(gòu)建地物與地貌的真實(shí)三維模型。應(yīng)用于礦山恢復(fù)治理中，可以快速形成實(shí)景三維模型，能夠極大地提高測(cè)繪及治理效率、節(jié)省成本，并且形成的三維模型有著效率高、三維場(chǎng)景逼真度高等優(yōu)點(diǎn)。

1 無人機(jī)技術(shù)

無人駕駛飛機(jī)簡稱“無人機(jī)”，英文縮寫為“UAV”，作為一種可搭載多種傳感器的航空器，其主要是由計(jì)算機(jī)編程自主系統(tǒng)以及無線電遙控設(shè)備組成，并在無人機(jī)上安裝自動(dòng)駕駛裝置以及導(dǎo)航儀設(shè)備，作為一種具有遙感控制性的飛行平臺(tái)。為了實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的各種飛行要求，目前無人機(jī)通常采用碳纖維、玻璃鋼等復(fù)合材料制成，可以有效減輕機(jī)體重量，延長飛行時(shí)間，使無人機(jī)的飛行性能更加穩(wěn)定。在測(cè)繪行業(yè)，無人機(jī)一般分為固定翼和多旋翼兩種。固定翼無人機(jī)的長航時(shí)、高速度、高效率的優(yōu)點(diǎn)備受人們青睞，但其多為滑行及彈射起降，對(duì)起降場(chǎng)地及操控技能要求較高，對(duì)于在城鎮(zhèn)及山區(qū)等特殊地形下，難于實(shí)現(xiàn)安全飛行。多旋翼無人機(jī)多見四旋翼、六旋翼及八旋翼，具有垂直起降、定點(diǎn)懸停、操作簡單等特點(diǎn)，但其相對(duì)航時(shí)短、飛行速度慢、效率低。為了彌補(bǔ)兩類機(jī)型的不足，人們研究開發(fā)出了帶有固定翼的垂直起降的無人機(jī)，如華鷂P316和智能鳥KC3400等。

2 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

傾斜攝影測(cè)量將傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)與數(shù)字地面采集技術(shù)相結(jié)合，在同一飛行平臺(tái)上攜帶多種傳感器，從垂直和多個(gè)斜角獲取圖像。通過綜合研究和計(jì)算，形成了一種稱為航空多角度斜向攝影的高新技術(shù)。該技術(shù)同時(shí)從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜，五個(gè)不同的視角同時(shí)捕捉地面圖像，從而獲得地物頂部和側(cè)面的豐富的高分辨率紋理[3]。它不僅可以精確地反映地形表面的狀況，還可以通過先進(jìn)的定位、整合、建模等技術(shù)構(gòu)建出實(shí)景的三維模型。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)主要特征：

（1）傾斜攝影影像數(shù)據(jù)的高價(jià)值性。獲取的圖像數(shù)據(jù)是可測(cè)量的數(shù)據(jù)，具有空間位置信息。專業(yè)的測(cè)量軟件可以測(cè)量和計(jì)算圖像數(shù)據(jù)，可量測(cè)包括面積、高度、坡度、長度等。同時(shí)可以輸出DLG、DSM、DOM等數(shù)據(jù)成果，使傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可以應(yīng)用于多種領(lǐng)域。

（2）傾斜攝影影像數(shù)據(jù)的三維性。傾斜攝影數(shù)據(jù)的多角度、全方位、真三維的影像數(shù)據(jù)，能夠真實(shí)地反映地物地貌的高度、外觀、顏色、位置等屬性，能夠更加逼真的反映地物的實(shí)際情況及屬性。

（3）傾斜攝影影像數(shù)據(jù)的高效率性。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可借助無人機(jī)等多種飛行載體快速采集地面的影像數(shù)據(jù)。因無人機(jī)的低成本，易操作、受天氣影像小等特點(diǎn)，可以增加快速數(shù)據(jù)收集，同時(shí)大規(guī)模提取和紋理數(shù)據(jù)技術(shù)，可以提高三維建模的效率，降低三維建模的成本。

傾斜攝影技術(shù)的強(qiáng)大技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使其在各行各業(yè)得到了極大地認(rèn)可，但在進(jìn)行實(shí)際的三維建模項(xiàng)目生產(chǎn)中，傳統(tǒng)的傾斜攝影測(cè)量技術(shù)一般都是采用較大的飛機(jī)載荷，專業(yè)攝影相機(jī)，申請(qǐng)空域等程序，對(duì)于重大項(xiàng)目及較大區(qū)域而言，能夠有效提高效率；但對(duì)于一般的建設(shè)單位及較小面積的復(fù)雜區(qū)域，如此的高成本、長周期，讓很多項(xiàng)目望而止步。因此，在無人機(jī)低空范圍內(nèi)搭載多傳感器采集圖像的選擇，是一種相對(duì)便宜、更有效、更容易獲得數(shù)據(jù)，以創(chuàng)建三維模型的方式。

3 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是一種集無人機(jī)技術(shù)，遙感傳感器技術(shù)，實(shí)時(shí)通信技術(shù)，GPS差分技術(shù)、POS定位、定向技術(shù)、自動(dòng)化和智能獲取空間地理信息等多種學(xué)科及技術(shù)的綜合，通過強(qiáng)大的后臺(tái)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，形成的新的測(cè)繪技術(shù)，其可以實(shí)時(shí)的處理數(shù)據(jù)和進(jìn)行建模。

3.1 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)和傳統(tǒng)衛(wèi)星航天遙感以及大飛機(jī)航空攝影系統(tǒng)相比，擁有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

（1）低成本、低風(fēng)險(xiǎn)：簡單的通用無人機(jī)形態(tài)，容易組裝，容易修理，低成本，有可靠的實(shí)時(shí)信息，能精確定位目標(biāo)。在航空攝影的過程中，飛行導(dǎo)航控制系統(tǒng)按照前期設(shè)計(jì)好的航線及起飛、降落位置進(jìn)行自動(dòng)飛行，獲得的影像數(shù)據(jù)或點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛婵刂贫吮４?。因此，即使在森林等困難地區(qū)或大風(fēng)等惡劣環(huán)境中，即便無人機(jī)被損壞，也能保證操作者和圖像數(shù)據(jù)的安全。

（2）高分辨率：無人機(jī)因受自身重量、動(dòng)力等限制，飛行攝影高度通常在低空進(jìn)行，較低的海拔更接近地面特征和景觀。因此，可以采集到高分辨率的多角度的影像數(shù)據(jù)。目前無人機(jī)拍攝的影像分辨率可以達(dá)到0.05m～0.5m，在1：5000至1：500的測(cè)繪比例尺成圖精度要求下，滿足相關(guān)規(guī)定，可以用來創(chuàng)建大比例尺的DOM、DLG和高精度三維模型[4]。

（3）快速靈活：無人機(jī)可以在各種地形環(huán)境中靈活起降，如平地、農(nóng)田、道路、草坪、廣場(chǎng)、船舶等。它們也可以由輔助設(shè)備發(fā)射，如彈射器和滑翔機(jī)，并通過懸?；蛱鴤慊厥?。因其受天氣條件和地形條件影響較小，使數(shù)據(jù)獲取的時(shí)效性得到大增強(qiáng)。

3.2 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)和傳統(tǒng)衛(wèi)星航天遙感以及大飛機(jī)航空攝影系統(tǒng)相比，存在的不足:

（1）無人機(jī)因體積小，質(zhì)量輕，飛行中受風(fēng)力等外因影響明顯，會(huì)造成飛行姿態(tài)不穩(wěn)定，旁向重疊度和航向重疊度都不規(guī)則。

（2）無人機(jī)上搭載的大都是普通的非量測(cè)相機(jī)，一般像幅較小，所以在相同區(qū)域，像幅數(shù)量會(huì)較多。此外，由于飛行姿態(tài)等原因造成的圖像重疊程度較高，圖像數(shù)量也會(huì)較大，因此在較大的測(cè)試區(qū)域內(nèi)往往出現(xiàn)多達(dá)數(shù)千幅的圖像，對(duì)后期的數(shù)據(jù)處理造成加大的壓力。

4 礦山環(huán)境的恢復(fù)治理

隨著科技的不斷進(jìn)步，以及國家對(duì)于自然環(huán)境保護(hù)要求的不斷重視，礦山環(huán)境恢復(fù)治理已經(jīng)成為各地區(qū)環(huán)境治理的一大方向。因?yàn)榈V山開采的持續(xù)性和破壞性，一般會(huì)造成地區(qū)或者區(qū)域的長期環(huán)境破壞，給人們的生產(chǎn)和生活造成極大的影響。

礦山環(huán)境的恢復(fù)治理具體有裸露巖石邊坡植被恢復(fù)、礦山綠化、工業(yè)尾礦及垃圾場(chǎng)的恢復(fù)治理等，因礦山位置的特殊性、開采的持續(xù)性、堆放及施工切面的復(fù)雜性，給傳統(tǒng)測(cè)繪的實(shí)施造成了極大的困難，且效率較低，同時(shí)傳統(tǒng)測(cè)繪成果為礦山治理恢復(fù)能夠提供的依據(jù)數(shù)據(jù)量有限。因此，采用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)礦山的全貌進(jìn)行攝影測(cè)量，形成三維的實(shí)景模型，能夠極大地提供數(shù)據(jù)依據(jù)，更好的支持恢復(fù)治理，并且能夠更好的、更直觀的幫助礦山的開發(fā)和治理規(guī)劃。

5 無人機(jī)傾斜攝影在礦山治理中的應(yīng)用

5.1 測(cè)區(qū)概況

本文選用寶雞市太白縣鸚鴿鎮(zhèn)鸚鴿村，鸚鴿村位于陜西省寶雞市太白縣，地形條件復(fù)雜，屬于秦嶺山脈，高山地形。測(cè)區(qū)交通不便，僅有眉太公路經(jīng)過，氣候四季分明，本次測(cè)區(qū)南北長500米，東西長400米。鸚鴿鎮(zhèn)鸚鴿村露天采石場(chǎng)見圖1：

圖1 采石場(chǎng)

5.2 目標(biāo)確認(rèn)和空域申請(qǐng)

在進(jìn)行無人機(jī)航空攝影的前期，應(yīng)該根據(jù)具體的目標(biāo)任務(wù)提前做好空域申請(qǐng)和飛行計(jì)劃。飛行計(jì)劃主要內(nèi)容有：①測(cè)區(qū)概況：要了解測(cè)區(qū)的位置、地理環(huán)境及測(cè)區(qū)范田；②確定攝影比例尺和航高；③無人機(jī)起降的具體位置；④選擇合適的攝影相機(jī)；⑤確定拍攝日期。

為提高空域資源利用率，保障飛行安全，在無人機(jī)低空航拍前，應(yīng)按有關(guān)規(guī)定申請(qǐng)?jiān)囼?yàn)區(qū)空域飛行許可。未取得飛行許可的，應(yīng)當(dāng)重新制定飛行計(jì)劃、時(shí)間、范圍，重新做好充分準(zhǔn)備，再次向空域管理部門申請(qǐng)空域。

5.3 航線技術(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)低空航空攝影規(guī)范的相應(yīng)規(guī)定，航空攝影的技術(shù)參數(shù)必須設(shè)計(jì)成確保無人機(jī)在執(zhí)行之前按照預(yù)定的軌道飛行。具體的技術(shù)參數(shù)包括多個(gè)方面：設(shè)定飛行高度，設(shè)定路線，設(shè)置像素覆蓋等等。根據(jù)大操作區(qū)域的要求，根據(jù)地圖的分辨率和地圖的比例尺，比較表1中的數(shù)據(jù)，將該區(qū)域的地形景觀條件組合起來。根據(jù)公式（1）計(jì)算航高[1]。

式中：H為攝影航高：f為物鏡鏡頭焦距：a為像元尺寸，GSD為航攝影像地面分辨率。

表1 測(cè)圖比例尺對(duì)應(yīng)地面分辨率

在地面工作準(zhǔn)備完成后，地面應(yīng)在無風(fēng)、無云、風(fēng)量小的天氣條件下，由配備航拍相機(jī)的低空無人機(jī)拍攝。地勤人員對(duì)通過傳輸獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行核對(duì)，對(duì)重疊不足、照片丟失、重點(diǎn)區(qū)域及時(shí)補(bǔ)拍。經(jīng)數(shù)據(jù)檢查完整合格后，無人機(jī)結(jié)束飛行任務(wù)，對(duì)其進(jìn)行回收。

5.4 檢查點(diǎn)布設(shè)情況

依據(jù)低空攝影測(cè)量內(nèi)外業(yè)成圖精度的規(guī)定，像控點(diǎn)布設(shè)應(yīng)該遵循以下原則：

（1）在復(fù)雜地區(qū)，在無人機(jī)拍攝影像之前，必須在地面上安裝相對(duì)清晰的標(biāo)志，這些標(biāo)志應(yīng)該被用作控制點(diǎn)，以提高穿刺點(diǎn)的精確度和控制點(diǎn)的可靠性。

（2）像片控制點(diǎn)按照航線在整個(gè)測(cè)區(qū)進(jìn)行統(tǒng)一布設(shè)。布設(shè)在同一位置的平面點(diǎn)與高程點(diǎn)，最好能夠聯(lián)測(cè)成平高點(diǎn)。

（3）通常情況下，像控點(diǎn)應(yīng)該布設(shè)在相鄰航線之間的重疊部分，在航線旁向重疊度過小或沒有重疊的區(qū)域，必須分別布設(shè)像控點(diǎn)。

（4）受天氣、風(fēng)和光條件的影響，影像邊緣會(huì)發(fā)生變形，相對(duì)投影誤差會(huì)增大，不利于后期圖像的準(zhǔn)確解釋和準(zhǔn)確穿刺。因此，控制點(diǎn)不應(yīng)放置在距離圖像邊緣不到1cm的位置。一般情況下，控制點(diǎn)應(yīng)選擇在重疊點(diǎn)附近的中線小于3cm的位置。如果它大于這個(gè)距離，應(yīng)該單獨(dú)設(shè)置。

（5）通常情況下，控制點(diǎn)布設(shè)時(shí)，應(yīng)盡量布設(shè)在標(biāo)準(zhǔn)位置上，比如像主點(diǎn)與方位線垂直的直線位置周邊。像控點(diǎn)也可以布設(shè)在航向方向重疊部分，或者布設(shè)航向三片重疊與旁向重疊的中間位置。

本次檢查點(diǎn)是由像控點(diǎn)中選出6個(gè)作為檢查點(diǎn)，檢查點(diǎn)主要應(yīng)用中海達(dá)V30 RTK，采用GPS RTK（1+2）測(cè)量模式對(duì)檢點(diǎn)的大地坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。

6 傾斜攝影成果精度分析

6.1 空三加密的檢查點(diǎn)精度

經(jīng)過空加密和三重加密的聯(lián)合調(diào)整后，檢查點(diǎn)誤差為實(shí)測(cè)坐標(biāo)值與對(duì)應(yīng)圖像點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算的加密坐標(biāo)值之差所得到的值。經(jīng)計(jì)算殘差見下表2：

表2 檢查點(diǎn)的方向殘差（單位：m）

利用中誤差計(jì)算公式評(píng)定平面位置精度[1]：

由以上公示計(jì)算可得，檢查點(diǎn)的平面中誤差是0.105，其中最大誤差是±0.210。同理可得，高程坐標(biāo)中誤差是±0.128，其中最大誤差是±0.210。

檢查點(diǎn)最大限差不得大于下表3[1]。

表3 檢查點(diǎn)誤差最大限差表

通過檢查點(diǎn)同表3對(duì)比可知，空三加密檢查點(diǎn)精度符合相應(yīng)精度要求。

6.2 平面及高程精度檢查

外業(yè)測(cè)量檢查點(diǎn)，采用中海達(dá)V30接收機(jī)，利用GPS RTK（1+2）的測(cè)量方法，測(cè)定位置明顯、周邊環(huán)境較好、易于查找的點(diǎn)位作為檢查點(diǎn)，其坐標(biāo)值可作為真實(shí)值，同三維模型中相同點(diǎn)位坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。通過求解平面中誤差及高程中誤差，見上述中誤差計(jì)算公式②、③、④，按照《CH/T_9015-2012.三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范[S]國家測(cè)繪局，2012.》中對(duì)于三維模型的相關(guān)規(guī)定，既要求平面精度不低于表4[2]、高程精度不低于表5[2]：

表4 平面精度單位：m

表5 地形精度單位：m

用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量，可獲取露天礦山規(guī)劃治理及監(jiān)測(cè)所需的高分辨的DOM數(shù)據(jù)、三維傾斜立體模型數(shù)據(jù)以及DLG數(shù)據(jù)等，通過對(duì)檢查點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及模型數(shù)據(jù)對(duì)比分析，模型中各檢查點(diǎn)精度滿足相關(guān)規(guī)范要求[6]，能夠直觀地展現(xiàn)整個(gè)治理區(qū)的范圍與地形概況，同時(shí)可以利用Smar3D、Acute3DViewer、Artmap等軟件對(duì)DOM數(shù)據(jù)進(jìn)行平面量測(cè)，得出需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)、治理的露天礦山的開采范圍、危險(xiǎn)情況、開采面積、標(biāo)高等基礎(chǔ)信息。

7 結(jié)論

基于無人機(jī)的低空傾斜攝影測(cè)量技術(shù)作為一種全新的三維建模技術(shù)，成為基礎(chǔ)地理信息采集與三維場(chǎng)景建模的重要手段。而采用低空無人機(jī)搭載多種傳感器進(jìn)行的傾斜攝影測(cè)量，其利用多視角航攝儀采集地面目標(biāo)物的前、后、左、右以及頂部五個(gè)角度的二維相片，經(jīng)過專業(yè)軟件的數(shù)據(jù)處理，形成目標(biāo)區(qū)域的實(shí)景三維模型成果，已經(jīng)得到極大的認(rèn)可。

本文主要以寶雞市太白縣鸚鴿鎮(zhèn)一處礦山治理的生產(chǎn)任務(wù)為主體，對(duì)低空無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量成果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過對(duì)檢查點(diǎn)及三維模型點(diǎn)位的精度分析，從空域申請(qǐng)、像控點(diǎn)布設(shè)、航線設(shè)計(jì)等方面簡要的闡述了傾斜攝影中的注意事項(xiàng)及能達(dá)到的精度。本文主要工作結(jié)論包括：

（1）通過實(shí)踐檢查，低空無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)完全可以滿足大比例尺的DLG的數(shù)據(jù)采集生產(chǎn)。

（2）在較復(fù)雜或危險(xiǎn)的露天礦區(qū)，利用低空無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，極大的提高了工作效率和周期，而且獲取的數(shù)據(jù)成果滿足礦山的恢復(fù)治理、環(huán)境監(jiān)測(cè)及后期規(guī)劃。