譚金石，速云中，祖為國

(廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510510)

露天礦區(qū)地形復(fù)雜，不規(guī)則，礦區(qū)地形圖測繪是一項困難的工作，難度大、危險性高，而這項工作礦山的安全、高效生產(chǎn)具有重要的意義。傳統(tǒng)礦山測量手段采用最多的是全站儀、和GPS-RTK兩者相結(jié)合的測量方法，這種方法在一定程度上具有集成度高、自動化程度高等特點，一定程度上具備了高效率和高精度的優(yōu)勢，同時，由于這種測量方式還是單點測量的方法，需要測量大量的地形地貌點，勞動強度大、耗時長，特別在容易出現(xiàn)滑坡裂隙地段，對測繪技術(shù)人員的人身安全存在較大隱患[1,2]。吳慶深等利用近景攝影測量方法獲取露天礦區(qū)三維信息，一定程度上能夠節(jié)省人力物力，獲取大量觀測點，但礦區(qū)地形條件復(fù)雜，拍攝照片困惱，通常拍攝距離較遠，難以獲得良好的拍攝效果[3-6]；褚洪亮等利用三維激光掃描技術(shù)對露天礦進行掃描進行測繪、監(jiān)測等工作，該類方法能完成三維數(shù)據(jù)的快速獲取，存在三維激光掃描設(shè)備價格昂貴、地形數(shù)據(jù)采集存在困難，而且后續(xù)處理過程復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理自動化程度仍較低[7-11]。以上方法均不能很好的滿足工作中對露天礦區(qū)地形圖測繪工作。

無人機作為一種新興的測繪手段，特別是以低空多旋翼無人機為代表的消費級無人機，具有操作簡單、穩(wěn)定性高、自動化、智能化等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于城市三維建模、城市規(guī)劃、應(yīng)急救災(zāi)等領(lǐng)域[12-13]。本文提出了利用低空多旋翼無人機航測對露天礦區(qū)進行地形圖測繪的方法，首先分析低空多旋翼無人機的特點及技術(shù)路線，并通過案例詳細分析從無人機航飛方案制定、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、地形圖要素采集，并對成果精度進行評估，對后續(xù)露天礦區(qū)測繪具有重要的借鑒意義。

1 低空無人機航測技術(shù)路線

測繪無人機種類較多，包括固定翼無人機、復(fù)合翼無人機和多旋翼無人機等，有其各自的優(yōu)缺點和應(yīng)用領(lǐng)域。低空多旋翼無人機，具備體積小、攜帶方便、穩(wěn)定性高、起降方便、自動化程度高等特點，在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用。無人機航測主要是以無人機為平臺，搭載數(shù)碼相機，按一定的航線規(guī)劃，對測區(qū)進行低空攝影，獲取原始影像數(shù)據(jù)，從原始影像數(shù)據(jù)中提取每張照片的位置信息(POS數(shù)據(jù))，利用專業(yè)攝影測量處理軟件進行空三、DSM點云生成、TIN構(gòu)網(wǎng)、紋理映射等過程，構(gòu)建完整的實景三維模型，還可生成真正射影像圖和數(shù)字表面模型等[14-15]。

低空多旋翼無人機航測工作主要包括項目前期資料收集、航飛方案制定、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、像控測量、空中三角測量、密集匹配及模型構(gòu)建、實景三維建模、DOM/DSM生產(chǎn)、三維測圖、外業(yè)補測及調(diào)繪等，具體的技術(shù)路線如圖 1 所示。

圖 1 低空無人機航測技術(shù)路線圖

2 案例分析

2.1 研究區(qū)概況

本案例研究區(qū)選取廣東省云浮市某一露天礦區(qū)，該礦區(qū)為高臺階開采方式，臺階較高，高差達百米，走向長度從幾百米至數(shù)千米，地形復(fù)雜、陡峭，礦區(qū)面積約1.53 km2。

2.2 低空多旋翼無人機

低空多旋翼無人機采用大疆消費級無人機精靈4pro(DJI phantom 4 pro)，該無人機搭載FC3610相機，相機焦距為8.8 mm，像元大小2.401 2 μm。最大飛行速度為72 km/h，最大續(xù)航時為30 min，衛(wèi)星定位模塊為GPS/GLONASS，位置精度為≦±5 m，平臺穩(wěn)定系統(tǒng)精度≦±0.03°，飛控系統(tǒng)采用雙雙冗余慣性測量單元和指南針系統(tǒng)，遙控器工作頻率為2.400～2.483 GHz，云臺可控轉(zhuǎn)動中，俯仰:-90°～+30°，圖像傳輸和可遙控距離為5 km，相機鏡頭FOV 84°，24 mm(35 mm格式等效)，f/2.8～f/11 帶自動對焦,相機影像傳感器1英寸CMOS，有效像素2 000萬,照片尺寸選擇4：3，寬高比:4 864×3 648。另外，在進行攝影測量采集時，需要利用航線規(guī)劃軟件。

2.3 像控點測量

由于礦區(qū)地面明顯特征點較少，需要在航飛之前測量地面像控點。由于礦區(qū)較難找到固定的明顯特征點，在平坦區(qū)域噴“L”或“+”油漆，像控點均勻布設(shè)于測區(qū)，并用GPS RTK(GDCORS)測量點位坐標值。本項目中布設(shè)像控點及檢查點共15點，其中7個點用于空三解算，另外8個用于檢查成果精度,分布情況如圖 3所示。為了保證像控點的精度，按照圖根點測量的要求執(zhí)行，平面精度在±0.05 m，高程精度在±0.05 m，每個點位獨立觀測3次取平均值作為該像控點的坐標值。

圖 2 像控點分布圖

2.4 航線規(guī)劃及無人機影像采集

在航飛之前，需要進行航線規(guī)劃。航線規(guī)劃主要根據(jù)無人機搭載相機焦距、像元大小、地面分辨率、航向重疊度、旁向重疊度等因素，利用規(guī)劃軟件自動生成航線，確認后將航線任務(wù)發(fā)送到無人機控制系統(tǒng)，無人機按照規(guī)劃航線執(zhí)行飛行任務(wù)，在飛行的過程中，按一定的距離間隔定點拍照，將照片存儲在無人機內(nèi)存卡中，同時將拍照瞬間的GPS位置坐標信息寫入照片。在本次研究中，航線規(guī)劃軟件采集研究團隊基于安卓和DJISDK自主開發(fā)的智能飛行控制軟件。采用大疆精靈4無人機垂直和傾斜攝影相結(jié)合的方法，相機焦距為8.8 mm,像元大小2.401 2 μm，地面分辨率設(shè)為0.05 m，綜合考慮建模軟件、精度、地形等對重疊度的影響，制定合理的航向、旁向重疊度，這里設(shè)置航向80%，旁向75%。由于礦區(qū)高差較大，需要進行分區(qū)航飛，本項目按5個航高進行飛行，海拔高度分別為520 m、400 m、360 m、320 m、280 m，針對陡峭的區(qū)域，增加傾斜攝影。

2.5 空三及實景三維建模

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中，空中三角測量是數(shù)據(jù)處理的核心和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響到成果的精度。本次研究采集的空三及建模軟件為Context Capture Center，該軟件基于圖形運算單元GPU進行高速三維場景運算，具有功能強大、處理靈活、高擴展性、少人工干預(yù)、多GPU協(xié)同運算建模等特點。根據(jù)多角度影像三維重建技術(shù)，將具有一定重疊度的垂直影像和傾斜影像融合處理，實現(xiàn)從照片到高質(zhì)量的真正射影像、三維點云、實景三維模型的轉(zhuǎn)變過程，高度智能化、成果多種樣，成果精度可以達到毫米級。

(1)準備階段

整理好外業(yè)測量的地面像控點(15個)、原始照片(共1 562張)、POS、相機文件等。成果要求為西安80坐標和85高程，因此，地面像控點和POS數(shù)據(jù)都為相同坐標系，便于后續(xù)計算。建模軟件中新建工程，導(dǎo)入原始照片、地面像控點、POS數(shù)據(jù)。

(2)空中三角測量

空中三角測量包括相對定向和絕對定向兩個過程。相對定向，只需要影像結(jié)合POS數(shù)據(jù)進行特征提取，提取連接點，再通過區(qū)域網(wǎng)平差計算每張照片曝光時刻相機的中心位置和姿態(tài)即外方位元素。外方位元素只是恢復(fù)了照片相對關(guān)系，如果需要確定每張照片的精確外方位元素，還需要加入地面像控點，進行絕對定向。絕對定向需要增加3個以上像控點進行區(qū)域網(wǎng)平差。像控點刺點過程中，每個像控點至少需要刺到3張以上照片，將所有地面像控點刺點后，提交一次以像控點為參考的空三解算，即基于像控點的區(qū)域網(wǎng)平差，通過平差報告確定空三成果精度，空三效果及像控點精度報告，本次試驗中空三精度到達0.004 m以內(nèi)，如下圖4所示。

圖 3 空三關(guān)鍵連接點

(3)實景三維模型構(gòu)建

空三完成后，提交三維建模構(gòu)建過程，在建模之前，需要設(shè)置模型中心坐標、分塊大小、分塊編號的起點坐標等。實景三維建模構(gòu)建主要包括密集點匹配、TIN三角網(wǎng)建構(gòu)、紋理映射等過程。密集點匹配主要是基于多照片進行同名點匹配，提取高精度的像點坐標，該過程受地形地貌的復(fù)雜度和照片數(shù)量的影響，地物地貌越復(fù)雜，細節(jié)表現(xiàn)越精細，點密度越高，計算時間也越長。在其他條件相同情況下，照片數(shù)量越多，計算的時間越長。密集匹配后，得到大量的密集點云，點云再進行TIN構(gòu)網(wǎng)，形成三角面，再從照片中找到最合適、質(zhì)量最好的紋理進行著色，最后輸出帶紋理的實景三維模型。測區(qū)建模效果如圖4示。

圖 4 礦區(qū)三維實景模型

礦區(qū)模型不規(guī)則地塊的細節(jié)表現(xiàn)很精細，局部放大圖如圖 5所示。

實景三維模型構(gòu)建完成，可快速輸出多種成果：1)三維模型包括osgb、obj、dae等；2)真正射影像圖DOM；3)數(shù)字表面模型DSM。以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，可快速采集數(shù)字化地形圖DLG。這些成果為后續(xù)的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖 5 DSM效果圖

2.6 基于實景三維的地形圖測繪

本文利用清華山維EPS2016三維測圖軟件進行地形圖采集。EPS軟件新建測圖模板1:500地形圖，利用osgb模型轉(zhuǎn)換功能，將前面生成的實景三維模型osgb轉(zhuǎn)換成測圖格式dsm，模型展示在測圖視圖右側(cè)，左側(cè)為采集的地形圖。在采集地形圖過程中，選擇地物符號命令，在三維模型上采集相應(yīng)的地物，依次采集道路、房屋、陡坎等地物，直到所有地物采集完畢。激活高程點采集命令后，直接在模型上單擊采集高程點，最后生成等高線。最后對地形圖進行編輯。圖 6為軟件導(dǎo)入三維模型進行地物采集，圖 7為采集完成后的地形圖。

圖 6 三維測圖軟件

圖 7 礦區(qū)地形圖

2.7 成果精度分析

成果精度受諸多因素的影響，比如像控點測量精度、空三精度、地物地形要素采集等因素。成果數(shù)據(jù)能否滿足規(guī)范要求，以評價成果的依據(jù)。本次研究前面像控點及空三精度在相應(yīng)部分已作檢查確認，這里主要是以三維實景模型和地形圖成果為檢測對象，利用常規(guī)檢驗方法檢查其平面和高程精度。利用8個檢查點檢查三維模型的精度，統(tǒng)計得到其平面中誤差為±0.08 m，高程中誤差為±0.12 m。對于地形圖，主要檢查明顯地物和高程點，從地形圖中找到明顯的特征點，在現(xiàn)場利用GPS-RTK測量其坐標，并將該坐標作為近似真值，分別計算兩個坐標值在平面和高程上的差值，用來評估成果的精度。本項目中，通過測量10個檢查點，統(tǒng)計得到其平面中誤差為±0.1 m，高程中誤差為±0.13 m，符合《工程測量規(guī)范》中1:500精度要求，滿足大部分工程應(yīng)用需求。

3 結(jié) 語

基于消費級低空多旋翼無人機進行露天礦區(qū)地形圖測繪，快速對測區(qū)進行低空攝影，結(jié)合地面控制點，利用攝影測量及三維建模軟件，快速、精確地獲取測區(qū)的實景三維模型、DOM、DSM等成果，基于這些成果，利用數(shù)字化測圖軟件采集礦區(qū)地形地貌要素，編輯成最終的地形圖。該方法大大減少了作業(yè)人員外業(yè)的工作量，降低作業(yè)人員的安全風(fēng)險，保證了測繪監(jiān)測高精度的要求，補充了礦區(qū)監(jiān)測的外業(yè)工作流程，提供了豐富的成果類型，大大提高了露天礦區(qū)測繪生產(chǎn)效率。但是無人機傾斜攝影測量在實際生產(chǎn)應(yīng)用過程中也存在不足之處，如植被區(qū)高程如何測繪、像控點測量困難區(qū)域如何解決等，還需要不斷完善和改進，后續(xù)將免像控攝影測量、搭載小型激光雷達等方面進一步的實踐與探索。