孫健東，陳 需，周 宇，王 韜，林鈺淇，李 方，于鑫鑫，劉 鑫

(1.華北科技學(xué)院，河北 三河 065201；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司 黑岱溝露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；4.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

拋擲爆破-拉斗鏟倒堆工藝是世界范圍內(nèi)露天礦山的主流開采工藝，拋擲爆破后爆堆的形態(tài)一方面反映了拋擲爆破的效果，可用于指導(dǎo)爆破參數(shù)的優(yōu)化與設(shè)計(jì)，另一方面又決定了系統(tǒng)的有效作業(yè)量，用于指導(dǎo)后續(xù)倒堆作業(yè)中工作面的設(shè)計(jì)，因此爆堆形態(tài)的采集是拋擲爆破作業(yè)中的一項(xiàng)重要工作[1]。然而，當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)采用的激光掃描技術(shù)手段存在程序復(fù)雜、架設(shè)位置受限、作業(yè)存在安全風(fēng)險(xiǎn)、掃描作業(yè)滯后等諸多問題，在很大程度上影響了爆堆采集工作的效率及精度，因此有必要探索更為安全、可靠、快捷的測(cè)繪手段。

無人機(jī)獲取影像數(shù)據(jù)具有時(shí)效性強(qiáng)、成本低、影像分辨率高、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)[2]，諸多學(xué)者近年來圍繞無人機(jī)在露天礦山測(cè)繪等領(lǐng)域的應(yīng)用開展了研究工作。劉光偉等[3]利用無人機(jī)對(duì)伊敏露天礦采場(chǎng)、煤場(chǎng)的采剝工程量測(cè)繪問題進(jìn)行了研究；方翔等[4]構(gòu)建了舟山某大型露天采石礦山的三維模型，實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)三維全景漫游；趙紅澤等[5]提出無人機(jī)在露天礦地形建模的應(yīng)用研究；秦秀山[6]等利用無人機(jī)航測(cè)技術(shù)開展了非接觸式現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查等等，上述研究工作充分驗(yàn)證了無人機(jī)應(yīng)用到礦山測(cè)繪工作中的可行性。

綜上，利用無人機(jī)搭載圖像傳感器進(jìn)行爆堆空中掃描，可以以大范圍、高精度的方式系統(tǒng)化感知爆破工作面，有效反映爆堆的外觀、位置、高度等屬性，有效提升模型的生產(chǎn)效率。整套技術(shù)方法簡單可靠，爆破后30min內(nèi)即可完成掃描作業(yè)，5～10h內(nèi)即可交付工作面三維模型，且滿足比例尺1∶500測(cè)繪精度要求，為爆堆形態(tài)的采集提供了全新的技術(shù)手段。

1 研究背景

我國黑岱溝露天礦采用拋擲爆破-拉斗鏟倒堆工藝剝離煤層以上約35～50m的巖石，拋擲爆破后，約30%的巖石直接拋擲進(jìn)入排土場(chǎng)，剩余物料由拉斗鏟進(jìn)行倒堆處理，黑岱溝穿爆隊(duì)利用MDL高精度激光掃描儀進(jìn)行爆堆掃描作業(yè)，激光發(fā)射器分辨率為1cm，精度達(dá)10cm，掃描角分辨率0.01°，精度為0.02°，掃描范圍：水平角度0～360°，垂直角度-45°～80°，掃描距離700m，掃描速度為7200p/h[7]，掃描儀重量約9.7kg，再加上三腳架等裝置后，設(shè)備系統(tǒng)總重接近15kg。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過程中，主要存在以下問題：

1)移設(shè)不便。設(shè)備架設(shè)于高臺(tái)階工作面或倒土堆頂部，受掃描角度限制，需要多次移設(shè)。

2)受環(huán)境及氣候影響較大。工作面凹凸不平，系統(tǒng)的找平定位較為繁瑣，遇到雨、雪等惡劣天氣時(shí)，作業(yè)更加困難。

3)存在安全隱患。爆破前掃描作業(yè)時(shí)，高臺(tái)階坡頂距離煤層底板約70～80m，激光掃描儀架設(shè)在高臺(tái)階邊緣時(shí)較為危險(xiǎn)，如架設(shè)在安全距離以外則無法避免掃描盲區(qū)。

4)掃描作業(yè)滯后。一次掃描作業(yè)約耗時(shí)2h，拋擲爆破作業(yè)在下午5點(diǎn)左右進(jìn)行，受交接班影響及冬季照明條件限制，一般次日上午10點(diǎn)開始掃描作業(yè)，然而此時(shí)推土機(jī)已經(jīng)處理了部分物料，因此采集的數(shù)據(jù)不能反應(yīng)真實(shí)拋擲情況(如圖1所示)。

5)當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)工期接續(xù)緊張時(shí)，往往不進(jìn)行爆前采空區(qū)掃描作業(yè)。然而受煤層底板起伏、采空區(qū)堆積物料等因素影響，后期采集到的數(shù)據(jù)無法對(duì)上述因素造成的影響進(jìn)行分析。

鑒于上述原因，研究提出利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)開展爆堆的快速掃描作業(yè)。

2 外業(yè)采集方案設(shè)計(jì)

2.1 外業(yè)像控點(diǎn)的布設(shè)

像控點(diǎn)指無人機(jī)航測(cè)前，利用RTK、全站儀等設(shè)備在拍攝目標(biāo)測(cè)區(qū)內(nèi)建立的具有標(biāo)志性的真實(shí)坐標(biāo)點(diǎn)，可對(duì)后期航測(cè)成果進(jìn)行校正，從而提高模型精度[8]。合理的像控點(diǎn)布設(shè)方案會(huì)提高原始爆堆三維模型的精度，布設(shè)時(shí)應(yīng)盡可能在待測(cè)區(qū)域內(nèi)均勻布置。但在現(xiàn)場(chǎng)布點(diǎn)工作過程中發(fā)現(xiàn)了以下問題：

1)拋擲爆破區(qū)域地形復(fù)雜，大部分區(qū)域人員無法抵達(dá)，難以進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè)工作。

2)坑底采空區(qū)位置受倒土堆及高臺(tái)階遮擋，無法正常接收RTK信號(hào)。

3)工程接續(xù)緊張，爆破后20min內(nèi)推土機(jī)駛?cè)氡炎鳂I(yè)，因此在爆堆上無法布置像控點(diǎn)。

綜合考慮上述問題，研究提出利用區(qū)域網(wǎng)法的密周邊布點(diǎn)方案，所有像控點(diǎn)均為平高點(diǎn)，爆堆區(qū)域大約為550m×250m，選擇布設(shè)11個(gè)像控點(diǎn)，其中6個(gè)作為內(nèi)業(yè)加密像控點(diǎn)，5個(gè)作為檢驗(yàn)點(diǎn)。在保證安全的前提下，像控點(diǎn)盡可能均勻分布在爆堆周邊(如圖2所示)。另一方面，從礦方穿爆隊(duì)獲取拋擲爆破高臺(tái)階坡頂線及各鉆孔的平面及高程坐標(biāo)，起到輔助加密的作用，極大程度上提高了未來模型的精度，降低了像控點(diǎn)布設(shè)工作量。

2.2 航攝方案規(guī)劃

2.2.1 試驗(yàn)無人機(jī)參數(shù)概述

本次外業(yè)航測(cè)選取大疆Phantom 4Pro2.0專業(yè)版航測(cè)無人機(jī)，其參數(shù)見表1。無人機(jī)的相機(jī)參數(shù)見表2。

2.2.2 無人機(jī)外業(yè)飛行航高設(shè)計(jì)

相對(duì)航高是指無人機(jī)測(cè)繪時(shí)距離拋擲爆破工作面區(qū)域的平均高度，計(jì)算公式為：

H=(f×GSD)/a

(1)

式中，H為相對(duì)航高，m；f為無人機(jī)搭載相機(jī)焦距，mm；GSD為地面分辨率，cm；a為像元尺寸，mm。

大疆Phantom 4Pro2.0無人機(jī)搭載的是非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)，采用8.8mm定焦鏡頭，1英寸CMOS約為13.2×8.8mm，分辨率大小為5472×3648，計(jì)算可得到具體的像元尺寸為0.00241mm。根據(jù)航測(cè)程度要求，1∶500測(cè)圖比例尺條件下地面分辨率值應(yīng)小于等于5cm。根據(jù)式1可知，1∶500測(cè)圖比例尺對(duì)應(yīng)的最大航高限制為182.57m，研究中為了確保地面分辨率值小于等于2.5cm，因此設(shè)定最大航高為90m。

2.2.3 像片重疊度設(shè)計(jì)

像片重疊具體包括航向重疊和旁向重疊，分別指同一航線方向、相鄰航線上的相鄰相片重疊。合理地規(guī)劃航向重疊度以及旁向重疊度可以提高航測(cè)產(chǎn)品的精度[9]，且影響到無人機(jī)的飛行作業(yè)時(shí)間，在航高一定的情況下，像片重疊度越高，無人機(jī)飛行作業(yè)時(shí)間越長，產(chǎn)品精度也會(huì)一定程度提高。重疊度計(jì)算公式為：

qx%=(px/lx)×100%

(2)

qy%=(py/lx)×100%

(3)

式中，qx為航向重疊度；qy為旁向重疊度；p為相鄰兩張相片航向重疊部分的長度；py為兩條相鄰航帶之間相鄰相片重疊部分的長度；lx為整個(gè)像幅影像的長度。

根據(jù)《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》(CH/Z 4005—2010)的要求[10]，無人機(jī)航拍的像片航向重疊度應(yīng)為60%～80%，旁向重疊度應(yīng)設(shè)置為15%～60%?？紤]拋擲爆破區(qū)域高臺(tái)階的遮擋作用，結(jié)合國內(nèi)學(xué)者相關(guān)研究[11]，為避免模型幾何結(jié)構(gòu)的黏連，影像重疊度最多可設(shè)計(jì)為80%～90%。因此研究中設(shè)計(jì)航向重疊度及旁向重疊度均為80%。

2.2.4 無人機(jī)巡航速度設(shè)計(jì)

最大巡航速度用于限制無人機(jī)的飛行速度，防止影響動(dòng)態(tài)模糊，計(jì)算方法為：

Vmax=(δmax×GSD)/t

(4)

式中，Vmax為最大巡航速度，m/s；GSD為地面分辨率，cm；t為相機(jī)曝光時(shí)間，s；δmax為容許像移值。

根據(jù)航測(cè)經(jīng)驗(yàn)，光圈為f=2.8，感光度ISO為200時(shí)，陰天、多云、晴天的相機(jī)合適的曝光時(shí)間分別為1/200s，、1/1000s、1/2000s，根據(jù)式4可知，晴天條件下巡航速度為10m/s，電子快門速度設(shè)置為1/2000s時(shí)，δmax=20%。為控制容許像移值δmax以保證拍攝質(zhì)量，需要減少曝光時(shí)間且提高的感光度ISO，但感光度提高后通常會(huì)導(dǎo)致影像質(zhì)量降低。研究中經(jīng)過多次嘗試，確定晴天條件下電子快門速度設(shè)置為1/8000s、無人機(jī)巡航速度為10m/s，該參數(shù)設(shè)置條件下δmax=5%，可以得到較好的拍攝效果。

2.3 航攝初步成果

爆堆區(qū)域大小約為550m×250m，考慮周圍的像控點(diǎn)，實(shí)際航測(cè)區(qū)域大小約為700m×390m，可將爆堆區(qū)域周圍的像控點(diǎn)全覆蓋，保證三維模型的精度?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)正處冬季，無人機(jī)低溫條件下續(xù)航時(shí)間不足25min，因此為安全起見，無人機(jī)每次飛行時(shí)間控制在20min以內(nèi)。研究采用單鏡頭無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，共需要3個(gè)架次飛行，實(shí)際耗時(shí)約70min，布設(shè)像控點(diǎn)的時(shí)間約為60min，外業(yè)總作業(yè)時(shí)間約為130min，共獲取1432張?jiān)急褕D像，部分原始爆堆影像如圖3所示。

圖3 部分原始爆堆影像

3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程

在外業(yè)數(shù)據(jù)采集后，為了獲取拋擲爆破爆堆的原始三維模型，需要進(jìn)行多視影像聯(lián)合平差，充分考慮傾斜攝影圖像之間的幾何變形和遮擋關(guān)系。結(jié)合無人機(jī)POS系統(tǒng)記錄的影像外方位元素，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)匹配和自由網(wǎng)光束法平差[12]，關(guān)鍵步驟如下：

3.1 基于SIFT算法的圖像匹配

SIFT指尺度不變特征變換，該算法用于解決影像中存在的光照影響、目標(biāo)遮擋、噪聲等問題，當(dāng)進(jìn)行目標(biāo)物的旋轉(zhuǎn)、縮放等操作時(shí)可保證其不會(huì)改變，算法關(guān)鍵步驟如下：

3.1.1 構(gòu)建高斯尺度空間

對(duì)圖像進(jìn)行不同程度的模糊處理是構(gòu)建高斯尺度空間的關(guān)鍵，利用不同的高斯核可以得到不同程度的爆堆模糊圖像，通過爆堆圖像與高斯函數(shù)二者進(jìn)行卷積計(jì)算實(shí)現(xiàn)爆堆模糊圖像的處理。具體如下：

L(x，y，σ)=G(x，y，σ)*I(x，y)

(5)

式中，*表示卷積運(yùn)算；(x，y)為圖像空間坐標(biāo)；I(x，y)為圖像所在位置(x，y)的像素值；σ為尺度空間因子；G(x，y，σ)為尺度可變高斯函數(shù)，其中：

2個(gè)尺度圖像之差為：

D(x，y，σ)=[G(x，y，kσ)-G(x，y，σ)]*

I(x，y)=L(x，y，kσ)-L(x，y，σ)

(7)

3.1.2 DoG空間極值檢測(cè)

該步驟的目的是得到高斯尺度空間的最大或者最小點(diǎn)，比較圖像中標(biāo)記像素點(diǎn)與其周圍的8個(gè)點(diǎn)的大小，若8個(gè)點(diǎn)都處于同一尺度空間內(nèi)，之后再與它上下兩個(gè)緊挨著的尺度空間的18個(gè)點(diǎn)進(jìn)行比值大小，最終得到極值點(diǎn)。

3.1.3 關(guān)鍵點(diǎn)方向分配

根據(jù)SIFT算法的定義可知，要想實(shí)現(xiàn)算子尺度不變特征變換，就必須先得到關(guān)鍵點(diǎn)的具體的方向參數(shù)，方向參數(shù)要根據(jù)這個(gè)點(diǎn)的空間方向特點(diǎn)來計(jì)算[13]，具體流程包括：

計(jì)算各點(diǎn)梯度的模：

m(x，y)=

(8)

計(jì)算各點(diǎn)的梯度方向：

式中，m(x，y)是(x，y)所處梯度的模值；θ(x，y)為(x，y)所處梯度方向。然后利用直方圖統(tǒng)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)臨域內(nèi)像素對(duì)應(yīng)的梯度方向和幅值，其中直方圖的峰值就是關(guān)鍵點(diǎn)的主方向。

3.1.4 關(guān)鍵點(diǎn)特征描述

關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)于之后圖像之間的相互匹配至關(guān)重要，需要利用向量對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行表示，稱為描述子。θ角度為關(guān)鍵點(diǎn)的主方向，將關(guān)鍵點(diǎn)所在坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)θ角度，得到的新坐標(biāo)為：

(x，y∈[-radius，radius])

(10)

旋轉(zhuǎn)后以主方向?yàn)橹行娜?*8的窗口，計(jì)算各像素點(diǎn)的梯度方向和幅值，利用高斯窗口進(jìn)行加權(quán)運(yùn)算后，在降維后得到的小塊上繪制8個(gè)方向的梯度直方圖并計(jì)算各方向的累加值，即可得到關(guān)鍵描述子，描述子生成效果如圖4所示。

圖4 關(guān)鍵點(diǎn)描述子生成效果

3.1.5 關(guān)鍵點(diǎn)匹配

通過上述步驟可得關(guān)鍵點(diǎn)的特征方向以及特征方向的尺寸大小，即最終所需要的關(guān)鍵點(diǎn)，由于采集到爆堆影像之間具有較高的重疊度(80%)，每張爆堆圖片可理解為由若干個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)所組成，因此可對(duì)所有最終確定的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行互相匹配，建立關(guān)鍵點(diǎn)之間的匹配關(guān)系，進(jìn)而建立爆堆圖像之間的匹配關(guān)系。

3.1.6 匹配結(jié)果

研究在Matlab平臺(tái)下編程實(shí)現(xiàn)了上述步驟，以臨近高臺(tái)階南部的兩幅爆堆圖像為例，對(duì)兩幅爆堆圖像分別進(jìn)行特征點(diǎn)提取，第一幅圖像提取出4502個(gè)特征點(diǎn)，如圖5(a)所示，第二幅圖像提取出4606個(gè)特征點(diǎn)，如圖5(b)所示。圖5中圓圈半徑大小代表特征點(diǎn)尺度大??；橫線表示特征點(diǎn)方向。最后對(duì)兩幅爆堆圖像進(jìn)行特征點(diǎn)匹配，共匹配到753對(duì)特征點(diǎn)，如圖5(c)所示。

圖5 爆堆圖像特征點(diǎn)檢測(cè)及匹配示意圖

3.2 光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量

光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量是以一張影像組成的一束光線作為平差單元，以中心投影的共線性方程作為平差的基礎(chǔ)方程，對(duì)各個(gè)光束旋轉(zhuǎn)和平移使得公共光線的最優(yōu)交會(huì)。最后將整個(gè)觀測(cè)區(qū)域轉(zhuǎn)化至控制點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)，確定加密點(diǎn)的地面坐標(biāo)及像片的外方位元素[14]。

其中，以中心投影的共線性方程為[15](詳細(xì)推導(dǎo)過程見文獻(xiàn)[15])：

vx=a11ΔXs+a12ΔYs+a13ΔZs+a14Δφ+

a15Δω+a16Δκ+a11ΔX+a12ΔY+a13ΔZ-lx

vy=a21ΔXs+a22ΔYs+a23ΔZs+a24Δφ+

a25Δω+a26Δκ+a21ΔX+a22ΔY+a23ΔZ-ly

(11)

式(11)用矩陣表示為：

式中，

t=[ΔXs，ΔYs，ΔZs，Δφs，Δωs，Δκs]

那么此時(shí)所對(duì)應(yīng)的法方程為：

如果對(duì)空三的成果進(jìn)行精度檢驗(yàn)，可利用外業(yè)布設(shè)好的檢查點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，檢查點(diǎn)的平面中誤差、高程中誤差均根據(jù)式(14)求解。

式中，m為檢查點(diǎn)中誤差；Δ為檢查點(diǎn)測(cè)量坐標(biāo)值和解算值之差；n為檢查點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

研究利用ContextCapture軟件進(jìn)行爆堆圖像的空三加密。得到了每張?jiān)急延跋竦木_的外方位元素，如圖6所示。

圖6 爆堆影像的空三加密示意圖

3.3 基于PMVS的影像密集匹配

SIFT算法能夠通過影像中特征點(diǎn)的提取實(shí)現(xiàn)影像精準(zhǔn)匹配，但匹配形成的特征點(diǎn)較為稀疏。例如3.1節(jié)中兩幅爆堆圖片僅有753對(duì)特征點(diǎn)，因此還需要利用多視影像密集匹配得到同名點(diǎn)的空間坐標(biāo)信息形成密集的三維點(diǎn)云。這一過程中利用的算法是PMVS(Patch-based Multi-view Stereo)，算法主要步驟為：初始特征匹配，生成初始稀疏的匹配點(diǎn)，形成下一步匹配傳播的種子點(diǎn)；擴(kuò)散，由稀疏的種子點(diǎn)擴(kuò)展得到密集的點(diǎn)云[16，17]；過濾，刪選面片，確保結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.3.1 初始種子面片生成

首先，利用Harris算子和DOG算子提取各幅影像的特征點(diǎn)，通過多幅影像間特征點(diǎn)的匹配構(gòu)建稀疏面片集，并選出參考影像與待匹配影像。以各幅影像作為參考影像，依次與待匹配影像進(jìn)行匹配，并存儲(chǔ)于圖像塊之中。然后將每一對(duì)匹配得到的特征點(diǎn)對(duì)進(jìn)行前方交會(huì)計(jì)算地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)式(15)，形成種子面片。

式中，x、y、z分別代表同名點(diǎn)坐標(biāo)和物方點(diǎn)深度信息；X、Y、Z為物方點(diǎn)的三維坐標(biāo)；P為投影矩陣。

3.3.2 面片擴(kuò)散

基于上一步得到的種子面片在其周圍生成待擴(kuò)散的面片，其三維坐標(biāo)和法向量由種子面片初始化，根據(jù)待擴(kuò)散面片在影像上的投影位置灰度信息的相似度來優(yōu)化其具體的三維坐標(biāo)和法向量。如果面片p想要擴(kuò)散到其它區(qū)域生成新的面片，必須滿足式(16)：

C(p)={Ci(x′，y′)|p∈Q(x，y)，

|x-x′|+|y-y′|=1}

(16)

式中，C(p)為圖像塊領(lǐng)域集合；C(x′，y′)為圖像塊；Q(x，y)為圖像塊中所有面片集合。

3.3.3 面片過濾

重建過程中可能會(huì)生成誤差較大的面片，因此需要通過對(duì)以下幾類面片進(jìn)行過濾以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性[18]：

1)處于同一圖像塊中且平均相關(guān)系數(shù)差異較大的面片。

2)根據(jù)光照一致性約束，計(jì)算格網(wǎng)中各面片深度信息并統(tǒng)計(jì)獲取可視圖像數(shù)量，若小于某閾值，則予以剔除。

3)對(duì)于每個(gè)面片p，統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)可視圖像中屬于p所在圖像塊及相鄰圖像塊中的面片總數(shù)，若p的臨近面片占面片總數(shù)的比例低于1/4，則濾掉該點(diǎn)。

4 建模效果分析

基于上述三維建模關(guān)鍵技術(shù)，使用Matlab、Context Capture等平臺(tái)進(jìn)行爆堆影像的三維重建。建模采用高斯-克里格3度帶投影，中央子午線為111°，平面坐標(biāo)系采用國家2000坐標(biāo)系，高程采用1985國家高程基準(zhǔn)。具體成果如圖7所示。

圖7 模型構(gòu)建成果

利用5個(gè)檢查點(diǎn)對(duì)原始爆堆三維模型進(jìn)行精度驗(yàn)證，分別計(jì)算模型的平面中誤差、高程中誤差，見表3、表4。

表3 實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)坐標(biāo) m

表4 檢查點(diǎn)殘差表 m

經(jīng)計(jì)算平面中誤差m=±0.129m，高程中誤差mz=±0.263m。根據(jù)《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》，比例尺1∶500測(cè)繪成果I級(jí)精度要求平面位置中誤差小于等于0.3m，高程中誤差差小于等于0.5m，無人機(jī)測(cè)繪成果滿足上述要求。

通過實(shí)踐與研究可以看出，與礦方傳統(tǒng)激光掃描技術(shù)相比，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)測(cè)繪作業(yè)效率高。原先激光掃描工作需要第二天進(jìn)行，第三日完成模型。應(yīng)用無人機(jī)技術(shù)在爆破后即可開展測(cè)繪，且在第二天早調(diào)會(huì)議前形成成果。

2)設(shè)備成本低。礦方傳統(tǒng)的三維激光掃描儀價(jià)格約為40萬元(不含相關(guān)軟件費(fèi)用)，而研究中采用的大疆Phantom4 Pro2.0專業(yè)版航測(cè)無人機(jī)僅為3萬元。

3)安全系數(shù)高。拋擲爆破臺(tái)階拋擲前高達(dá)70～80m，屬于高危險(xiǎn)區(qū)域，傳統(tǒng)測(cè)繪方法存在安全隱患，使用無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)可極大保障人員及設(shè)備的安全。

4)作業(yè)人員少，工作強(qiáng)度低。傳統(tǒng)的掃描方式需4人協(xié)作，而無人機(jī)體積小、重量輕、易攜帶，僅需要2人甚至1人即可完成工作，且操作過程簡單，輸入?yún)?shù)后可實(shí)現(xiàn)一鍵作業(yè)。

5)獲取的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確、完整。原先激光掃描方式存在時(shí)間滯后性，掃描中無法避免掃描盲區(qū)，而無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)可以及時(shí)、無死角地獲取爆堆真實(shí)形態(tài)。

6)為評(píng)價(jià)與設(shè)計(jì)提供翔實(shí)資料。無人機(jī)技術(shù)可以得到爆破前后工作面三維模型，一方面為爆破效果評(píng)價(jià)提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，另一方面為后續(xù)拉斗鏟倒堆作業(yè)工作面的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

5 結(jié) 語

1)論文針對(duì)基于無人機(jī)傾斜攝影的拋擲爆破爆堆形態(tài)測(cè)量方法展開研究，提出了無人機(jī)像控點(diǎn)布設(shè)方案，充分結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)，利用臺(tái)階坡頂線坐標(biāo)、鉆孔坐標(biāo)等實(shí)現(xiàn)了像控點(diǎn)加密，提高了模型精度、降低了外業(yè)工作量。

2)經(jīng)過試驗(yàn)總結(jié)得出，該場(chǎng)景下應(yīng)用大疆消費(fèi)機(jī)無人機(jī)，為保證地面分辨率值小于等于2.5cm，最大航高應(yīng)為90m、航向重疊度及旁向重疊度為80%、晴天條件下電子快門速度設(shè)置為1/8000s、無人機(jī)巡航速度為10m/s。

3)對(duì)無人機(jī)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，具體包括圖像匹配算法、空三測(cè)量原理、影像密集匹配流程等。

4)經(jīng)過詳細(xì)的理論分析及實(shí)踐驗(yàn)證，研究形成了系統(tǒng)化的無人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)采集作業(yè)方案，模型誤差完全滿足比例尺1∶500測(cè)繪成果I級(jí)精度要求?？芍苯庸╊愃茟?yīng)用場(chǎng)景下露天礦山的測(cè)繪工作參考與借鑒。

5)另外受經(jīng)費(fèi)所限，研究中應(yīng)用的無人機(jī)為單攝像頭且不搭載RTK模塊，外業(yè)測(cè)繪總時(shí)間為130min。若采用更為先進(jìn)的五鏡頭傾斜攝影無人機(jī)并搭載RTK模塊，即可實(shí)現(xiàn)單架次飛行、免像控作業(yè)，將整體測(cè)繪時(shí)間縮短至20min以內(nèi)。