吳卓蕾，欒進華，程 軍，謝洪斌，楊 雪，戚偉迅，劉成均

(外生成礦與礦山環(huán)境重慶市重點實驗室(重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院)，重慶 401120)

礦產(chǎn)資源是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎(chǔ)，為有效促進礦產(chǎn)資源科學(xué)、綠色、可持續(xù)開發(fā)利用，把“綠水青山就是金山銀山”理念更好地融入礦產(chǎn)資源開發(fā)利用管理全過程，遙感監(jiān)測以其特有優(yōu)勢成為礦山監(jiān)管必不可少的技術(shù)手段。傾斜攝影技術(shù)是國際遙感領(lǐng)域近年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，融合了傳統(tǒng)的航空攝影、近景攝影測量、計算機視覺技術(shù)，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器(本文采用常見的五鏡頭相機)，同時從垂直、斜前、斜后、斜左、斜右等五個不同角度采集影像[1-2]，快速獲取礦山地表詳細信息，為礦山監(jiān)測提供精細實景三維模型、DOM、DSM等豐富的測繪地理信息數(shù)據(jù)，準確反映礦山開發(fā)利用現(xiàn)狀，可為礦山監(jiān)管提供真實詳盡的數(shù)據(jù)支撐。

本文通過實驗分析了五鏡頭無人機傾斜攝影系統(tǒng)獲取的原始影像數(shù)據(jù)中，垂直影像(即下視相機獲取的影像)和五鏡頭影像(即一個下視相機和四個傾斜相機獲取的影像)分別生成的三維模型、DOM、DSM等成果在幾何精度、表征質(zhì)量、生產(chǎn)效率等方面的差別，研究提出了兩種影像在礦山遙感監(jiān)測中面向不同需求的應(yīng)用。

1 傾斜攝影關(guān)鍵技術(shù)

1.1 垂直攝影與傾斜攝影

五鏡頭相機從五個不同角度同時對地表進行影像獲取。垂直地面角度拍攝方式稱為垂直攝影，鏡頭朝向與地面成一定夾角(一般為15°～45°)拍攝稱為傾斜攝影，兩種拍攝方式如圖1所示。垂直影像是傳統(tǒng)的正射投影，可以很好地觀測到礦山開采臺階平面和建筑物屋頂特征，但缺少大高差地形側(cè)面信息，整幅影像具有固定的比例尺；而傾斜影像可以觀測到礦山開采臺階或高陡邊坡的側(cè)面紋理細節(jié)特征，影像中不同地方的比例尺也不一樣，垂直攝影與傾斜攝影的區(qū)別見表1。

圖1 垂直攝影和傾斜攝影方式Fig.1 Vertical photogrammetry and oblique photogrammetry ways

表1 垂直攝影與傾斜攝影的區(qū)別Table 1 Difference of vertical photogrammetry andoblique photogrammetry

1.2 技術(shù)流程

前期做好資料收集、實地踏勘、設(shè)備檢查、航線規(guī)劃等準備工作，在像控點布設(shè)及測量后，操作無人機按設(shè)定航線進行傾斜攝影，外業(yè)數(shù)據(jù)經(jīng)檢查合格后，進入內(nèi)業(yè)處理階段。空三加密利用POS輔助平差，像點的坐標、GPS攝站的坐標及IMU姿態(tài)角為測量值，地物點地面坐標、影像外方位元素和各種系統(tǒng)誤差的修正參數(shù)為待定參數(shù)，根據(jù)像點的坐標、POS系統(tǒng)提供的攝影中心線元素、角元素的精確度，設(shè)定三類測量值不同的權(quán)重，使用最小二乘平差的方法得到地物點的三維地面坐標和影像外方位元素的最或然值[3]?？杖用軡M足精度要求后，進行密集點云匹配，基于點云構(gòu)TIN，三維模型自動構(gòu)建及紋理映射，生成實景三維模型[4-6]，并生成DOM和DSM，最后進行成果質(zhì)量檢查，技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 無人機傾斜攝影技術(shù)流程Fig.2 Technical flow of UAV oblique photogrammetry

在攝影測量數(shù)據(jù)處理中，自動可靠地獲取精確且均勻分布的連接點，并進行區(qū)域網(wǎng)平差解算是高精度測繪的關(guān)鍵。一般常使用尺度不變特征變換SIFT算法獲取特征點，進行影像間的兩兩匹配[7]，再利用RANSAC算法剔除錯誤的匹配點[8]。但在傾斜攝影數(shù)據(jù)處理中，由于采用傾斜攝影的方式獲取影像，影像遮擋非常多、尺度變化大且?guī)缀巫冃螄乐?，在影像匹配需充分考慮影像間的幾何變形，采用完全仿射不變圖像特征匹配ASIFT算法和基于窗口的多角度多視影像匹配模型[9]，使用由粗到細的多分辨率分層匹配策略完成連接點的自動提取，再進行區(qū)域網(wǎng)平差。

2 試驗與分析

以某露天石灰?guī)r礦山為例，測區(qū)地形類別為山地，面積約為0.8 km2，采用六旋翼大疆無人機，搭載睿鉑五鏡頭傾斜相機進行低空攝影，共獲取影像6 525張，地面分辨率為4.1 cm，航向重疊為80%，旁向重疊為70%，相對飛行高度為300 m，按照低空攝影相關(guān)規(guī)范要求，結(jié)合測區(qū)實際情況合理布設(shè)地面控制點[10]，利用GPS RTK接收機連接城市CORS服務(wù)系統(tǒng)，實地測量像控點坐標，坐標成果采用2000國家大地坐標系，高斯-克呂格3度分帶投影和1985國家高程基準。由Context Capture軟件分別對垂直影像和五鏡頭影像進行空中三角測量、三維模型的構(gòu)建及DOM、DSM生成。此外，航飛前采用與控制點同樣的測量方法，實測26個檢核點用于對內(nèi)業(yè)成果進行精度評定。

2.1 幾何精度

為驗證并比較兩種生產(chǎn)模式下成果的幾何精度，在無人機航空攝影之前，在航攝范圍內(nèi)人工合理布設(shè)了26個檢核點(圖3)，采用GPS RTK進行坐標采集，然后與成果對應(yīng)點的量測坐標進行對比，計算X方向、Y方向、H方向的較差，并根據(jù)中誤差以及點位中誤差求得檢核點的平面中誤差和高程中誤差。同名點的平面坐標在DOM成果上直接量測，高程值通過平面坐標在DSM成果上量測[11]，檢核數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計見表2。

圖3 檢核點布設(shè)圖Fig.3 Distribution of check points

表2 檢核數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計表Table 2 Precision statistics of check datas 單位：m

根據(jù)中誤差以及點位中誤差的計算可得式(1)～式(4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

由式(1)～式(4)可知，垂直影像生產(chǎn)成果的平面中誤差為0.079 m，高程中誤差為0.069 m；五鏡頭影像生產(chǎn)成果的平面中誤差為0.068 m，高程中誤差為0.059 m，說明兩種模式生產(chǎn)的成果精度均較高，五鏡頭影像可通過垂直、斜前、斜后、斜左、斜右等五個不同角度的影像組形成互補，實現(xiàn)平面和高程精度的最優(yōu)化，重疊度更大，重疊區(qū)域更多，空中三角測量時匹配的連接點更多，構(gòu)成的三角網(wǎng)更穩(wěn)固，成果的幾何精度略高，兩種方式均能滿足1∶1 000比例尺礦山遙感監(jiān)測精度要求(1∶1 000比例尺對山地地形的精度要求為平面中誤差限差0.8 m，高程中誤差限差0.7 m)。

2.2 表征質(zhì)量

1) 細節(jié)紋理比較。垂直影像由于受到投影差的影響，地物被遮擋的地方幾乎無法獲取其他信息，以礦山采場為例，基于垂直影像生產(chǎn)的DOM只能獲取采場頂面及少量的側(cè)面紋理信息，而五鏡頭影像從多角度對同一地物進行攝影，五個鏡頭形成互補，生產(chǎn)的DOM成果能顯示更多的細節(jié)信息，且紋理更細膩、更清晰，更能精細展示地物細部特征，如圖4所示。在礦山地形陡峭之處，垂直影像因未捕捉到側(cè)面細節(jié)紋理，生產(chǎn)的三維模型出現(xiàn)拉花現(xiàn)象，而五鏡頭影像生產(chǎn)的三維模型能真實展示礦山大高差地物側(cè)面細部的實際開采現(xiàn)狀，如圖5所示。

圖4 DOM細節(jié)對比Fig.4 Comparison of DOM detail

圖5 三維模型細節(jié)對比Fig.5 Comparison of 3D model detail

2) 完整性比較。實驗選定的礦山存在大高差地形，同一架次內(nèi)，相比低矮處，原始影像在山頂?shù)闹丿B度銳減，導(dǎo)致采用垂直影像生產(chǎn)的DOM存在航攝漏洞，見圖6(a)，而采用五鏡頭影像重新生產(chǎn)后，能生產(chǎn)出較完整的DOM，見圖6(b)。

圖6 完整性對比Fig.6 Integrality comparison

原始影像重疊度和無人機相對航高(攝影中心相對實時拍攝區(qū)域高程基準面的垂直距離)的關(guān)系可根據(jù)航空攝影測量原理推導(dǎo)出，見式(5)。

(5)

式中：a為任意航高下的影像航向/旁向重疊度；L為無人機航向/旁向相鄰兩幅影像攝站曝光點距離；f為相機焦距；H為任意點的相對航高；m為沿航向/旁向像幅的有效像素數(shù)；u為相機單個成像單元的物理尺寸。以航向方向為例，當(dāng)L為25 m，m為4 000個，u為3.92 μm，f為27 mm，H分別為200 m、100 m、50 m時，重疊度分別為78%、57%、14%，見表3。同一架次內(nèi)，L不變，相機參數(shù)f、m、u不變。由此可見，隨著地形高程增大，在山頂處相對航高減小，重疊度也會大幅減小，導(dǎo)致只采用垂直影像生產(chǎn)的成果可能出現(xiàn)航攝漏洞，而采用五鏡頭影像，從多視角拍攝山頂區(qū)域，增大了原始影像重疊度?？梢?，五鏡頭影像獲取了更多的側(cè)面紋理，將礦山開采現(xiàn)狀細部特征展現(xiàn)得更加清晰，同時因影像重疊度的增加，在一定程度上可有效彌補同一架次內(nèi)，因大高差地形導(dǎo)致的航攝漏洞。

表3 不同相對航高對重疊度的影響Table 3 Effect of different relative altitudeon images overlap

2.3 生產(chǎn)效率

數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程中，采用同一軟件完成相同的處理任務(wù)時，原始影像的幅面大小與數(shù)量直接影響數(shù)據(jù)處理的生產(chǎn)效率。實驗采用的五鏡頭相機的垂直影像與傾斜影像幅面大小相同，像素數(shù)均為6 000×4 000，單個成像單元物理尺寸均為3.92 μm，而兩種處理方式下影像數(shù)量不同，采用垂直影像進行內(nèi)業(yè)生產(chǎn)三維模型、DOM、DSM所需時間為0.82 d，采用五鏡頭影像生產(chǎn)時間為4.2 d，生產(chǎn)效率比約為5∶1。五鏡頭影像的影像數(shù)量是垂直影像的5倍，導(dǎo)致處理效率大幅降低，這在一定程度上降低了發(fā)現(xiàn)礦山違法開采行為的時效性。

3 應(yīng)用方案

礦山遙感監(jiān)測主要任務(wù)在于為國家制定礦產(chǎn)資源規(guī)劃，保持礦產(chǎn)資源的可持續(xù)開發(fā)利用，維護礦業(yè)秩序，治理礦產(chǎn)地質(zhì)災(zāi)害及綜合治理礦區(qū)環(huán)境等提供技術(shù)支撐及決策依據(jù)。監(jiān)測需求不同，可優(yōu)先選用不同視角的影像。

當(dāng)用于實時監(jiān)測礦產(chǎn)資源開發(fā)利用狀況，及時發(fā)現(xiàn)違法開采線索，維護礦業(yè)開采秩序時，對無人機航飛攝影成果的時效性要求較高，應(yīng)首選采用垂直影像生產(chǎn)模式，及時發(fā)現(xiàn)違法開采行為，保障國家礦產(chǎn)資源所有權(quán)益，防止超越批準礦區(qū)范圍采礦等引發(fā)安全事故。當(dāng)垂直影像生產(chǎn)模式出現(xiàn)航攝漏洞或拉花等現(xiàn)象影響研判時，可采用五鏡頭影像重新生產(chǎn)，較嚴重時考慮補飛或重測。

當(dāng)用于監(jiān)測礦山地質(zhì)環(huán)境問題和礦產(chǎn)資源規(guī)劃，獲取客觀基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，形成綜合分析與評價報告時，可優(yōu)先采用五鏡頭影像生產(chǎn)實景三維模型、DOM和DSM等豐富的測繪地理信息數(shù)據(jù)，為國家制定礦產(chǎn)資源規(guī)劃，治理礦產(chǎn)地質(zhì)災(zāi)害及綜合治理礦區(qū)環(huán)境等提供技術(shù)支持及決策依據(jù)。

4 結(jié) 語

傾斜攝影測量系統(tǒng)可從多視角同時獲取地面影像信息，面向不同的礦山遙感監(jiān)測需求，從高效實用的角度，可優(yōu)先采用不同視角影像進行生產(chǎn)，通過實驗分析，本文總結(jié)出了不同應(yīng)用方案，對后續(xù)無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用有良好的借鑒、指導(dǎo)價值。