王 遠(yuǎn)

（遼寧排山樓黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司，遼寧 阜新 123000）

在礦山開(kāi)采設(shè)計(jì)與礦山施工監(jiān)理工作中，眾多影響因素使傳統(tǒng)的測(cè)量方法不能收集完整的信息數(shù)據(jù)。尤其在礦山建設(shè)初期進(jìn)行測(cè)量工作時(shí)，道路設(shè)施不完善，測(cè)繪工作難開(kāi)展，人員無(wú)法到達(dá)一些山溝和樹(shù)木茂密地方，所以測(cè)量數(shù)據(jù)誤差大，測(cè)繪工作效率較低，大比例尺地形圖測(cè)量難度非常大。如果使用無(wú)人機(jī)攝影技術(shù)，能夠發(fā)揮傾斜攝影的全面性，消除常規(guī)攝影的局限性。通過(guò)搭載不同的荷載組件，能夠?qū)崿F(xiàn)礦山全景信息建立，充分展現(xiàn)礦山全貌。

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)特點(diǎn)

1.1 測(cè)繪無(wú)人機(jī)種類及特點(diǎn)

常見(jiàn)的用于遙感測(cè)繪的無(wú)人機(jī)分為2種：多旋翼無(wú)人機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)。

1.1.1多旋翼無(wú)人機(jī)

優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，輕便，造價(jià)相對(duì)低廉，可以定點(diǎn)懸停，適合拍攝細(xì)節(jié)照片。缺點(diǎn)：續(xù)航時(shí)間短，消費(fèi)型無(wú)人機(jī)搭載鏡頭后飛行時(shí)間在30min以下，工業(yè)級(jí)多旋翼無(wú)人機(jī)飛行時(shí)間能達(dá)到50min以上，在大面積，長(zhǎng)距離的測(cè)繪項(xiàng)目中備受局限。多旋翼無(wú)人機(jī)適合航拍，環(huán)境監(jiān)測(cè)，偵查，建筑建模，災(zāi)害治理，特殊物體運(yùn)輸?shù)刃^(qū)域應(yīng)用，所以在小面積工廣區(qū)測(cè)量的信息采集上，宜選用多旋翼無(wú)人機(jī)。

1.1.2固定翼無(wú)人機(jī)

優(yōu)點(diǎn)：續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，抗風(fēng)能力強(qiáng)，拍攝范圍廣。缺點(diǎn)：無(wú)法完成細(xì)節(jié)精細(xì)測(cè)量，工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)費(fèi)用高昂。固定翼無(wú)人機(jī)適合大面積航測(cè)，可用于區(qū)域監(jiān)控，管道巡線，應(yīng)急通訊，礦山輸電線路測(cè)量等應(yīng)用場(chǎng)景。

1.2 無(wú)人機(jī)測(cè)量搭載的設(shè)備

1.2.1高像素?cái)z像鏡頭

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)需要搭載攝像鏡頭，通常像素要求高于1200萬(wàn)像素，目前鏡頭技術(shù)從單鏡頭發(fā)展出五鏡頭，三旋轉(zhuǎn)鏡頭等方式，五鏡頭包含1個(gè)垂直攝影鏡頭，4個(gè)傾斜攝影鏡頭，可實(shí)現(xiàn)飛1條線拍出5個(gè)方向的照片。

1.2.2激光雷達(dá)掃描儀

機(jī)載激光雷達(dá)（LIDAR）是對(duì)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的有力補(bǔ)充，由于傾斜攝影測(cè)量形成的模型是通過(guò)空三加密計(jì)算而成的，并非直接測(cè)量所得，在面對(duì)高壓線塔、電線桿等細(xì)高地物時(shí)，往往無(wú)法形成準(zhǔn)確模型，而激光雷達(dá)獲取的是物體表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具有可穿透樹(shù)葉等特點(diǎn)，所以在某些必要場(chǎng)景，可通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載激光雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

1.3 傾斜攝影技術(shù)測(cè)量原理

傳統(tǒng)空三測(cè)量對(duì)傾斜影像數(shù)據(jù)處理效果不理想，所以需要結(jié)合飛機(jī)傳感器提供的POS外方位元素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合平差，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)的控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合平差，通過(guò)誤差方程解算出影像的外方位元素，以前方交會(huì)的形式求出點(diǎn)位的三維坐標(biāo)。傾斜攝影測(cè)量還用到了多影像密集匹配技術(shù)，利用求得的外方位元素構(gòu)建立體像對(duì)，采用多影像匹配技術(shù)獲取密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，由于多角度攝像形成了大量冗余點(diǎn)云數(shù)據(jù)，所以可以通過(guò)這些冗余數(shù)據(jù)校正錯(cuò)誤的匹配信息，提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度。經(jīng)過(guò)多影像密集匹配后得到了能夠表達(dá)地物表面起伏的高分辨率數(shù)字模型（DSM），通過(guò)軟件分析，將合適的影像像素與DSM融合，形成統(tǒng)一的數(shù)字表面模型。再經(jīng)過(guò)正射影像糾正步驟，建立全局優(yōu)化采樣策略，聯(lián)合幾何延伸特征進(jìn)行糾正，最后才能得到我們所需要的數(shù)字模型。

2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在礦山測(cè)繪中的應(yīng)用實(shí)踐

2.1 項(xiàng)目概況與設(shè)備參數(shù)

此次研究以某礦山作為測(cè)繪對(duì)象，礦山的地理?xiàng)l件復(fù)雜，且區(qū)域危險(xiǎn)性比較高，地質(zhì)環(huán)境的差異比較大。測(cè)繪面積為19×104m2，劃分為10個(gè)測(cè)繪區(qū)。四旋翼飛行平臺(tái)能夠確保飛行穩(wěn)定性和性能。荷載重量為1702021年第5期西部探礦工程3kg，續(xù)航時(shí)間為1.3h，飛行高度為400m，地面站控制半徑超過(guò)8km。專業(yè)傾斜攝影相機(jī)，該無(wú)人機(jī)所應(yīng)用的攝像機(jī)分辨率高，且覆蓋范圍廣。攝影相機(jī)總像素大于1億，重量1.68kg，分辨率為0.01～0.1m，記憶卡存儲(chǔ)在應(yīng)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)時(shí)，必須滿足環(huán)境氣候條件，選擇在晴朗無(wú)風(fēng)天氣下飛行。

2.2 影像獲取與預(yù)處理

在開(kāi)始航攝之前，必須設(shè)定基本航向。明確測(cè)繪無(wú)人機(jī)現(xiàn)狀的同時(shí)，全面分析無(wú)人機(jī)性能、參數(shù)與飛行時(shí)間等，以此開(kāi)展外業(yè)傾斜攝影。在航空攝影期間，能夠獲得不同傾斜角度影像資料，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)影像自動(dòng)化拍攝，獲得傾斜影像資料。完成區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)采集后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。選擇適宜的拍攝影像，將影像反射到虛擬影像中，以此減少地面豎直物體的重影問(wèn)題。

2.3 像片控制測(cè)量

像片控制測(cè)量有助于提升測(cè)繪結(jié)果的精度，在布設(shè)控制點(diǎn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)參考標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)置。此次測(cè)繪選擇航向重疊度為65%，旁向重疊度為60%。在布設(shè)像控點(diǎn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)關(guān)注到以下問(wèn)題：第一，根據(jù)測(cè)繪區(qū)域的地形地貌，劃分不同的測(cè)繪區(qū)域。測(cè)繪區(qū)域外的像控點(diǎn)，多設(shè)置在輪廓線以外，位于航向基線數(shù)量在1條以上，旁向超過(guò)100m位置；第二，在選擇像控點(diǎn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)聯(lián)合測(cè)繪區(qū)域的地形地貌，選擇易識(shí)別、無(wú)爭(zhēng)議的區(qū)域，例如明顯的地物標(biāo)志；第三，在山頭選擇像控點(diǎn)時(shí)，可以在地形起伏小的區(qū)域，以此確保測(cè)量結(jié)果的精度。在布設(shè)像片控制點(diǎn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇高程變化小的區(qū)域，以此提升傾斜攝影測(cè)量精度；第四，針對(duì)制備發(fā)育區(qū)域，存在高大構(gòu)筑物的區(qū)域，則會(huì)加大像控點(diǎn)布設(shè)難度。在開(kāi)展業(yè)內(nèi)測(cè)量時(shí)，會(huì)出現(xiàn)測(cè)量遮擋視線問(wèn)題，從而降低測(cè)量精度；第五，當(dāng)測(cè)繪區(qū)域內(nèi)存在大面積水域時(shí)，會(huì)加大像控點(diǎn)布設(shè)難度；第六，在布設(shè)像控點(diǎn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)全面分析測(cè)繪區(qū)域的交通條件，選擇交通條件良好，便于存儲(chǔ)的區(qū)域。

2.4 空中三角加密處理

在礦山測(cè)繪工作中，極易受到外部環(huán)境干擾，例如建筑物和植被等，致使無(wú)人機(jī)傾斜攝影期間，地面控制點(diǎn)測(cè)量無(wú)法滿足實(shí)際需求，小區(qū)域測(cè)繪存在盲區(qū)等問(wèn)題，從而導(dǎo)致測(cè)繪結(jié)果不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。為了處理以上問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)做好空中三角加密處理與校正，以此彌補(bǔ)測(cè)繪精度不足問(wèn)題。對(duì)于空中三角加密處理來(lái)說(shuō)，主要是建立影像外方位元素，以此確保預(yù)算準(zhǔn)確性，聯(lián)合相關(guān)軟件消除干擾因素，全面提升測(cè)量精度，以此改善地形條件比較差的區(qū)域。

2.5 三維建模與數(shù)據(jù)采集

在建立三維數(shù)據(jù)模型時(shí)，需要通過(guò)多角度傾斜影像的校正操作、聯(lián)合平差操作、多視匹配操作等，以此獲得三維傾斜模型。數(shù)據(jù)采集所涉及的內(nèi)容如下：第一，采集地物要素。該采集工作由手動(dòng)完成，例如拍攝影像像控點(diǎn)、建筑物等有效控制測(cè)量精度；第二，自動(dòng)化提取地貌要素三維信息，涉及到高程標(biāo)注點(diǎn)、等高線采集等，再由人工通過(guò)現(xiàn)代化處理軟件平臺(tái)整合處理；第三，在處理地物遮擋問(wèn)題時(shí)，對(duì)像片內(nèi)的遮擋區(qū)域，進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)量，確保整體測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠全面提升測(cè)量精度與準(zhǔn)確度。

2.6 外業(yè)調(diào)繪及補(bǔ)測(cè)

通過(guò)上文分析可知，在航空拍攝操作中，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)會(huì)出現(xiàn)拍攝盲區(qū)。在建筑物遮擋與植被茂盛區(qū)域無(wú)法獲得影像。所以在內(nèi)業(yè)處理期間，必須準(zhǔn)確標(biāo)注上述區(qū)域，開(kāi)展外業(yè)調(diào)繪和補(bǔ)測(cè)。

2.7 測(cè)繪數(shù)據(jù)處理

完成礦山測(cè)繪外業(yè)后，通過(guò)多視圖多維重建技術(shù)處理任意像片。將數(shù)碼影像導(dǎo)入到軟件內(nèi)，自動(dòng)化生成高質(zhì)量正射影像，建立高分辨率三維模型，可以獲得毫米級(jí)精度的模型。像片導(dǎo)入后，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)縮短數(shù)據(jù)處理時(shí)間，在多臺(tái)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)引擎運(yùn)行，之后在作業(yè)隊(duì)列中關(guān)聯(lián)，以此獲得實(shí)景模型。在此次測(cè)繪工作中，共獲取12121張像片，將POS數(shù)據(jù)和像片導(dǎo)入到軟件內(nèi)，按照照片自帶參數(shù)信息與位置信息排列。軟件自動(dòng)開(kāi)展空間三角加密處理，添加多個(gè)地面像控點(diǎn)坐標(biāo)，以此確保工程地理坐標(biāo)和模型坐標(biāo)相同。通過(guò)準(zhǔn)確計(jì)算后，可以自動(dòng)化獲取航片特征點(diǎn)，匹配同名點(diǎn)，以此計(jì)算像片的空間位置與姿態(tài)角，確定像片關(guān)系。此次測(cè)繪采集數(shù)據(jù)源于多個(gè)架次，因此會(huì)出現(xiàn)空間三角加密點(diǎn)片層變形和偏移問(wèn)題，因此必須詳細(xì)記錄姿態(tài)信息與航片信息。通過(guò)新建任務(wù)塊加載航片，融合姿態(tài)信息和位置信息，反算獲得地形加密點(diǎn)數(shù)據(jù)。在獲得無(wú)紋理信息、不規(guī)則三角網(wǎng)之后，可以從航片中選擇高像素紋理著色，以此確保三維模型的真實(shí)度。應(yīng)用傳統(tǒng)方式檢驗(yàn)精度時(shí)，將像控點(diǎn)坐標(biāo)作為真實(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)模型可以獲取監(jiān)測(cè)值，計(jì)算二者差值，可以獲得數(shù)據(jù)高程誤差，約為0.01m，平面坐標(biāo)誤差為0.08m，所以可以滿足測(cè)量要求。在應(yīng)用傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)時(shí)，需要投入大量人力與物力。比如專人操控測(cè)量設(shè)備，專人旁站監(jiān)指揮測(cè)量，專人分析和處理數(shù)據(jù)。在應(yīng)用無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)時(shí)，只需要專人操控?zé)o人機(jī)即可，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)化分析數(shù)據(jù)。采用傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)施時(shí)，無(wú)法深入到狹窄區(qū)域或者復(fù)雜區(qū)域監(jiān)測(cè)，對(duì)于清晰度不足的影像，還需要多次進(jìn)行測(cè)量，且成圖時(shí)間比較長(zhǎng)。

圖1 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)繪實(shí)例

3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)未來(lái)展望

此次研究將無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到礦山測(cè)繪中，根據(jù)應(yīng)用實(shí)踐可知，該項(xiàng)技術(shù)可以快速獲取測(cè)繪區(qū)域內(nèi)的影像數(shù)據(jù)資料，同時(shí)包含調(diào)查區(qū)域內(nèi)的地物信息，以此建立三維模型，可以提出清晰的礦山開(kāi)發(fā)利用策劃圖，為礦山建設(shè)與開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供詳實(shí)可靠的數(shù)據(jù)資料。數(shù)字化方向?qū)儆跍y(cè)繪技術(shù)的發(fā)展新方向，在測(cè)繪工程中，可以應(yīng)用智能化系統(tǒng)，操作人員聯(lián)合工程實(shí)況繪制圖紙，以此提升測(cè)繪工程的效率，還能夠緩解操作人員的工作壓力，對(duì)工作程序開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可以擴(kuò)大數(shù)據(jù)采集范圍，且測(cè)量結(jié)果的精度與準(zhǔn)確度非常高，可以有效應(yīng)用于礦山規(guī)劃與勘測(cè)工作中。應(yīng)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量開(kāi)展礦山測(cè)繪工作時(shí)，應(yīng)當(dāng)聯(lián)合礦區(qū)實(shí)際情況，制定無(wú)人機(jī)航行路線，科學(xué)布設(shè)像控點(diǎn)，全面采集數(shù)據(jù)和信息，以此確保數(shù)據(jù)處理效果。