譚煜 徐亞強(qiáng) 杜文鑫 任春雷

四川省化工地質(zhì)勘查院，四川 彭州 611930

無(wú)人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)是利用自備的程序和無(wú)線電遙控設(shè)備控制裝置操縱的不載人飛機(jī)，由無(wú)人機(jī)機(jī)體、發(fā)射回收系統(tǒng)、機(jī)載信息傳輸系統(tǒng)、飛行平臺(tái)系統(tǒng)、地面信息傳輸系統(tǒng)、任務(wù)載荷系統(tǒng)組成[1]。多旋翼無(wú)人機(jī)具有機(jī)動(dòng)靈活、高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確、作業(yè)成本低、適用范圍廣、生產(chǎn)周期短等優(yōu)點(diǎn)，在露天礦山等面積較小、高差大區(qū)域具有明顯優(yōu)勢(shì)。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪遙感領(lǐng)域近年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從垂直、傾斜等不同的角度采集影像，獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息[2-3]。傾斜攝影較傳統(tǒng)普通下視攝影更適于獲取礦山開(kāi)采立面的信息，彌補(bǔ)了衛(wèi)星遙感影像只反映平面信息的不足，能更生動(dòng)直觀的展示礦山開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀[4]。露天礦山實(shí)地核實(shí)工作是避免礦山越界開(kāi)采造成國(guó)家礦產(chǎn)資源損失，消除安全隱患的重要手段，及時(shí)客觀地掌握礦山開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀，提升采礦權(quán)科學(xué)管理水平是礦政管理部門(mén)最主要任務(wù)之一[5]。隨著信息化、數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，露天礦山管理迫切需要精準(zhǔn)、真實(shí)的三維地理信息。傾斜攝影三維精細(xì)化建模技術(shù)可以有效快速獲取露天礦山高分辨率實(shí)景三維模型，全面了解礦山開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)全方位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，可以有效預(yù)防各種礦山事故的發(fā)生，及時(shí)發(fā)現(xiàn)越界開(kāi)采等違法行為，確保礦山管理工作的順利開(kāi)展[6]。

四川省綿竹市多數(shù)露天礦山所處地區(qū)高差大，多云霧、多雨水，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。傳統(tǒng)的露天礦山實(shí)地核實(shí)工作以RTK測(cè)量為主，效率低下、精度低、周期長(zhǎng)、安全性差，借助于先進(jìn)的無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)才能保障核實(shí)工作的時(shí)效性與安全性。本文應(yīng)用多旋翼無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對(duì)綿竹市露天礦山進(jìn)行了航空攝影測(cè)量，生產(chǎn)出實(shí)景三維模型、DOM 以及地形地質(zhì)圖等成果，分析其在礦山實(shí)地核實(shí)中的應(yīng)用效果。

1 項(xiàng)目概況

2020年，綿竹市自然資源和規(guī)劃局在礦山調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn)，多數(shù)礦山企業(yè)提供的地質(zhì)地形圖件與礦山開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀不符，所使用的地質(zhì)地形圖比例尺過(guò)小，或大比例尺地形圖揭示的地形地貌與礦山實(shí)際位置標(biāo)志物不一致，其儲(chǔ)量計(jì)算成果明顯存在不吻合。為進(jìn)一步核實(shí)礦業(yè)權(quán)開(kāi)采范圍的客觀地質(zhì)地形現(xiàn)狀，核準(zhǔn)采礦權(quán)人實(shí)際開(kāi)采位置，為儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與露天礦山綜合整治工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，不斷提升采礦權(quán)科學(xué)管理水平，該市自然資源和規(guī)劃局啟動(dòng)轄區(qū)內(nèi)露天礦山實(shí)地核實(shí)工作。

該工作要求對(duì)轄區(qū)內(nèi)所有露天開(kāi)采礦山全面開(kāi)展實(shí)地測(cè)量工作，提交礦區(qū)范圍地形圖、正射影像圖、實(shí)景三維模型等數(shù)據(jù)成果。完善露天開(kāi)采礦山范圍界樁，每一個(gè)拐點(diǎn)都應(yīng)埋樁，視線被遮擋的地方，可以增設(shè)界樁，保障相鄰界樁的可辨別性。界樁一旦埋設(shè)后不得隨意移動(dòng)。利用成果數(shù)據(jù)與采礦許可證上的開(kāi)采范圍進(jìn)行對(duì)比，核實(shí)礦業(yè)權(quán)人實(shí)際開(kāi)采范圍，對(duì)核查中發(fā)現(xiàn)的采礦權(quán)交叉、重疊、漂移等問(wèn)題及時(shí)處理或形成處理建議。屬礦業(yè)權(quán)人越界采礦的，必須依法處理并及時(shí)糾正；屬采礦許可證登記有誤的，應(yīng)按照相關(guān)文件要求據(jù)實(shí)糾正；對(duì)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換造成的誤差，據(jù)實(shí)修正；對(duì)實(shí)際位置與采礦許可證標(biāo)定位置變動(dòng)較大的，要分析原因，提出解決問(wèn)題的建議意見(jiàn)，屬市級(jí)發(fā)證的，經(jīng)由各縣（市、區(qū)）自然資源管理部門(mén)、各分局會(huì)議審定后報(bào)市局審定、據(jù)實(shí)糾正。經(jīng)審查認(rèn)可的成果作為今后企業(yè)辦理各項(xiàng)業(yè)務(wù)的依據(jù)。

2 傾斜攝影技術(shù)流程

2.1 設(shè)備

本次工作使用的無(wú)人機(jī)型號(hào)為深圳飛馬機(jī)器人科技有限公司生產(chǎn)的D200S多旋翼無(wú)人機(jī)，5鏡頭，4個(gè)傾斜相機(jī)，1個(gè)正射相機(jī)，1.2億有效像素。無(wú)人機(jī)負(fù)載續(xù)航時(shí)間約為 48min，帶有低電量報(bào)警、失聯(lián)自動(dòng)返航和精準(zhǔn)變高飛行功能，抗風(fēng)性能高達(dá)5級(jí)，測(cè)控半徑5km，支持RTK、PPK及其融合作業(yè)模式，提供厘米級(jí)定位精度。

2.2 技術(shù)路線

收集測(cè)區(qū)資料，采用飛馬無(wú)人機(jī)管家軟件“智航線”模塊進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，利用飛馬D200S多旋翼無(wú)人機(jī)掛載OP310五鏡頭獲取影像及POS數(shù)據(jù)，采用ContextCapture Center Master軟件輸出OSGB格式實(shí)景三維模型及DOM，在此基礎(chǔ)上利用EPS三維測(cè)圖軟件輸出DLG并輔助完成礦區(qū)埋樁定界工作。具體技術(shù)路線流程見(jiàn)圖1。

圖1 技術(shù)路線流程圖Fig.1 Technical route flow chart

2.3 方案實(shí)施

2.3.1 布設(shè)像控點(diǎn)

像控點(diǎn)布設(shè)方案可以采取兩種像控點(diǎn)布設(shè)方式：一種是航飛前先到實(shí)地布設(shè)像控標(biāo)志同時(shí)采集部分特征點(diǎn)，待航飛之后再根據(jù)影像中的特征點(diǎn)到實(shí)地采集其它像控點(diǎn)。該方法對(duì)于無(wú)明顯特征地物、人類(lèi)活動(dòng)較少以及森林比較茂密的測(cè)區(qū)有不錯(cuò)的效果，在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用較為廣泛。另一種是航飛之后先根據(jù)影像確定特征點(diǎn)，再到實(shí)地進(jìn)行像控點(diǎn)的采集。該方法對(duì)于特征明顯的地物，高差較平坦的區(qū)域比較有效，且在一定程度上可以節(jié)省時(shí)間成本和生產(chǎn)成本。研究區(qū)屬無(wú)人類(lèi)活動(dòng)山區(qū)，植被茂密，無(wú)明顯地物，因此采用事前布點(diǎn)方式,所有點(diǎn)均為平高控制點(diǎn)[7]。

2.3.2 圖根控制測(cè)量

研究區(qū)內(nèi)有“四川省衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)服務(wù)平臺(tái)（SCGNSS）”，采用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)做RTK圖根平面控制測(cè)量，在穩(wěn)定的巖石上埋設(shè)十字釘，十字釘上印“四川省化工地質(zhì)勘查院、測(cè)量標(biāo)志、法律保護(hù)”等字樣[8]。圖根點(diǎn)高程利用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)測(cè)得，所測(cè)高程經(jīng)四川省第一測(cè)繪工程院轉(zhuǎn)換得到1985國(guó)家高程。每次高程測(cè)量測(cè)回?cái)?shù)為2，各測(cè)回測(cè)量高程限差滿足要求，取中數(shù)作為最后高程成果。圖根控制點(diǎn)按礦山簡(jiǎn)稱(chēng)進(jìn)行編號(hào)。

2.3.3 像片控制測(cè)量

為滿足精度需求，需要布設(shè)像控點(diǎn)，同時(shí)布設(shè)部分檢查點(diǎn)檢查成果精度，像控點(diǎn)一般布設(shè)在旁向大于100m且航向基線不少于1條的區(qū)域[9]。由于測(cè)繪區(qū)域的地形地貌變化相對(duì)較大且植被茂盛，故本次采用的像控點(diǎn)密度為5點(diǎn)/km2，盡可能避開(kāi)植被發(fā)育的區(qū)域。由于像控點(diǎn)應(yīng)用于后期數(shù)據(jù)校正處理，其測(cè)量精度應(yīng)該盡可能高，一般需要多次平滑測(cè)量取均值，使測(cè)量精度優(yōu)于2cm。

使用RTK連接四川省網(wǎng)CORS，并采用平滑采點(diǎn)功能測(cè)量像控點(diǎn)點(diǎn)位坐標(biāo)值，為保證精度控制在2cm以內(nèi)，每組像控點(diǎn)采集3個(gè)測(cè)回，每個(gè)測(cè)回采集10個(gè)點(diǎn)，最后計(jì)算平均值。每組像控點(diǎn)進(jìn)行拍照記錄，要求照片能夠反映像控點(diǎn)的地形特征，并做好像控點(diǎn)整理工作。

將露天礦山采礦權(quán)證范圍線 KML文件導(dǎo)入飛馬無(wú)人機(jī)管家“智航線”模塊，根據(jù)礦區(qū)的地形起伏和精度要求，結(jié)合礦區(qū)踏勘的情況及技術(shù)參數(shù)，適當(dāng)擴(kuò)大航飛范圍，生成最佳航線，地形起伏較大的區(qū)域，則應(yīng)根據(jù)地形變高飛行，保證礦區(qū)內(nèi)地物的分辨率滿足要求，以此來(lái)保證實(shí)景三維模型和正射影像圖的效果及精度。航線設(shè)計(jì)如圖2。

圖2 航線設(shè)計(jì)圖Fig.2 Air route design map

2.3.4 外業(yè)航拍

外業(yè)航拍進(jìn)行時(shí)，為保障航拍的全覆蓋性，此次飛行平臺(tái)搭載五鏡頭傾斜攝影模塊，從不同角度來(lái)進(jìn)行影像采集與獲取。在相片拍攝的同時(shí)，專(zhuān)業(yè)人員需要記錄詳細(xì)的參數(shù)，比如要包含航高、航速、航向、旁向重疊等多種信息，隨后在航測(cè)和記錄的基礎(chǔ)上進(jìn)行全部?jī)A斜影像的處理[10]。

嚴(yán)格按規(guī)范規(guī)定的太陽(yáng)高度角要求選擇航飛時(shí)間，盡量選在光線充足的時(shí)間飛行。現(xiàn)場(chǎng)航飛作業(yè)時(shí)，飛機(jī)組裝完成后，要多人次進(jìn)行一系列嚴(yán)格的檢查，在確保安全的情況下才能升空作業(yè)。飛機(jī)升空作業(yè)后，飛手在地面站對(duì)飛機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，時(shí)刻關(guān)注電池電量、飛機(jī)的飛行姿態(tài)、航高、電臺(tái)信號(hào)及航速等指標(biāo)。

2.3.5 飛行質(zhì)量控制

外業(yè)航拍完成后在現(xiàn)場(chǎng)下載 POS數(shù)據(jù)并對(duì)航攝影像進(jìn)行初步整理與檢查，檢查影像的重疊度、傾角、旋角和彎曲度，檢查POS數(shù)據(jù)與像片數(shù)是否對(duì)應(yīng)，航拍區(qū)域是否有漏洞，影像是否清晰，當(dāng)獲取數(shù)據(jù)不滿足要求時(shí)，安排補(bǔ)飛工作。

2.3.6 差分解算及空三加密

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)，空三角加密是最為關(guān)鍵的處理環(huán)節(jié)，當(dāng)獲得了相應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)以后，專(zhuān)業(yè)人員可以采用光束法區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差的方式，來(lái)獲得最終的結(jié)果[11]。本次工作采用的主要軟件ContextCapture Center Master是基于圖形運(yùn)算單元的快速三維場(chǎng)景運(yùn)算軟件，僅需少量人工干預(yù)，依靠連續(xù)的二維影像就能還原出達(dá)到原始影像像素分辨率的實(shí)景三維模型。利用該軟件生產(chǎn)三維模型具有工作量小、效率高、成果效果好等優(yōu)點(diǎn)[12]。

采用飛馬無(wú)人機(jī)管家“智理圖”模塊，對(duì)獲取的差分POS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合差分GPS解算，得到五組相機(jī)的高精度 POS數(shù)據(jù)。利用ContextCapture Center Master軟件，設(shè)置好影像與POS數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系后，對(duì)每張影像進(jìn)行特征點(diǎn)檢測(cè)和匹配，對(duì)解算后的高精度POS進(jìn)行空三加密。加入控制點(diǎn)，手動(dòng)調(diào)整控制點(diǎn)位置，將控制點(diǎn)與空三網(wǎng)聯(lián)合平差，優(yōu)化至合格數(shù)值?？杖瓿珊?，ContextCapture Center Master軟件進(jìn)行自動(dòng)化建模作業(yè)。

3 傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用

3.1 實(shí)景三維模型生產(chǎn)

ContextCapture Center Master軟件經(jīng)過(guò)格網(wǎng)切塊、構(gòu)建 TIN網(wǎng)白模、自動(dòng)紋理映射等流程，生產(chǎn)出礦區(qū)高精度實(shí)景三維模型成果。常規(guī)的三維測(cè)圖方式是基于實(shí)景三維模型進(jìn)行的地物采集，若幾何精度有問(wèn)題則后續(xù)測(cè)圖成果很難滿足精度要求，因此三維成果的效果及精度檢查至關(guān)重要。三維模型成果生成后，要求紋理清晰才能保證后期進(jìn)入測(cè)圖軟件采集的點(diǎn)位準(zhǔn)確。然后采用布設(shè)的檢查點(diǎn)進(jìn)行三維模型精度檢查，精度滿足規(guī)范要求則進(jìn)行下一步作業(yè)（圖3）。

圖3 實(shí)景三維模型細(xì)節(jié)展示圖Fig.3 Detail display picture with real 3D mode

3.2 數(shù)字正射影像圖制作

數(shù)字正射影像圖采用 ContextCapture Center Master軟件生成。影像應(yīng)清晰，片與片之間影像盡量保持色調(diào)均勻，反差適中，當(dāng)色調(diào)不一致時(shí)應(yīng)作色調(diào)調(diào)整。最小密度大于0.4，最大密度1.4～1.8，圖面上不得有圖像處理所留下的缺陷。在屏幕上具有良好的視覺(jué)效果，展示如圖4。

圖4 正射影像圖Fig.4 Orthophoto map

3.3 地形圖制作

采用清華山維 EPS5.0全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行地形圖制作，將礦區(qū)高精度實(shí)景三維模型導(dǎo)入軟件，制作工程文件，由作業(yè)員通過(guò)三維模型及多視角傾斜影像進(jìn)行水系、交通、房屋及高程等地理信息的采集繪制，并按照國(guó)標(biāo)要求賦予要素屬性信息。完成數(shù)字線劃圖DLG的生產(chǎn)后，采用RTK實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)的方式對(duì)成果精度進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 成果檢驗(yàn)表Table 1 Achievement inspection form

3.4 埋樁定界

傳統(tǒng)埋樁定界方式主要為參考奧維地圖，利用RTK點(diǎn)放樣，在不熟悉礦山地形的情況下，極易發(fā)生陡崖、河溝阻擋行進(jìn)路線而繞路的情況，大大延長(zhǎng)了野外放點(diǎn)的時(shí)間。而實(shí)景三維模型的直觀性、現(xiàn)實(shí)性、高精度性極大地降低了野外放點(diǎn)的難度。

采用 EPS三維測(cè)圖軟件打開(kāi)實(shí)景三維模型，導(dǎo)入采礦權(quán)拐點(diǎn)坐標(biāo)，識(shí)別界樁埋設(shè)位置，對(duì)所處位置特殊(如位于水體、陡崖、公路、房屋等)無(wú)法設(shè)置或不能設(shè)置的，可以不設(shè)置或采取移位設(shè)置的方法。利用實(shí)景三維模型確定界樁實(shí)際埋設(shè)位置后，采用EPS軟件設(shè)計(jì)野外行進(jìn)路線（圖5），按照設(shè)計(jì)路線到達(dá)實(shí)際位置后，將界樁埋設(shè)到施放位置。

圖5 行進(jìn)路線圖Fig.5 Routine map for travel

3.5 實(shí)際開(kāi)采范圍核查

采用采礦權(quán)人法定證書(shū)確定的礦區(qū)界址點(diǎn)（拐點(diǎn)）作為越界監(jiān)管分析基準(zhǔn)，利用傾斜攝影測(cè)量成果礦山開(kāi)采現(xiàn)狀實(shí)景三維模型與礦區(qū)界址點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行套合（圖6），分析礦山開(kāi)采范圍是否越界、移位。相比于傳統(tǒng)二維平面圖的疊加分析，實(shí)景三維模型不僅作業(yè)時(shí)間短，效果也更加簡(jiǎn)單、直觀和明了，為主管部門(mén)的決策提供了豐富高效的數(shù)據(jù)。

圖6 礦山開(kāi)采分析圖Fig.6 Mining analysis map

3.6 其他應(yīng)用

多旋翼無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在礦山工作中的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于此。將輸出的實(shí)景三維模型作為基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，可應(yīng)用到礦山勘查的全過(guò)程，包括野外地質(zhì)調(diào)查的行進(jìn)路線設(shè)計(jì)、地質(zhì)鉆孔的三維施放、礦區(qū)道路的三維設(shè)計(jì)、野外駐地的選址等，不僅降低了野外工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，保障了野外工作人員的安全，還大大降低了成本。多旋翼無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在礦山工作中的應(yīng)用必將更廣泛。

4 結(jié)論

綿竹市自然資源和規(guī)劃局將多旋翼無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)首次引入到露天礦山實(shí)地核實(shí)工作領(lǐng)域，改變了全市傳統(tǒng)的露天礦山監(jiān)管模式，由原來(lái)的二維管理模式轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)景三維管理模式，由原來(lái)的單一地形圖成果模式轉(zhuǎn)變?yōu)榈匦螆D、影像、三維模型的綜合成果模式，為后續(xù)數(shù)據(jù)更新和露天礦山科學(xué)管理指明了道路。通過(guò)實(shí)景三維模型，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)越界開(kāi)采等違法活動(dòng)，可以對(duì)界樁埋設(shè)位置進(jìn)行預(yù)判，如是否需要移位設(shè)置，是否無(wú)法設(shè)置等。本文涉及的12個(gè)露天礦山，雖然每一個(gè)礦山的實(shí)際情況差異較大，但是多旋翼無(wú)人機(jī)靈活、高效的特點(diǎn)都能很好地獲取到滿足精度要求的實(shí)景三維模型、DOM、DLG等各類(lèi)豐富的地理信息數(shù)據(jù)，可真實(shí)、客觀、精細(xì)反映礦山開(kāi)采利用現(xiàn)狀，滿足礦山埋樁定界、監(jiān)測(cè)越界開(kāi)采、儲(chǔ)量變化等礦政管理和技術(shù)管理的需求，便于管理者正確決策。