吳啟琛

（1.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250000；2.山東省地礦局索道智能變形監(jiān)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250000）

當(dāng)前，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到成熟應(yīng)用階段，利用傾斜攝影技術(shù)完成測量工作，能夠靈活﹑方便地獲得全方位的清晰影像，借助不同的傳感器來采集不同傾斜角度的影像信息，并利用一系列圖像處理算法實(shí)現(xiàn)三維實(shí)景模型的自動生成，全方面還原所測點(diǎn)的真實(shí)原貌。同時，在實(shí)景模型基礎(chǔ)上來對地理要素進(jìn)行采集，從多角度觀察地物信息，使得地物信息更加細(xì)致真實(shí)，有效節(jié)省了外業(yè)實(shí)測的時間。

由此可見，傾斜攝影測量技術(shù)已經(jīng)逐漸成為航測技術(shù)應(yīng)用和研究的熱點(diǎn)，其對礦山生態(tài)修復(fù)的驗(yàn)收﹑評價規(guī)劃等方面有著不可或缺的重要意義。

1 傾斜攝影測量技術(shù)原理分析

1.1 傾斜攝影測量技術(shù)原理

傾斜攝影測量基于航測線路的前﹑后﹑左﹑右﹑以及正方五個方向進(jìn)行傾斜拍攝，對物體表面的實(shí)際影像數(shù)據(jù)進(jìn)行精密提取。同時利用航攝和航高的重疊率來顯示清晰的測點(diǎn)物體信息，促進(jìn)三維建模的進(jìn)一步形成?；诋?dāng)前無人機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展的背景下，傾斜攝影測量技術(shù)能夠完成定距定時拍攝﹑自動返航和飛行﹑自定義航線規(guī)劃等操作，且影像精度和效率都相對較高。傾斜攝影測量的流程如下：①首先明確所測點(diǎn)的具體位置，然后收集該區(qū)域的各種數(shù)據(jù)和資料，充分掌握現(xiàn)場實(shí)際情況。②制定相應(yīng)的技術(shù)實(shí)操標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)所測地區(qū)的各項數(shù)據(jù)指標(biāo)，對飛行高度﹑航線以及重疊率進(jìn)行合理規(guī)劃。③采集外業(yè)數(shù)據(jù)要在合適的天氣環(huán)境下進(jìn)行，特別是布設(shè)和測量控點(diǎn)的環(huán)境選取要嚴(yán)格按照相關(guān)要求來進(jìn)行，以此才能實(shí)現(xiàn)多角度的傾斜影像采集。④處理內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)，包括影像數(shù)據(jù)的合理導(dǎo)出，影像清晰度等，采取刺點(diǎn)和加密，建立三維實(shí)景模型，并對其精度和質(zhì)量進(jìn)行查驗(yàn)，最終形成影像數(shù)字劃線圖[1]。

1.2 線狀(面狀)地物繪制

在二維窗口內(nèi)利用畫面﹑畫線等工具，和三維礦山模型進(jìn)行合理對比，繪制面狀或者線狀地物，其中包括：斜坡﹑房屋﹑地類界﹑溝渠以及道路等等。在此過程中，可以開啟捕捉功能以防止線﹑點(diǎn)懸掛，然后分段繪制不同高度和寬度的地物圖像。其中，繪制房屋時通常使用房屋切片﹑五點(diǎn)房﹑自動提取﹑墻面采集等方法，在采用五點(diǎn)房方法進(jìn)行繪制時，只用按照順序選取其他邊上和第一邊上的兩個點(diǎn)就可以自動生成房屋圖像，圖像生成后就可以按照具體情況擴(kuò)展﹑修改相應(yīng)的屬性信息。

1.3 高程點(diǎn)和等高線的采集

采集高程點(diǎn)信息的核心是利用EPS測圖系統(tǒng)在礦山三維模型中來完成自動提取，獲取方式包括面選﹑線選和點(diǎn)選等。如礦山范圍非常廣，就可以采用面選來采集高程點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將等高線的差值控制在0.5以內(nèi)，防止高空線狀地物和電線發(fā)生矛盾。采集等高線信息時，一般是基于高程點(diǎn)的數(shù)據(jù)在地模處理區(qū)域生成三角網(wǎng)并從中獲取等高線信息，且在使用EPS加載實(shí)景并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的過程中，不用佩戴專用立體眼鏡，這就在很大程度上降低了繪圖要求，使得非專業(yè)人員也可實(shí)現(xiàn)圖像繪制。

傾斜攝影測量技術(shù)可以充分實(shí)現(xiàn)三維實(shí)景模型的構(gòu)建，并將其應(yīng)用于礦山的生態(tài)修復(fù)中，特別是繪制大比例礦山地形圖時，能夠根據(jù)具體數(shù)據(jù)來分析繪制的精度。大量結(jié)果顯示：利用三維模型所繪制出的礦山地形圖可以充分滿足其生態(tài)修復(fù)方面的規(guī)劃需求，同時可以借助三維模型實(shí)景的立體測量﹑任意視角等優(yōu)勢來完成地物﹑地形的人機(jī)交互內(nèi)業(yè)繪制，跟傳統(tǒng)地形繪制方法相比較，有效降低了補(bǔ)測﹑調(diào)繪等工作量，很大程度上提升了工作效率[2]。

2 傾斜攝影數(shù)據(jù)的生成及精度驗(yàn)證

2.1 傾斜攝影數(shù)據(jù)的生成

傾斜測量技術(shù)一般包含數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)獲取兩項技術(shù)：①傾斜攝影數(shù)據(jù)獲?。韩@取該數(shù)據(jù)一般是采用五向飛行的方法來完成傾斜拍攝，圍繞各個角度來攝取地貌﹑地物的傾斜和垂直影像。為了確保傾斜攝影的實(shí)際測量精度符合礦山生態(tài)修復(fù)規(guī)劃的相關(guān)需求，通常需要在航攝范圍內(nèi)布設(shè)五個像控點(diǎn)，像控點(diǎn)的位置要盡量避免物體遮擋，一般情況下，像控點(diǎn)布設(shè)得越多，其測量的精度就越準(zhǔn)確。②傾斜影像數(shù)據(jù)處理：獲取傾斜攝影數(shù)據(jù)之后，就要對影像質(zhì)量進(jìn)行核驗(yàn)并分析導(dǎo)航相關(guān)數(shù)據(jù)，同時還要分析飛行軌跡中的實(shí)測數(shù)據(jù)，包括檢查影像色差﹑清晰度以及質(zhì)量等問題，并將不符合影像質(zhì)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除，如果多數(shù)不符合，就要按照相關(guān)要求重飛。

2.2 傾斜攝影數(shù)據(jù)的精度驗(yàn)證

分析傾斜攝影測量數(shù)據(jù)的精度，可以在樹林密集區(qū)和平緩區(qū)各選擇15個測點(diǎn)來分析高程和水平精度的誤差。其中，密集覆蓋區(qū)的高程誤差最大達(dá)到1.250m，最小為0.530m，實(shí)際中間誤差達(dá)0.556m。因?yàn)镈SM的數(shù)據(jù)變化相對較大，所以原本地形和植被覆蓋區(qū)有較大的差異，然而修復(fù)礦山生態(tài)的重點(diǎn)在于規(guī)劃植被裸露區(qū)域，所以密集區(qū)的高程精度對項目的影響不大[3]。此外，要想驗(yàn)證三維模型線劃圖的數(shù)字精度，就要利用RTK技術(shù)來布設(shè)測區(qū)的控點(diǎn)，選用全站儀采集地物點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)和平面坐標(biāo)，借助EPS軟件來完整生成內(nèi)業(yè)三維模型，并在模型上獲取相應(yīng)的高程值和點(diǎn)坐標(biāo)，最后對各項數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)對比以此就能夠得到高程和平面坐標(biāo)的實(shí)際差值，并以此為依據(jù)來對三維模型中的高程和平面點(diǎn)誤差進(jìn)行判定。

通常傾斜攝影測量的數(shù)據(jù)精度要達(dá)到1∶500的測量要求，尤其是測點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)和精度要滿足相關(guān)要求。再加上植被密集區(qū)通常采用DSM來測量當(dāng)?shù)氐膶?shí)際地物數(shù)據(jù)，其測量的基本數(shù)據(jù)都屬于植被的冠頂數(shù)值，盡管其初始地形和精度兩者有一定的差異，但是可以將地地物類型等直觀﹑系統(tǒng)地展現(xiàn)出來，可以有效確定礦山生態(tài)修復(fù)規(guī)劃的覆蓋度和對比植被重建前后的實(shí)際效果。

因此，傾斜攝影測量的有效數(shù)據(jù)能夠指導(dǎo)規(guī)劃修復(fù)礦山生態(tài)的工作。

3 傾斜攝影數(shù)據(jù)在礦山生態(tài)修復(fù)中的運(yùn)用分析

3.1 三維模型應(yīng)用分析

三維數(shù)據(jù)的核心是通過離散點(diǎn)來完成地表色彩和高程信息的記載，能夠獲取地表實(shí)景信息，然后以三維信息為依據(jù)建立地表模型，以此實(shí)現(xiàn)礦區(qū)的三維可視化；利用三維模型能夠量算出地物的實(shí)際三維參數(shù)，包括植被覆蓋﹑深坑高度﹑土石方數(shù)據(jù)以及危巖區(qū)域等。同時，在礦山生態(tài)修復(fù)規(guī)劃建設(shè)中，三維實(shí)景模型除了能夠全方位展現(xiàn)礦山的擬修復(fù)植被覆蓋情況﹑坡度﹑溝渠道理長度以及環(huán)境概況以外，還可以按照修復(fù)規(guī)劃方案完成工程核算和復(fù)核，并展現(xiàn)礦區(qū)的廢石清運(yùn)﹑危巖清理等情況，從而在修復(fù)礦山上臺中起到一定的輔助作用，避免因?yàn)椴缓侠淼墓こ逃嬎愫徒ㄔO(shè)安排導(dǎo)致的一系列問題[6]。

此外，三維實(shí)景模型還可以將礦山的地貌高度還原，可以在同一位置以多個角度觀察礦區(qū)的地形地貌，促使礦區(qū)生態(tài)修復(fù)工作人員對周邊環(huán)境有一個直觀的了解，從而為礦山修復(fù)提供可靠的規(guī)劃建設(shè)依據(jù)。無人機(jī)傾斜攝影三維建?；玖鞒桃妶D1。

圖1 無人機(jī)傾斜攝影三維建?；玖鞒?/p>

3.2 工作效率及方法分析

以往的測量方式包括GPS測量﹑全站儀﹑水準(zhǔn)測量等。傳統(tǒng)測量方法投入人工物力較大﹑效率低﹑成本高而且周期長，如果測區(qū)的環(huán)境范圍復(fù)雜，還會對實(shí)際測量工作帶來一定的影響，導(dǎo)致工期成本進(jìn)一步提高。傳統(tǒng)測量具體內(nèi)容涵蓋了高程數(shù)據(jù)﹑距離﹑角度等方面，受環(huán)境和地勢的限制，測量結(jié)果大多是二維圖像，對于后期進(jìn)行礦山生態(tài)修復(fù)中分析處理有較大誤差影響，花費(fèi)的時間精力也相對越多，無法對礦山修復(fù)帶來直觀數(shù)據(jù)指導(dǎo)。無人機(jī)傾斜攝影測量法與傳統(tǒng)的測量方法相比較，前者具備良好的測量優(yōu)勢：效率高﹑成本低﹑周期短，且能夠很大程度上減少外業(yè)工作量，從而提高測量工作效率。

同一測量范圍內(nèi)，采用傾斜攝影測量可以將測量時間縮短至五倍，有效降低測量的時間和物力成本。此外，使用傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行作業(yè)，特別是對于復(fù)雜的礦區(qū)環(huán)境時，能夠有效防止部分區(qū)域巖石滾落而產(chǎn)生危險的情況發(fā)生，以此降低安全事故發(fā)生的風(fēng)險[4]。

3.3 成果對比分析

傳統(tǒng)測量數(shù)據(jù)包括地物屬性和空間信息。通常含有地物注記﹑各區(qū)界限﹑地類界限﹑線狀地物以及等高線等要素。采用傾斜攝影技術(shù)生成的結(jié)果為多視角圖像﹑三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)﹑數(shù)字模型等。因?yàn)閳D像具備較高的清晰度，因此和傳統(tǒng)測量技術(shù)相比，傾斜攝影技術(shù)能夠更清晰地繪制出地表和地物的實(shí)際輪廓；其與配套軟件結(jié)合運(yùn)用能夠測量出地物的面積﹑坡度﹑高度以及長度等，可以全方位將物體實(shí)際情況顯示出來。尤其是DSM能夠清晰地反映出地物的相關(guān)數(shù)據(jù)，其中就包含DEM所測之外的高程數(shù)據(jù)，同時還能夠獲取各項冠頂數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)與鄰近地面的相對高程進(jìn)行對比，就能推算出植被或者其他覆蓋物的實(shí)際高度，給后續(xù)生態(tài)修復(fù)過程中的各項提供一定的參考；三維數(shù)據(jù)在經(jīng)過一定的處理后能夠創(chuàng)建三維實(shí)景模型，促進(jìn)礦區(qū)生態(tài)修復(fù)實(shí)現(xiàn)可視化效果，有效測算出礦區(qū)各地物數(shù)據(jù)，使地物信息通過各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換清晰詳細(xì)地反映出來。

因此，傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用成果和傳統(tǒng)技術(shù)相比，具有效果直觀﹑內(nèi)容豐富﹑手段高效等特點(diǎn)，特別是在礦山生態(tài)修復(fù)中使用三維模型來進(jìn)行工程布設(shè)，具有較高的使用價值和優(yōu)勢。

3.4 適用效果評價

傾斜攝影可以全面實(shí)現(xiàn)礦山地形各項數(shù)據(jù)的精確測量，具備以下幾個應(yīng)用優(yōu)勢：使用傾斜攝影對研究區(qū)進(jìn)行測量，能夠從各個角度獲取相應(yīng)的影像信息，涵蓋了傾斜和垂直兩項攝影測量技術(shù)。其中，垂直測量信息主要是與地面進(jìn)行垂直拍攝所獲取的數(shù)據(jù)；傾斜測量是充分利用四個傾斜方位進(jìn)行拍攝所獲取的數(shù)據(jù)，全方位影像視角是傾斜攝影技術(shù)的優(yōu)勢，其能夠更清晰地識別出地物的實(shí)際信息，分辨率較高，且影像的測量范圍相對較廣。特別是對于礦山生態(tài)的修復(fù)規(guī)劃而言，測區(qū)的各項數(shù)據(jù)能夠充分展現(xiàn)礦山區(qū)域內(nèi)的地物形態(tài)，可以完整將礦區(qū)的破壞和開采程度進(jìn)行擬修復(fù)呈現(xiàn)，包括周邊以及區(qū)內(nèi)植被覆蓋率﹑礦區(qū)道路﹑土源實(shí)際堆放區(qū)﹑危巖區(qū)域以及建筑物位置等情況。傾斜攝影除了可以為平衡土石方﹑清理危巖﹑清運(yùn)廢石等各項工作的布設(shè)和測算提供有效途徑以外，還可以給礦山生態(tài)修復(fù)規(guī)劃過程中的評價級風(fēng)險預(yù)測帶來更為直觀的數(shù)據(jù)支撐。此外，多角度影像能夠從全方位視角將地物實(shí)際情況反映出來，有助于礦山生態(tài)修復(fù)的后期規(guī)劃和布設(shè)工作順利推進(jìn)，同時，將影像數(shù)據(jù)和修復(fù)方案兩者相結(jié)合，并將礦山修復(fù)后的效果清晰展現(xiàn)出來，能夠給后期修復(fù)工作提供有效的輔助，還能夠給其修復(fù)效果提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支撐[5]。

4 結(jié)語

在測量礦山地形全方面數(shù)據(jù)信息時，尤其是在地形地貌復(fù)雜且地表破碎的情況下，利用傾斜攝影技術(shù)有著顯著的測量優(yōu)勢，不僅可以生成高精度三維實(shí)景模型，還能夠獲得全方位的數(shù)字成果。相比之下其測算果具有較高的精度﹑類型相對豐富，可以對傳統(tǒng)測量的缺陷進(jìn)行有效改善。總而言之，無人機(jī)傾斜拍攝測量能夠在很大程度上滿足礦山的生態(tài)修復(fù)要求，具備一定的可行性。盡管其在天氣條件﹑地表植被方面還會受到一定的影響，但是其具備的優(yōu)勢已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于地理監(jiān)測﹑空間規(guī)劃﹑文物保護(hù)﹑生態(tài)修復(fù)以及地形測繪等多領(lǐng)域，而且伴隨著科技的飛速發(fā)展以及無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用推廣，傾斜測量技術(shù)將會被廣泛應(yīng)用于更多領(lǐng)域之中。