秦啟耀

廣西安全工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530000

礦產(chǎn)資源開(kāi)采容易引發(fā)礦產(chǎn)上覆巖層的移動(dòng)變形，從而導(dǎo)致地表沉降及地面建筑損毀。為保障礦區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)安全，必須對(duì)采空區(qū)地表進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，目前一般采用沿開(kāi)采工作面布設(shè)傾向線和走向線監(jiān)測(cè)點(diǎn)的方式進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)[1]。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)多采用GNSS 觀測(cè)、水準(zhǔn)測(cè)量、導(dǎo)線測(cè)量等方法，需要在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)大量布點(diǎn)，這些方法具有明顯的劣勢(shì)，如作業(yè)效率低、人力耗費(fèi)大、項(xiàng)目成本高、監(jiān)測(cè)點(diǎn)密度較低，容易被破壞[2]。為此，有研究人員采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)開(kāi)采面進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，分析地表沉降變形特征，其監(jiān)測(cè)精度可達(dá)毫米級(jí)，但三維激光掃描系統(tǒng)多為進(jìn)口的，成本較為昂貴，難以廣泛推廣使用。

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)取得突破性發(fā)展，外業(yè)航攝效率、建模速度、建模精度都大大提高，使得低成本快速采集高精度野外數(shù)據(jù)成為可能。本文以壽陽(yáng)縣新元煤礦為例，分析無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在礦區(qū)開(kāi)采面變形監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的可行性，并驗(yàn)證成果的可靠性。

1 傾斜攝影技術(shù)

傳統(tǒng)攝影測(cè)量多采用正射角度進(jìn)行地物信息的采集，從地物頂部以下視攝影方式進(jìn)行拍攝，能充分反映地表地物的頂部特征信息，但無(wú)法對(duì)地物側(cè)面的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集[3]。傾斜攝影測(cè)量能夠彌補(bǔ)垂直攝影測(cè)量的不足，以一定的傾角對(duì)地物側(cè)面進(jìn)行攝影測(cè)量。需要注意的是，如果目標(biāo)物被其他地物遮擋，會(huì)造成拍攝影像信息的缺失[4]。因此，在利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量作業(yè)時(shí)，應(yīng)采用多基線、多視角的航攝形式，盡可能從多個(gè)角度獲取地物信息，最大限度地獲取地物完整的影像數(shù)據(jù)，以滿(mǎn)足三維建模的需求。

傾斜攝影測(cè)量主要有單相機(jī)測(cè)量和五相機(jī)測(cè)量2 種方式。其中五相機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)配備有1個(gè)垂直攝影相機(jī)和4個(gè)傾斜攝影相機(jī)，通過(guò)將高精度GNSS 接收機(jī)和慣性測(cè)量單元（IMU）集成處理，對(duì)航攝影像的外方位元素進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，獲取地表影像坐標(biāo)信息。

傾斜攝影測(cè)量的核心技術(shù)是內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的快速自動(dòng)化處理。外業(yè)航攝完成后，作業(yè)人員通過(guò)專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)航攝影像信息進(jìn)行處理，主要涉及空中三角測(cè)量、密集匹配、粗差檢測(cè)、點(diǎn)云去噪等關(guān)鍵技術(shù)處理，從而生成滿(mǎn)足使用要求的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行三角網(wǎng)構(gòu)建，利用內(nèi)插工具對(duì)格網(wǎng)進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，從而獲得DEM 成果。再將不同時(shí)期獲取的DEM 成果進(jìn)行對(duì)比，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)區(qū)沉降變形的監(jiān)測(cè)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 自動(dòng)空中三角測(cè)量

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量將傳統(tǒng)航測(cè)系統(tǒng)中的高精度定向技術(shù)與計(jì)算機(jī)視覺(jué)三維現(xiàn)實(shí)還原技術(shù)充分融合[5]，使得構(gòu)建的三維實(shí)景模型不僅具有美觀性，還具備可量測(cè)性，拓寬了應(yīng)用場(chǎng)景。自動(dòng)空中三角測(cè)量主要有連接點(diǎn)自動(dòng)匹配、自由網(wǎng)構(gòu)建、區(qū)域網(wǎng)平差3 個(gè)步驟（見(jiàn)圖1）。

圖1 自動(dòng)空中三角測(cè)量流程圖

2.2 傾斜影像的密集匹配

傾斜影像密集匹配是以SHIFT 算法為基礎(chǔ)，建立數(shù)學(xué)關(guān)系模型，對(duì)待匹配特征點(diǎn)間的歐氏距離進(jìn)行計(jì)算，并將其作為匹配測(cè)度，對(duì)傾斜影像的特征點(diǎn)進(jìn)行密集匹配。此次研究采用Mean Shift 方法對(duì)核線影像進(jìn)行彩色分割，然后采用半全局匹配方法生成初始視差圖[6]。在此基礎(chǔ)上，以影像分割的塊作為最小單位，采用RANSAC（隨機(jī)采樣一致性）方法擬合視差平面并初步精化，然后再使用置信度傳播算法進(jìn)行視差平面分配，得到視差圖后再進(jìn)行視差精化。筆者考慮到算法的效率和適應(yīng)性等因素，密集匹配采用影像分塊策略，以解決因視差范圍過(guò)大而造成的內(nèi)存不足問(wèn)題，提高了算法的適用性。

2.3 密集點(diǎn)粗差檢測(cè)與自由網(wǎng)的構(gòu)建

對(duì)傾斜攝影影像密集點(diǎn)粗差進(jìn)行合理剔除，可以有效提高三維建模的精度。筆者首先以RANSAC 方法為基礎(chǔ)，采用5 點(diǎn)法相對(duì)定向，建立粗差檢測(cè)雙模型，再進(jìn)行密集點(diǎn)粗差檢測(cè)；其次采用空間前方交匯算法，計(jì)算密集點(diǎn)殘差，將殘差值較大的像點(diǎn)剔除[7]；最后選擇具有較多連接點(diǎn)的3 張影像進(jìn)行兩兩間的相對(duì)定向。若計(jì)算獲得的3 個(gè)線元素向量為共面向量，3個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣依次相乘結(jié)果即為單位矩陣，則表明傾斜攝影相對(duì)定向結(jié)果準(zhǔn)確，可靠性較高，從而輸出自由網(wǎng)構(gòu)建結(jié)果。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 外業(yè)作業(yè)流程

（1）明確航攝范圍。筆者依據(jù)作業(yè)需求，在遙感影像圖中粗略獲取航攝區(qū)域邊界，再利用外業(yè)測(cè)繪方式對(duì)邊界點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)繪，并將其展繪至地圖上，從而明確無(wú)人機(jī)傾斜攝影作業(yè)的范圍。

（2）測(cè)區(qū)航高設(shè)計(jì)。無(wú)人機(jī)傾斜攝影相對(duì)航高（H）與地面分辨率（GSD）、相機(jī)焦距（f）以及像元尺寸（a）之間有一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，如式（1）所示。當(dāng)測(cè)區(qū)最大高差和航高的比值＜0.3 時(shí)，可進(jìn)行免像控點(diǎn)作業(yè)。

（3）飛行航線設(shè)計(jì)。無(wú)人機(jī)飛行航線需綜合考慮測(cè)區(qū)大小、風(fēng)速風(fēng)向、自身續(xù)航等因素，航線方向盡量與測(cè)區(qū)縱長(zhǎng)平行。在全面覆蓋測(cè)區(qū)范圍的基礎(chǔ)上，可以適當(dāng)減少航線數(shù)，降低外業(yè)作業(yè)時(shí)間，提高作業(yè)效率。

（4）相機(jī)參數(shù)設(shè)置。在進(jìn)行航拍作業(yè)時(shí)，相機(jī)需要設(shè)置為快門(mén)優(yōu)先模式，并依據(jù)光照條件調(diào)整快門(mén)速度和ISO 值，清除系統(tǒng)緩存，保證有足夠的存儲(chǔ)空間。

（5）地面像控點(diǎn)布設(shè)。地面像控點(diǎn)的布設(shè)是無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的關(guān)鍵性基礎(chǔ)工作，布點(diǎn)位置的選擇與點(diǎn)位質(zhì)量對(duì)建模成果的精度有重大影響。在測(cè)區(qū)內(nèi)實(shí)地布設(shè)像控點(diǎn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)參照預(yù)先設(shè)計(jì)的航拍航線進(jìn)行點(diǎn)位布設(shè)，并盡可能將像控點(diǎn)布設(shè)在相鄰航線的重疊區(qū)域。像控點(diǎn)布設(shè)位置周邊不得有明顯的遮擋物，確保航拍過(guò)程中像控點(diǎn)位清晰可見(jiàn)，且遠(yuǎn)離高壓線、發(fā)電廠等強(qiáng)電磁輻射源。像控點(diǎn)布設(shè)完成后，應(yīng)采用GNSS多點(diǎn)平滑觀測(cè)，保證觀測(cè)誤差≤0.006 m。

壽陽(yáng)縣新元煤礦測(cè)區(qū)地形以山地、丘陵為主，地勢(shì)東北較高、西南較低，面積約為2.0 km2。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量范圍如圖2 所示，監(jiān)測(cè)范圍覆蓋礦區(qū)開(kāi)采面地表。此次沉降監(jiān)測(cè)研究為期10 周，使用大疆經(jīng)緯M600 無(wú)人機(jī)搭載五鏡頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測(cè)頻率為一周一次，每次飛行2 個(gè)架次，相對(duì)航高為120 m，設(shè)計(jì)5條航線，旁向重疊度為75%，航向重疊度為80%。本文取第一期和最后一期的航拍數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。

圖2 測(cè)區(qū)范圍

3.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

采用Context Capture 軟件進(jìn)行航拍數(shù)據(jù)處理。首先，將航片及其對(duì)應(yīng)的POS 數(shù)據(jù)導(dǎo)入Context Capture 軟件，再導(dǎo)入像控點(diǎn)數(shù)據(jù)；其次，利用GNSS 位置數(shù)據(jù)以及IMU 姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行外方位元素的反算，生成點(diǎn)云文件后，再進(jìn)行空中三角測(cè)量加密處理，利用一定數(shù)量的已知控制點(diǎn)進(jìn)行模型外方位元素的解算工作；最后，利用解算出的模型外方位元素以及經(jīng)過(guò)加密處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成DEM 數(shù)據(jù)。第一期和最后一期的航攝監(jiān)測(cè)DEM 輸出結(jié)果如圖3所示。對(duì)比兩期DEM 數(shù)據(jù)差值，即可得到測(cè)區(qū)開(kāi)采面地表沉降數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖4）。

圖3 測(cè)區(qū)第一期（左）和最后一期（右）DEM 渲染圖

圖4 兩期DEM 差值成果

3.3 精度分析

目前，礦區(qū)開(kāi)采面地表沉降監(jiān)測(cè)多采用二等水準(zhǔn)測(cè)量方法，其精度較高，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)較為可靠，故筆者以傳統(tǒng)二等水準(zhǔn)觀測(cè)成果為基準(zhǔn)，對(duì)傾斜攝影測(cè)量成果的可靠性進(jìn)行分析。筆者以均勻分布的原則在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)隨機(jī)選擇了25 個(gè)特征點(diǎn)，采用二等水準(zhǔn)測(cè)量方法在無(wú)人機(jī)航攝作業(yè)時(shí)對(duì)各特征點(diǎn)進(jìn)行高程測(cè)量，再在傾斜攝影DEM 成果上提取對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以對(duì)比二等水準(zhǔn)觀測(cè)成果與傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)，詳見(jiàn)表1。

由表1 可知，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)與二等水準(zhǔn)觀測(cè)值最大偏差為0.0681m，最小偏差為0.0211m，平均偏差為0.0424m，均未超過(guò)0.1m 的限差。由此可見(jiàn)，采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)礦區(qū)開(kāi)采面地表進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，其數(shù)據(jù)成果具有較高的可靠性。

表1 傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)和二等水準(zhǔn)觀測(cè)成果統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié) 語(yǔ)

礦區(qū)開(kāi)采面地表沉降監(jiān)測(cè)關(guān)乎礦區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，傳統(tǒng)水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)方法適用面積小、效率低，且難以實(shí)現(xiàn)開(kāi)采面地表的全覆蓋。此次研究采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)礦區(qū)開(kāi)采面進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)作業(yè)，經(jīng)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理生成礦區(qū)地表DEM 渲染圖。對(duì)比兩期DEM 成果差值，即可得到礦區(qū)地表全方位的沉降變化可視化成果。通過(guò)與二等水準(zhǔn)觀測(cè)成果的對(duì)比，驗(yàn)證了無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在礦區(qū)開(kāi)采面沉降監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的可行性和成果可靠性。今后，在礦區(qū)開(kāi)采面沉降監(jiān)測(cè)中可大力推廣應(yīng)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)。