程 曦

(中建材西南勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，四川 成都 610000)

1 無(wú)人機(jī)三維傾斜攝影技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

無(wú)人機(jī)三維傾斜攝影技術(shù)歸屬于現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)的范疇，以無(wú)人機(jī)為載體，集成多種先進(jìn)的技術(shù)，如傳感器技術(shù)、線速路由換技術(shù)(POS)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GPS)等，可快速完成數(shù)據(jù)處理，并根據(jù)所得的結(jié)果構(gòu)建相關(guān)模型[1]。

1.1 真實(shí)性強(qiáng)

依托無(wú)人機(jī)傾斜攝影，能夠獲取到3D模型，通過(guò)該模型，可從不同的角度對(duì)地物、地貌等全面觀察，反映出的情況更加逼真。

1.2 性價(jià)比高

3D模型常用的構(gòu)建方式有三種，即激光掃描儀、傳統(tǒng)測(cè)量結(jié)合紋理鑲嵌、無(wú)人機(jī)傾斜攝影。其中激光掃描儀的效率和精度較高，但造價(jià)比較昂貴；傳統(tǒng)測(cè)量方法的周期過(guò)長(zhǎng)，效率偏低；無(wú)人機(jī)三維傾斜攝影不僅效率高，而且成本低，因而該技術(shù)具有較高的性價(jià)比。

1.3 易于共享

通過(guò)無(wú)人機(jī)三維傾斜攝影技術(shù)采集到相關(guān)數(shù)據(jù)，要比GIS系統(tǒng)獲取到的數(shù)據(jù)容量小，由此給數(shù)據(jù)的傳輸和資源共享提供了便利條件，更易于實(shí)現(xiàn)大眾化的應(yīng)用。

2 無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)的露天礦山概況

本次選取某地區(qū)露天石灰?guī)r礦區(qū)作為研究對(duì)象，無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)的礦區(qū)共有5個(gè)，分別用字母A～E表示。各礦區(qū)的基本情況如下。

2.1 A礦區(qū)

該礦區(qū)的地貌特征為巖溶槽，斜坡地形，西高東低，最高點(diǎn)的高程為418.56 m，最低點(diǎn)的高程為331.9 m，地形坡角的范圍為25°～40°。礦區(qū)多年平均降雨量為1 110.5 mm,每年的雨季集中在5～9月，礦區(qū)內(nèi)的地表溪流不發(fā)育，無(wú)季節(jié)性沖溝和常年地表水體，所有地表水均為自然降雨補(bǔ)給。該礦區(qū)主要開采的是石灰?guī)r礦，供建筑工程使用。

2.2 B礦區(qū)

該礦區(qū)呈現(xiàn)為單斜構(gòu)造，整體的地質(zhì)構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，無(wú)斷裂，節(jié)理裂隙不發(fā)育，地層傾角約為9°。礦山開采的石灰?guī)r厚度為120～140 m，灰?guī)r層理較為發(fā)育，在層面上可見清晰的斑紋狀條帶。

2.3 C礦區(qū)

該礦區(qū)位于斜坡地帶，中山地貌，地形坡角的范圍在15°～45°。礦區(qū)年均氣溫為17.5℃，年均降雨量為1 162.5 mm,5～9月的降雨量較大，約占全年總降雨量的68.8%，經(jīng)常有大暴雨。礦區(qū)內(nèi)的斷層和節(jié)理裂隙均不發(fā)育，巖層的完整性比較好，地質(zhì)構(gòu)造較為簡(jiǎn)單。

2.4 D礦區(qū)

該礦區(qū)內(nèi)的斷裂構(gòu)造不發(fā)育，背斜部的地層為二疊系和三疊系，翼部地層為侏羅系。礦區(qū)內(nèi)的斷裂構(gòu)造不發(fā)育，地層傾角為44°～46°，地質(zhì)構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，未見明顯的斷層。

2.5 E礦區(qū)

該礦區(qū)的地形為狹長(zhǎng)嶺谷，南高北低，年均降雨量為1 136.8 mm,每年的5～8月降雨量較大，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)大雨或暴雨。該礦區(qū)內(nèi)的礦山主要以石灰?guī)r開采為主。

3 基于無(wú)人機(jī)三維傾斜攝影的礦山監(jiān)測(cè)

3.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)

本次露天礦山監(jiān)測(cè)中，選用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)，根據(jù)鏡頭的數(shù)量不同，可將該測(cè)量系統(tǒng)分為以下4種類型：雙傾斜鏡頭、雙傾斜+一個(gè)正視鏡頭、四傾斜+一個(gè)正視鏡頭和八傾斜+一個(gè)正視鏡頭。鏡頭越多的測(cè)量系統(tǒng)，操作過(guò)程越復(fù)雜，對(duì)操作人員的技術(shù)水平要求越高，綜合考慮各種因素，本次研究中，采用雙鏡頭六旋翼UAV，對(duì)露天礦山開展傾斜攝影[2]。鏡頭的最大像素為4 240萬(wàn)，在平原和低山丘陵地區(qū)的最高分辨率分別為2.0 cm和5.0～10 cm；兩個(gè)鏡頭全部可以多角度擺動(dòng)，能夠獲取到同一個(gè)地物，不同視角的影像，進(jìn)而構(gòu)成3D模型；UAV最長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間為30 min，具備自動(dòng)返航功能，六旋翼設(shè)計(jì)能夠抵抗6級(jí)風(fēng)力。

3.2 測(cè)量要求

依據(jù)傾斜攝影測(cè)量的技術(shù)規(guī)范，本次露天礦山監(jiān)測(cè)中，對(duì)無(wú)人機(jī)的航線設(shè)定、飛行、拍攝質(zhì)量、航攝時(shí)間、精度及影像成果等，全部按照如下要求執(zhí)行，以此來(lái)確保無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性[3]。

3.2.1 無(wú)人機(jī)航線設(shè)計(jì)

本次監(jiān)測(cè)中，對(duì)無(wú)人機(jī)航線的飛行方向無(wú)要求，根據(jù)慣例選擇東西向，若是地形條件受限，則可改為南北向。通常情況下，可以按照?qǐng)D幅中心線對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行航線進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2.2 攝影質(zhì)量

1)傾斜攝影的航向重疊應(yīng)當(dāng)控制在75%以內(nèi)，旁向攝影的航向重疊應(yīng)不小于65%。正射影像的無(wú)人機(jī)航向重疊應(yīng)控制在60%～80%，最小不得低于55%，旁向則可控制在15%～60%，最小不得低于8%?？砂凑盏匚锏奶卣骷捌浞峙淝闆r，對(duì)重疊度適當(dāng)調(diào)整。

2)相片的傾斜角度控制在2°以內(nèi)，最大不超過(guò)4°；旋偏角控制在10°以內(nèi)，最大不超過(guò)12°，接近最大旋偏角的相片連續(xù)不得超過(guò)3張；無(wú)人機(jī)航線的彎曲度控制在3%以內(nèi)；當(dāng)選用的鏡頭一定時(shí)，航高與影像的地面分辨率關(guān)系成反比，即無(wú)人機(jī)的航高越高，影像的地面分辨率就越低，本次實(shí)驗(yàn)中使用的鏡頭為35 mm焦距，影像地面分辨率>10 cm，航高不低于777 m，實(shí)驗(yàn)過(guò)程的航高控制在200 mm左右。

3.2.3 航拍時(shí)間

通常情況下，在選擇航拍季節(jié)時(shí)，可以拍攝區(qū)域內(nèi)最有利的天氣條件作為主要依據(jù)，減少植被、覆蓋物對(duì)拍攝效果的影響?；谶@一前提，實(shí)驗(yàn)的航拍時(shí)間定在冬春季節(jié)，這個(gè)時(shí)間段測(cè)區(qū)的天氣條件較好，通過(guò)拍攝區(qū)域的太陽(yáng)高度角及陰影的倍數(shù)對(duì)航攝時(shí)間合理選擇。

3.2.4 坐標(biāo)及精度

平面坐標(biāo)選用的是地理坐標(biāo)系CGCS2000，高程為1985高程基準(zhǔn)；航攝所得的正射與相鄰影像圖接邊的誤差應(yīng)不超過(guò)2個(gè)像元，影像要清晰、層次豐富，能夠從中辨識(shí)細(xì)小的地物，并可以構(gòu)建3D模型，影像中不得存在反光、污點(diǎn)、煙、云等缺陷；3D模型的接邊不得存在高差痕跡，模型的色彩要均勻。

3.3 傾斜攝影作業(yè)

3.3.1 前期準(zhǔn)備

1)測(cè)量開始前，先對(duì)數(shù)字相機(jī)全面檢校，避免光學(xué)畸變影響拍攝效果。本次實(shí)驗(yàn)中，選擇控制場(chǎng)法：在室外選擇一片比較空曠的場(chǎng)地建立控制場(chǎng)，并在相應(yīng)的位置處布設(shè)控制點(diǎn)標(biāo)志，利用精確測(cè)定的最標(biāo)點(diǎn)與影像坐標(biāo)點(diǎn)結(jié)合，檢校模型計(jì)算，由此可以獲取到精確度較高的數(shù)字相機(jī)檢校參數(shù)。

2)傾斜攝影測(cè)量由無(wú)人機(jī)來(lái)完成，飛行前需檢測(cè)電池的充電及電壓情況，保證電壓正常且充滿電方可使用，并對(duì)飛行過(guò)程中使用的工具全面清點(diǎn)、檢查并加固運(yùn)輸箱；開始作業(yè)前，要仔細(xì)檢查無(wú)人機(jī)運(yùn)輸時(shí)有無(wú)損壞，重點(diǎn)檢查螺旋槳、控制器等部件，看是否完好；上電檢測(cè)，校正磁羅盤。

3)對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行場(chǎng)地現(xiàn)場(chǎng)踏勘，觀察飛行路線上空是否存在高壓線，確保路線遠(yuǎn)離居民區(qū)、河湖、水庫(kù)、魚塘等；無(wú)人機(jī)執(zhí)行飛行任務(wù)前，需要對(duì)航線合理規(guī)劃，在網(wǎng)絡(luò)地域上，對(duì)測(cè)區(qū)范圍準(zhǔn)確定位，綜合考慮相關(guān)因素，如氣象、作業(yè)要求等，編制短期任務(wù)規(guī)劃，并在任務(wù)執(zhí)行當(dāng)天結(jié)合飛行情況，制定出可飛的航行路線。

3.3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

1)無(wú)人機(jī)傾斜航測(cè)的過(guò)程中，要對(duì)像控點(diǎn)合理布置，確保點(diǎn)位的數(shù)量充足，避免對(duì)后期數(shù)據(jù)處理的精度造成不利影響。

2)無(wú)人機(jī)傾斜航拍時(shí)，飛行高度為200 m左右，這個(gè)高度屬于低空范疇，由于本次監(jiān)測(cè)的礦區(qū)面積都不是很大，基本上都在1.0 km2內(nèi)。故此，可使用紅色布條制作像控點(diǎn)地面標(biāo)志，拼接后固定在地面上，采用這樣的標(biāo)志能夠使其與襯景間的亮度變大，可進(jìn)一步增強(qiáng)影像的判讀性。

3)依據(jù)預(yù)先設(shè)定的無(wú)人機(jī)航線，利用無(wú)人機(jī)開展數(shù)據(jù)采集作業(yè)，整個(gè)過(guò)程要密切關(guān)注無(wú)人機(jī)的飛行軌跡，看是否與設(shè)定的軌跡相符。當(dāng)無(wú)人機(jī)完成飛行任務(wù)后，及時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入計(jì)算機(jī)中，檢查數(shù)據(jù)采集成果，看是否滿足測(cè)區(qū)范圍及影像質(zhì)量的要求，確認(rèn)相符后，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到專用的移動(dòng)硬盤中，帶回實(shí)驗(yàn)室做進(jìn)一步處理。

4)在對(duì)無(wú)人機(jī)采集到的影像數(shù)據(jù)做內(nèi)業(yè)處理前，要先檢查外業(yè)采集的影像數(shù)據(jù)質(zhì)量，以此來(lái)為后續(xù)處理工作的順利開展提供有利條件。無(wú)人機(jī)傾斜航拍時(shí)，天氣、相機(jī)等因素會(huì)影響圖像的質(zhì)量，圖像質(zhì)量下降勢(shì)必造成后期三維建模的精度降低。所以采取有效的措施避免天氣和相機(jī)的影響尤為重要。

3.3.3 內(nèi)業(yè)處理

本次實(shí)驗(yàn)的內(nèi)業(yè)處理工作選用一款功能強(qiáng)大的三維建模軟件，該軟件依托的是多視圖三維重建技術(shù)，能夠處理任意照片，將具有重疊率的數(shù)碼影像導(dǎo)入軟件后，可生成高分辨率的三維模型，整個(gè)過(guò)程不需要人為控制，軟件可自行完成，構(gòu)建的模型精度可以達(dá)到毫米級(jí)。內(nèi)業(yè)處理的工作流程如下。

1)將無(wú)人機(jī)航拍的影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入到三維建模軟件當(dāng)中，軟件會(huì)按照每張照片的位置信息及參數(shù)信息，對(duì)照片分組，給空三加密提供條件。

2)當(dāng)影像數(shù)據(jù)全部導(dǎo)入后，可在三維建模軟件中，以自動(dòng)或手動(dòng)的方式完成空三加密。操作前，要為照片加入地面像控點(diǎn)坐標(biāo)，數(shù)量不少于3個(gè)，以此來(lái)達(dá)到控制效果，并使加密點(diǎn)與地理坐標(biāo)系相統(tǒng)一。具體計(jì)算時(shí)，三維建模軟件通過(guò)提取照片中特征點(diǎn)完成自動(dòng)運(yùn)算，匹配同名點(diǎn)，反算出每張照片的姿態(tài)角，據(jù)此對(duì)各張照片之間的關(guān)系加以確定。

3)利用的三維建模軟件，構(gòu)建實(shí)景3D模型，利用空三加密點(diǎn)，軟件能自動(dòng)計(jì)算出TIN，進(jìn)而生成不具備任何紋理信息的3D模型，隨后從無(wú)人機(jī)航拍的照片中選取與模型形狀位置相對(duì)應(yīng)的紋理，為模型著色，由此便可輸出實(shí)景3D模型。

3.4 解譯標(biāo)志的建立

識(shí)別并解譯露天礦山建設(shè)中的各種要素是監(jiān)測(cè)的主要目的，本次所選的研究對(duì)象為石灰?guī)r礦山，下面依托無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)構(gòu)建的3D模型，對(duì)露天礦山解譯標(biāo)志進(jìn)行建立，具體如下。

3.4.1 野外識(shí)別標(biāo)志

通過(guò)無(wú)人機(jī)航拍前對(duì)試驗(yàn)區(qū)域的全面踏勘，以及地面像控點(diǎn)的布設(shè)，詳細(xì)了解研究區(qū)的條件，包括采場(chǎng)、工業(yè)廣場(chǎng)、固廢、復(fù)墾區(qū)、主干道硬化、排水溝等。

3.4.2 影像解譯標(biāo)志

利用3D模型，從顏色、紋理等方面著手，建立影像解譯標(biāo)志，具體如圖1所示。

圖1 露天礦山無(wú)人機(jī)傾斜攝影影像解譯標(biāo)志

1)圖1(a)為采場(chǎng)，原始地貌并未發(fā)生過(guò)大的改變，無(wú)植被覆蓋，在該區(qū)域在影像上與周邊地區(qū)的紋理、色相均存在較為明顯的差異，低于周圍的地形，開采面與裸露在外的土地有所區(qū)別，邊坡的紋理呈現(xiàn)為環(huán)形，清晰并且較為密集。

2)圖1(b)為工業(yè)廣場(chǎng)，包括以下場(chǎng)地：礦石臨時(shí)堆場(chǎng)、加工場(chǎng)地、辦公場(chǎng)地等。影像中，石料堆場(chǎng)和廠房棚頂各有不同顏色以區(qū)分。

3)圖1(c)為固廢，主要是露天礦山開采產(chǎn)生各種固體

廢棄物，如廢土、廢渣、廢石料等，在影像中，紋理相對(duì)比較細(xì)膩，呈現(xiàn)為近似圓形的圖斑。

4)圖1(d)為復(fù)墾區(qū)，從影像中可以看出，這片區(qū)域的色調(diào)以灰色和灰綠色為主，復(fù)墾初期能夠看到礦山開采的痕跡，但無(wú)法看清開采作業(yè)面，從中可以看到人工種植的痕跡。

5)圖1(e)為主干道硬化，在影像中的顏色為灰白色，邊界有明顯的臺(tái)階，比較容易辨識(shí)。

3.5 影像解譯標(biāo)志評(píng)價(jià)

根據(jù)上文建立的無(wú)人機(jī)傾斜航拍影像解譯標(biāo)志，對(duì)本次所選研究區(qū)內(nèi)的A～E五個(gè)礦山進(jìn)行解譯，其中使用的方法為人機(jī)交互式解譯，依托非監(jiān)督分類，完成礦區(qū)內(nèi)的地物分類，隨后依據(jù)分類結(jié)果，解譯出相關(guān)的要素。為檢驗(yàn)解譯精度是否達(dá)標(biāo)，采取實(shí)地驗(yàn)證的方法，對(duì)研究區(qū)內(nèi)的5個(gè)礦山進(jìn)行考察，分別在各個(gè)礦山上選取驗(yàn)證點(diǎn)，數(shù)量均為10個(gè)，驗(yàn)證率為100%，驗(yàn)證結(jié)果如表1所示。

表1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影影像解譯結(jié)果驗(yàn)證情況

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，解譯結(jié)果的正確率達(dá)到94%以上。從表1中的結(jié)果可以看出，采場(chǎng)與固廢的解譯正確率均為100%，工業(yè)廣場(chǎng)次之，引起解譯誤差的主要原因是居民點(diǎn)與礦區(qū)距離過(guò)近，造成建筑物混淆；復(fù)墾區(qū)的解譯誤差是因?yàn)榻庾g時(shí)存在自然恢復(fù)的植被；排水溝的解譯誤差與居民活動(dòng)有關(guān)?？梢?，本次應(yīng)用無(wú)人機(jī)三維傾斜攝影技術(shù)建立的解譯標(biāo)具有較高的精度，可以在露天礦山監(jiān)測(cè)中使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

露天礦山監(jiān)測(cè)工作開展中，可對(duì)先進(jìn)的無(wú)人機(jī)三維傾斜攝影技術(shù)加以合理應(yīng)用，通過(guò)3D模型的構(gòu)建和解譯標(biāo)志的建立，為礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)管提供可靠依據(jù)，確保礦山持續(xù)發(fā)展。未來(lái)一段時(shí)期，要加大無(wú)人機(jī)三維傾斜攝影技術(shù)的研究力度，通過(guò)改進(jìn)使該技術(shù)逐步完善，更好地為礦山建設(shè)服務(wù)。

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