伍雅晴，張健雄

（湖南省國土空間調(diào)查監(jiān)測所，湖南 長沙 410129）

礦山勘查、生態(tài)修復(fù)等相關(guān)工作對于快速獲取大比例尺地形圖具有較高需求，因為礦山地質(zhì)、地形條件基本上較差，生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣，所以以往的地質(zhì)勘查工作效率較低，需要投入大量時間處理采集的信息才可以實現(xiàn)成果出圖。在無人機傾斜攝影技術(shù)與三維建模軟件快速發(fā)展的過程中，無人機三維實景建模技術(shù)得到了充分的發(fā)展。當(dāng)前，借助無人機3D實景模型獲取地理要素的方法已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用[1]。

1 無人機傾斜攝影測量技術(shù)概況

1.1 無人機傾斜攝影技術(shù)

無人機傾斜攝影技術(shù)主要是基于無人機垂直攝影技術(shù)發(fā)展而來，它利用多臺傳感器實現(xiàn)多方位、多角度數(shù)據(jù)采集來彌補垂直攝影中只能夠開展垂直方向拍攝影像的不足，進而還原目標(biāo)區(qū)域的真實地貌。無人機傾斜攝影技術(shù)將無人機作為飛行平臺采集多角度影像數(shù)據(jù)，并利用慣性導(dǎo)航以及CNSS導(dǎo)航采集姿態(tài)信息與位置信息，借助傾斜影像進行“非現(xiàn)場”測量，該技術(shù)集成了傾斜攝影系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)與飛行平臺，進而得到多視角影像信息，可以為3D模型構(gòu)建提供足夠紋理信息。該技術(shù)在早期一般在建筑物外立面的紋理信息采集方面應(yīng)用比較廣泛，但是在礦山工程測量與地形測量等方面并未得到廣泛應(yīng)用。在多元數(shù)據(jù)處理技術(shù)、GPS技術(shù)快速發(fā)展過程中，傾斜攝影過程中的信息處理難題得到進一步解決，促使其應(yīng)用領(lǐng)域得到進一步拓展。

在開展礦山測繪工作中，該測量技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，能夠針對礦山測繪任務(wù)展開全景勘查處理。與傳統(tǒng)測繪手段相比，該技術(shù)適用性更加突出、功能更加完善。相關(guān)人員對該技術(shù)和無人技術(shù)展開聯(lián)合運用，能夠充分強化測繪效率。另外，該技術(shù)在惡劣環(huán)境下也可以順利開展礦山測繪任務(wù)，同時還能夠充分保證測繪精度。該技術(shù)能夠以攝影中的相關(guān)信息為基礎(chǔ)，借助相關(guān)軟件實現(xiàn)模型創(chuàng)建，進而為工作人員創(chuàng)建具體的、全面的礦山模型，并且能顯示特別真實的礦山紋理，為地質(zhì)工作人員提供高精度的地理信息。無人機傾斜測量技術(shù)應(yīng)用過程中，主要涵蓋地面控制點測量、影像信息預(yù)處理、空三加密處理等環(huán)節(jié)。在數(shù)據(jù)處理過程中，工作人員可以利用配套軟件實現(xiàn)高效、自動化信息采集以及傳輸目的。

應(yīng)用該技術(shù)時，工作人員需要借助傾斜攝影系統(tǒng)完成測繪任務(wù)，而該技術(shù)在設(shè)備方面具有較高要求。特別是設(shè)備型號、鏡頭型號不同，其使用場景也有所不同，所以采購設(shè)備時，應(yīng)該針對性選擇鏡頭。在測繪實踐中，需要通過特定攝影手段獲取特定圖像，然而不論選擇何種手段，工作人員開展測量任務(wù)時，均應(yīng)該保證像素超出3500w，確保進行傾斜攝影時，能夠保證圖像精度。工作人員在長期工作中，應(yīng)該選擇不同標(biāo)準(zhǔn)控制像素，可以保證與技術(shù)發(fā)展相適應(yīng)，全面升級技術(shù)。開展測量工作時，要想保證飛機能夠長時間工作，應(yīng)該增加電池容量，為無人機提供充足的電能，另外還應(yīng)該確保無人機不會被附近環(huán)境中電磁所干擾，進而確保無人機飛行安全。工作人員應(yīng)該全面分析特定環(huán)境下的影響，保證無人機可以在惡劣環(huán)境中，開展1.5h以上的測量工作。同時工作人員在開展每次測量工作前，應(yīng)該檢測電池，為測量任務(wù)有序進行提供良好保障，另外，還應(yīng)該定期開展無人機、攝像頭等設(shè)備維保工作，以有效保障該技術(shù)的設(shè)備質(zhì)量，進而高效完成下次測量任務(wù)。

1.2 無人機傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用價值

在礦山深部及外圍地質(zhì)情況勘查中采用無人機傾斜攝影技術(shù)能夠提高工作效率，節(jié)約項目成本。利用無人機傾斜攝影技術(shù)完成多角度測量工作，能夠充分滿足工作人員的勘查測繪需求，同時，還可以大大減少整體勘查測繪次數(shù)，提高工作效率。傳統(tǒng)的礦山地質(zhì)勘查工作，需要多人去野外作業(yè)現(xiàn)場進行勘查并進行數(shù)據(jù)采集，由于野外環(huán)境艱苦，工作時間較長，效率不高。隨著無人機攝影技術(shù)的發(fā)展，無人機數(shù)據(jù)采集和處理的自動化水平日漸提高，它利用前沿的計算機技術(shù)和無人機技術(shù)可以快速高效地完成傳統(tǒng)野外測繪工作以及復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理、3D建模工作，大大減少了人力資源的投入，工作效率也得到了很大程度的提升。同時，還能大大減少了雷雨等不良氣候?qū)ぷ鬟M度的影響，降低野外因為環(huán)境惡劣造成工作人員安全事故的概率，保證項目安全、保質(zhì)、保量地完成。因此，無人機傾斜攝影技術(shù)在礦山深部及外圍地質(zhì)情況勘查具有很高的應(yīng)用價值。

傾斜攝影測量技術(shù)一般安裝一個垂直和多個傾斜攝像頭進行影像采集，能夠從不同角度采集全方位高清晰影像，從而恢復(fù)真實的地物地貌情況，并能夠清晰、完整地將被測目標(biāo)紋路展現(xiàn)出來，進而為工作人員全面分析地物地貌和地質(zhì)結(jié)構(gòu)提供良好參考依據(jù)。另外，開展數(shù)據(jù)處理工作時，與傳統(tǒng)測繪方法相比更加立體、直觀，充分克服傳統(tǒng)測量手段局限性。采用該技術(shù)之后，拍攝的單張圖像中具有大量礦山信息，不僅能夠以宏觀層面分析礦山，另外，還能夠以局部層面為切入點，分析礦山，對礦山具體狀況與信息進行全面掌握，將傳統(tǒng)測繪方法中一些局限性問題全面消除掉。

2 礦山實景3D模型建立方法及流程

建立真實的3D實景模型可以對礦山場景進行真實還原，與傳統(tǒng)的人工建模方法相比，利用無人機傾斜技術(shù)建立三維實景模型更加自動化，工作效率更高，地理信息更加精確，紋理也更加真實。礦山實景3D模型建立流程見下圖。

圖1 礦山實景3D模型建立流程

（1）數(shù)據(jù)獲取。利用無人機和GPS進行數(shù)據(jù)采集獲取影像和控制點數(shù)據(jù)并進行預(yù)處理，按照軟件要求整理相機參數(shù)、控制點以及POS數(shù)據(jù)，檢查和篩選航片，刪除模糊、畸變等不能用的影像，如果發(fā)現(xiàn)測區(qū)有漏洞、漏片或航帶上連續(xù)出現(xiàn)對焦不準(zhǔn)的航片，無法通過其他視角鏡頭獲取的影像進行補充時，及時回饋給外業(yè)人員，進行補飛，并做好補飛記錄。

（2）新建工程。利用ContextCapture等建模軟件建立工程，確定工程路徑、JOB路徑等信息。

（3）相對定向。將預(yù)處理后的相機參數(shù)、影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中進行多視角影像特征點密集匹配，并以此進行區(qū)域網(wǎng)的自由網(wǎng)多視影像聯(lián)合約束平差解算，建立在空間尺度可以適度自由變形的立體模型，完成相對定向。

（4）絕對定向。量測控制點并再次進行平差，將相對定向后的模型納入到地面坐標(biāo)系統(tǒng)中，完成模型的絕對定向。

（5）三維重建。設(shè)置三維重建參數(shù)，提交任務(wù)后軟件自動進行礦山3D實景模型建立及紋理映射。

（6）模型修飾。重建礦山模型后，利用DP-Modeler等軟件對模型進行三角網(wǎng)及紋理裁剪，獲取三維幾何形狀、紋理，通過漏洞填充、紋理修復(fù)等得到精細化的礦山實景3D模型。

3 無人機3D實景建模技術(shù)應(yīng)用價值分析

3.1 可以采集多角度信息

基于傳統(tǒng)攝影條件，勘查人員主要是采集垂直攝影信息，但是對于其他角度信息并不能夠充分獲取，進而開展地物測算工作時，無法借助1個角度圖像對地物進行全面了解。然而無人機傾斜攝影技術(shù)能夠保證此類缺陷得到充分彌補，其能夠采集不同角度的地物信息，進而基于3D實景模型構(gòu)建前提下，為測量工作順利開展提供良好保障，有效強化測量質(zhì)量。

3.2 具有較高的成像清晰度

采用無人機傾斜攝影技術(shù)開展航測工作時，因為安裝多攝像頭裝置，所以可以實現(xiàn)高清攝影，同時能夠?qū)崿F(xiàn)不同角度攝影目的，進而能夠?qū)⒈粶y對象紋路清晰、完整地呈現(xiàn)出來。同時，進行無人機傾斜攝影過程中，在被測地物附近環(huán)境方面也能夠清晰呈現(xiàn)，可以為勘查人員提供全面的信息參考[2]。

3.3 可以高度還原被測對象

還原被測對象時，一般需要根據(jù)相應(yīng)步驟展開規(guī)范施工，可以為后續(xù)項目穩(wěn)步跟進提供良好指導(dǎo)。另外，通過各種角度的信息能夠為被測對象的還原提供保障，進而提高被測對象還原質(zhì)量。

4 應(yīng)用實例

4.1 無人機傾斜攝影系統(tǒng)

本次選擇大疆M300無人機搭載睿鉑DG35傾斜相機進行數(shù)據(jù)采集，飛行時長為45min。航攝儀參數(shù)如下：總像素為1.2億；曝光間隔最小值為0.8s；側(cè)視鏡的傾斜角為45°；像元大小為3.9um；正射相機焦距為28mm；傾斜相機焦距40mm；傳感器尺寸為23.5＊15.6mm。

4.2 測區(qū)概況與成圖要求

測區(qū)為多邊形，測區(qū)面積在0.6K㎡左右。海拔高度在30m～99m范圍內(nèi)，地形主要以丘陵形式為主，沒有高大建筑物以及高山，飛行空域比較好。對于測圖比例尺，要求為1：1000，平面部位的中誤差控制在±0.6m內(nèi)，等高線插點的中誤差要求控制在±0.5m內(nèi)，等高距要求為1m。

4.3 像片進行測量控制

在地面紋理特征比較明顯的地物處、方便現(xiàn)場查找的特征點的區(qū)域布設(shè)像控點。布設(shè)原則如下：

（1）在選擇像控點時，應(yīng)充分考慮布點要求，將像控點的布設(shè)與布點方案結(jié)合在一起，選擇地形測量對天通視良好且可以明確辨認的地物點和目標(biāo)點；

（2）布設(shè)的標(biāo)志應(yīng)對空視角好，避免被建筑物、樹木等地物遮擋；

（3）黑白反差不大，地物有陰影以及某些弧形地物不應(yīng)作為控制點點位目標(biāo)；

（4）像控點距相片邊緣不小于1.5cm。

像控點的選取還需滿足以下兩個標(biāo)準(zhǔn)：

①像控點應(yīng)盡量布設(shè)在航向旁向重疊的公共區(qū)域使控制點能夠公用；②控制點應(yīng)選在旁向重疊中線附近，離開中線的距離不應(yīng)大于3cm，當(dāng)旁向重疊過大或過小而不能滿足要求時，應(yīng)分別布點。

此次控制點選擇區(qū)域網(wǎng)布點手段，像控點根據(jù)400m～500m距離進行像控點布設(shè)，共布設(shè)12個控制點。像控施測選擇網(wǎng)絡(luò)RTK測量手段，對于各個控制點，觀測次數(shù)為2次，兩次觀測結(jié)果取平均值作為該像控點測量最終成果。平面坐標(biāo)系選擇2000國家大地坐標(biāo)系，高程基準(zhǔn)選擇1985國家基準(zhǔn)要求。借助檢查與計算，分析高程中誤差與平面中誤差，保證相關(guān)參數(shù)滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求[3]。

4.4 無人機航飛攝影

本次選擇大疆M300無人機搭載睿鉑DG35傾斜相機進行航飛攝影，基礎(chǔ)背景圖選擇谷歌影像信息，對勘查區(qū)域范圍進行確定，地面分辨率要求為0.05m,根據(jù)地面分辨率及周圍環(huán)境設(shè)計航高為360m，旁向與航向重疊度分別為70%、80%。

4.5 制作實景3D模型

現(xiàn)階段，實景3D模型軟件主要有DP-smart、PhotoMesh、ContextCapture、StreetFactory、Pix4Dmapper、Smart 3D軟件等。這些軟件以GPU為基礎(chǔ)可以對3D場景進行快速運算，并不需要人工干預(yù)即能夠借助連續(xù)、簡單的影像制作實景3D場景模型。

4.6 礦山的地形要素

此次礦山要素采集選擇EPS測圖軟件，以此為基礎(chǔ)的DLG數(shù)據(jù)采集工作選擇2D、3D一體化方式，可以促使測量外業(yè)活動實現(xiàn)內(nèi)業(yè)化發(fā)展，2D與3D符號相同，2D與3D編輯聯(lián)動，簡易、快速。

在該測區(qū)中，地形地貌是主要礦山地物，同時涵蓋少量房屋、水系與道路構(gòu)筑物，因此對于地形要素較為注重。借助EPS軟件對實景3D模型的osgb格式進行加載，并不需要采用立體眼鏡進行處理，可以在實景3D模型中直接采集地形要素。

5 精度分析

選擇ContextCapture軟件和Pix4D mapper分別建設(shè)3D模型進行對比分析。

（1）模型精度。①選擇ContextCapture軟件。進行空三結(jié)算、自動匹配特征點，借助電腦集群化開展3D建模處理，利用實測檢查點統(tǒng)計分析模型位置精度：高程中誤差為±0.067m，平面中誤差為±0.051m。②Pix4D mapper軟件，進行空三計算、自動匹配特征點，借助單電腦開展3D建模處理，利用實測檢查點統(tǒng)計分析模型位置精度：高程中誤差為±0.603m，平面中誤差為±0.582m。對比發(fā)現(xiàn)ContextCapture軟件的3D模型精度更高。

（2）紋理分析。借助對比山體、典型建筑紋理的各種軟件精度進行對比。對于建筑物模型來講，ContextCapture軟件可以更好地保持建筑物紋理，清晰地顯示建筑物棱角等細節(jié)信息。而Pix4D mapper軟件建立的3D模型，并不能夠清晰展示建筑物棱角等細節(jié)信息。對于植被模型與山體模型，ContextCapture可以更好地保護植被立體形狀，山體中土路紋理非常清晰。而Pix4D mapper軟件并不能夠顯示植被立體形狀，只能夠顯示植被陰影，山體土路紋理非常模糊。

（3）色彩分析。借助對比兩種軟件在山體植被、道路與典型建筑色彩方面的建模精度情況。對原始圖片和兩種軟件建立的模型色彩，對比發(fā)現(xiàn)，對于建筑模型來講，ContextCapture軟件建立的3D模型能夠更好地保持建筑物色彩，和原始圖片之間并無較大差異。Pix4D mapper軟件建立的3D模型，基本上可以保持建筑物的色調(diào)，然而并不能夠充分保持建筑細節(jié)色彩。對于山體植被以及道路模型來講，Pix4D mapper軟件與ContextCapture軟件都可以對原始影像色彩進行充分保持，然而相比于ContextCapture軟件，ContextCapture軟件保持效果更加突出。

6 結(jié)語

綜上所述，無人機3D實景建模技術(shù)成本低、效率高、精度高，在礦山深部及外圍地質(zhì)情況勘查中具有較高的應(yīng)用價值。本文介紹了礦山實景3D模型建立的方法及流程，并利用ContextCapture等軟件建立礦區(qū)實景3D模型，以模型紋理、色彩以及位置精度為基礎(chǔ)展開分析，希望為相關(guān)單位采用無人機傾斜技術(shù)開展礦山實景3D建模工作提供參考。