作者簡介：溫曉東（1968—），男，本科，副高級-高級工程師， 研究方向?yàn)闇y繪工程（變形監(jiān)測、航測或管線探測等）。

摘要：礦產(chǎn)資源在我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有很大比重。礦區(qū)周邊地形條件復(fù)雜，準(zhǔn)確測量礦區(qū)地形可以保證礦產(chǎn)資源安全合理開采，傳統(tǒng)的礦山測量具有一定的危險(xiǎn)性。本項(xiàng)目采用高分辨率鏡頭無人機(jī)，結(jié)合傾斜攝影測量技術(shù)，在短時間內(nèi)獲得礦區(qū)多角度高分辨率圖像和特征面精細(xì)紋理信息，具有靈活性強(qiáng)、無場地約束等優(yōu)點(diǎn)。使用配備普通光學(xué)鏡頭的消費(fèi)級無人機(jī)，共收集918幅光學(xué)圖像作為原始數(shù)據(jù)。對其進(jìn)行預(yù)處理和建模，以生成研究區(qū)域的高精度、清晰紋理三維模型。經(jīng)空中三角網(wǎng)平差后，像元均方根為0.53，與實(shí)測值比較，平面坐標(biāo)中誤差±0.1 cm，最大誤差0.2 cm，高度中誤差±0.1 cm，最大誤差0.2 cm，模型平面坐標(biāo)中誤差±2.9 cm，最大誤差10.2 cm，高度中誤差±6.4 cm，結(jié)果表明，生產(chǎn)模型滿足相關(guān)規(guī)范要求，在危險(xiǎn)區(qū)域使用傾斜攝影測量可以提高測量人員的安全性。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影測量" 三維建模" 空中三角測量" 精度

中圖分類號：P231

Abstract： Mineral resources account for a large proportion in the development of China's national economy. The terrain conditions around the mining area are complex， and the accurate measurement of the terrain of the mining area can ensure the safe and reasonable exploitation of mineral resources. Traditional mining measurement has certain risks. This project adopts a UAV with high-resolution lenses to obtain multi-angle high-resolution images and the fine texture information of the feature surfaces of the mining area in a short period of time in combination with oblique photogrammetry technology， which has the advantages of strong flexibility and no site constraints. A total of 918 optical images are collected as raw data by using a consumer-grade drone equipped with ordinary optical lenses， and they are preprocessed and modeled to generate a high-precision and clearly-textured 3D model of the study area. After the adjustment of the aerial triangulation network， the root mean square of the pixels is 0.53. Compared with the measured values， the error in the plane coordinates is ±0.1cm with the maximum error 0.2cm， the error in height is ±0.1cm with the maximum error of 0.2cm， the error in the model plane coordinates is ± 2.9cm with the maximum error of 10.2cm， and the error in height is ±6.4cm. The results show that the production model meets relevant specifications， and that the use of oblique photogrammetry in hazardous areas can improve the safety of surveyors.

Key Words： Oblique photogrammetry; 3D modeling; Aerial triangulation; Accuracy

礦產(chǎn)資源為我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了巨大的幫助。高精度的礦山周邊地形測量可為礦區(qū)的科學(xué)規(guī)劃提供指導(dǎo)，使礦產(chǎn)資源得到合理開發(fā)。傳統(tǒng)礦山測量耗時長，工作量大，測量人員工作風(fēng)險(xiǎn)大[1]。三維激光掃描新技術(shù)成本高，實(shí)際應(yīng)用較少。無人機(jī)具有機(jī)動性高、成本低、無場地限制等優(yōu)點(diǎn)。傾斜攝影測量三維建模與礦山測量相結(jié)合，可以有效地解決礦山測繪中的棘手問題，為礦山周邊環(huán)境提供有效的信息和數(shù)據(jù)[2]。國外傾斜攝影測量的發(fā)展始于20世紀(jì)90年代。美國Pictometry公司是第一家研究傾斜攝影測量并設(shè)計(jì)EFS/POL系統(tǒng)的公司。近年來，傾斜攝影測量在國內(nèi)外取得了長足的發(fā)展。2012年提出的多視點(diǎn)立體視覺技術(shù)，生產(chǎn)了點(diǎn)誤差為1～3 cm的數(shù)字產(chǎn)品，用于監(jiān)測亞分米海岸侵蝕。一些應(yīng)用使用高分辨率衛(wèi)星圖像結(jié)合無人機(jī)圖像生成高分辨率3D模型，以恢復(fù)和再現(xiàn)歷史建筑。我國無人機(jī)傾斜攝影測量起步較晚，近年來，一些項(xiàng)目采用固定翼無人機(jī)對礦山儲量進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，計(jì)算出的礦山儲量相對誤差不超過5%，證明了無人機(jī)監(jiān)測的可靠性。一些項(xiàng)目將無人機(jī)航測技術(shù)與GPS-RTK測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得出無人機(jī)航測技術(shù)的測量結(jié)果能夠滿足要求，利用無人機(jī)采集的傾斜圖像制作的真實(shí)三維模型精度可靠，可以應(yīng)用于實(shí)際工程中[3]。

1 傾斜攝影測量及三維建模

1.1傾斜攝影測量技術(shù)原理

傾斜攝影測量技術(shù)是指在傳統(tǒng)攝影測量的基礎(chǔ)上，通過增加傳感器和增加視角，獲取更加完整、具體、完整的地形信息。傳統(tǒng)的單相機(jī)航測系統(tǒng)只能獲得垂直角度的正射影像，而無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)可以通過攜帶多個（最多五個）傾斜相機(jī)鏡頭獲得一組正射影像和四組傾斜影像，如圖1所示。采集并處理5組不同角度的圖像，提取地形的平面和高程紋理、顏色和遮擋關(guān)系等信息，建立高精度的三維模型[4]。傾斜攝影測量的幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示?？罩酗w行方向用箭頭表示，相機(jī)傾斜角為a，符號b表示相機(jī)視角，無人機(jī)飛行高度為h，多視點(diǎn)傾斜圖像中無人機(jī)與相應(yīng)特征之間水平距離的最大值和最小值分別用符號D和d表示。

1.2傾斜攝影測量建模相關(guān)技術(shù)

1.2.1無人機(jī)傾斜攝影測量系統(tǒng)

傾斜攝影測量系統(tǒng)由GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和傾斜相機(jī)系統(tǒng)組成。GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)可獲取地理坐標(biāo)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可獲取鏡頭曝光瞬間的姿態(tài)角，傾斜攝影測量系統(tǒng)可獲取五個不同方向的地物圖像[5]。

1.2.2 圖像匹配

圖像匹配是通過特征值提取在圖像中的同名點(diǎn)之間建立連接的過程。主要的兩種算法是SIFT和ASIF。無人機(jī)傾斜攝影測量過程中圖像匹配的基本步驟大致分為三個步驟：首先，篩選待匹配的圖像對，提取圖像的特征值；其次，對圖像對進(jìn)行粗匹配，得到初始同名點(diǎn)對；最后，在第二步的基礎(chǔ)上進(jìn)行精確匹配，同時在第二步中刪除誤匹配點(diǎn)。這一過程在許多文獻(xiàn)中稱為金字塔圖像匹配。

1.2.3傾斜多視點(diǎn)圖像塊組合調(diào)整

在傾斜攝影測量數(shù)據(jù)處理中，幾何校正和圖像間錯位關(guān)系的正確識別是一個難點(diǎn)，為了保證圖像中同名點(diǎn)的匹配精度和定位精度，從POS數(shù)據(jù)信息中選取傾斜圖像的外方位元素，采用最小二乘匹配法，采用同名匹配文件法和束塊組合平差法解決了這一問題。

1.2.4紋理映射

模型紋理的精細(xì)度是評價(jià)三維模型質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)之一。傳統(tǒng)的三維建模大多是在模型建立后利用現(xiàn)場照片對模型表面進(jìn)行映射，增加了額外的工作量。傾斜攝影測量采集的原始數(shù)據(jù)具有紋理信息，因此只需將圖像中的紋理對應(yīng)到模型中，即建立圖像中二維空間與三維空間的對應(yīng)關(guān)系。此過程稱為紋理貼圖。

2 礦區(qū)傾斜攝影測量三維建模實(shí)例

2.1數(shù)據(jù)來源

所選試驗(yàn)區(qū)為廣西壯族自治區(qū)東興市坦坦村附近的露天礦，如圖3所示。選定的建模區(qū)域長500 m，寬400 m，高差約160 m。地形起伏較大可以直觀地驗(yàn)證建模質(zhì)量。使用DJI Phantom 4 Pro拍攝918張傾斜攝影照片（分為兩組，每組459張），相機(jī)型號為SONY ILCE-6000，鏡頭為E 20 mm，F(xiàn) 2.8，圖像尺寸為6000×4000，傳感器尺寸為23.5 mm，空間參考系為WGS-84。

2.2數(shù)據(jù)處理

首先，在研究區(qū)域內(nèi)人工布設(shè)圖像控制點(diǎn)，測量圖像控制點(diǎn)坐標(biāo)（確保精度）；航線規(guī)劃完成后，飛行高度、側(cè)重疊、前重疊參數(shù)設(shè)置正確。檢查并糾正圖像，刪除不合格圖像。其次，進(jìn)行空中三角測量獲取生產(chǎn)前數(shù)據(jù)，進(jìn)行空中三角測量獲取生產(chǎn)前數(shù)據(jù)，然后對圖像控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像匹配校正和圖像關(guān)聯(lián)[6]。最后，得到帶坐標(biāo)的三維模型。獲得初步模型后，需要借助軟件對生產(chǎn)結(jié)果與實(shí)際不符的零件進(jìn)行修復(fù)，然后返回地圖獲取彩色三維模型數(shù)據(jù)。

2.3三維建模結(jié)果

利用高分辨率光學(xué)影像生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立研究區(qū)三維模型，如圖4所示。所建立的模型能夠充分獲取礦區(qū)周邊環(huán)境的真實(shí)場景，準(zhǔn)確獲取礦區(qū)的

空間位置、幾何形狀和地質(zhì)特征，為礦區(qū)的合理開采提供重要參數(shù)。

3 精度分析

本文從三維模型成果、空中三角測量精度和模型精度三個方面對傾斜攝影測量技術(shù)建立的露天礦三維模型進(jìn)行了精度分析。

3.1礦山建模結(jié)果

山體模型整體外觀形狀起伏，顯著誤差的數(shù)量非常小，與真實(shí)三維世界的山體結(jié)構(gòu)一致。模型整體無空洞，無多余碎片，無懸塊，符合自然現(xiàn)象。在局部細(xì)節(jié)中，道路的曲率完全相同，可以高亮顯示真實(shí)三維世界中地面上的石頭，而不是將其視為平面。由此可以看出，三維模型在空間形狀上與真實(shí)世界是一致的，如圖5所示。從紋理顏色來看，模型顏色稍厚，整體畫面更清晰，但與現(xiàn)實(shí)世界基本一致，變化不大。礦山細(xì)節(jié)不容忽視，無論是山體一側(cè)的巖層，還是底部坑道的地面劃痕，都能充分表現(xiàn)出來。結(jié)果表明，所建立的露天礦三維模型能夠清晰、完整地表達(dá)該區(qū)域的真實(shí)結(jié)構(gòu)，精度較高。

3.2空中三角測量精度評定

3.2.1 像素精度評估

影像元素的均方根可以用來評價(jià)航空三角網(wǎng)聯(lián)合平差的效果。本實(shí)驗(yàn)所研究區(qū)域的圖像控制點(diǎn)調(diào)整后均方根為0.53個像素，不超過規(guī)定的0.6個像素，滿足要求。

3.2.2影像控制點(diǎn)的精度評定

航空三角網(wǎng)聯(lián)合平差后改變影像控制點(diǎn)坐標(biāo)值，并根據(jù)原外測平面和高程誤差值計(jì)算誤差進(jìn)行比較，以檢驗(yàn)其準(zhǔn)確性。平面坐標(biāo)中誤差±0.3 mm，最大誤差1.1 mm；高度的均方誤差為±1.0 mm，最大誤差為1.1 mm，滿足要求。

3.3模型精度評估

3.3.1平面精度評定

提取模型中的檢測點(diǎn)數(shù)據(jù)，并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。通過計(jì)算X、Y、Z方向的殘差來評價(jià)模型的精度。該區(qū)域內(nèi)統(tǒng)計(jì)檢查點(diǎn)在X方向上的最大誤差為5.6 cm，均方誤差為±5.0 cm；Y方向上的最大誤差為8.6 cm，均方誤差為±5.0 cm，本實(shí)驗(yàn)生成的三維模型上各點(diǎn)的平面精度滿足相關(guān)規(guī)范的精度要求。

3.3.2模型高程精度

在工業(yè)中，均方誤差是進(jìn)行高程精度評定的一個重要指標(biāo)。不同尺度、不同地形（平地、丘陵、山地、高原）對高程誤差的要求也不同。本次試驗(yàn)檢查點(diǎn)Z向最大誤差為8.6 cm，均方誤差為±6.4 cm，由表4可知高程精度滿足要求。綜上所述，經(jīng)空中三角測量和測量平差后，像元均方根為0.53個像元。與實(shí)測值比較，平面坐標(biāo)中誤差±0.1 cm，最大誤差0.2 cm；高度中誤差±0.1 cm，最大誤差0.2 cm；模型平面坐標(biāo)中誤差±2.9 cm，最大誤差10.2 cm；高度中誤差±6.4 cm，結(jié)果表明，傾斜攝影測量三維建模精度高，精度分布均勻，其精度完全符合行業(yè)參考規(guī)范。

4 結(jié)論

本文通過對傾斜攝影測量和三維建模的研究，得到了精度高達(dá)厘米級的礦山三維模型。驗(yàn)證了傾斜攝影測量三維建模與礦山測繪相結(jié)合的可行性，得出以下結(jié)論。（1）無人機(jī)傾斜攝影測量三維建模滿足礦山地表測繪需求，模型精度滿足相關(guān)規(guī)范要求。（2） 無人機(jī)遙感技術(shù)可以解決復(fù)雜地形條件限制下的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查問題。通過建立測區(qū)的高分辨率三維模型，可以提高工作效率，降低野外工作強(qiáng)度和風(fēng)險(xiǎn)。（3） 建模對源數(shù)據(jù)有很高的要求。圖像需要有良好的紋理才能得到更好的識別，同色調(diào)、鏡面和光滑的表面處理都較差，必須進(jìn)行后處理和修復(fù)。建模時，由于建筑物底部或側(cè)面的遮擋，特征點(diǎn)提取不足，模型會扭曲甚至為空。

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