英配珣

近年來(lái)，信息化建設(shè)突飛猛進(jìn)，基礎(chǔ)地理信息空間數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。伴隨航空航天事業(yè)的快速發(fā)展，國(guó)民生產(chǎn)中越來(lái)越多環(huán)節(jié)逐漸利用攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)建設(shè)。我國(guó)基礎(chǔ)測(cè)繪十四五規(guī)劃中對(duì)于建設(shè)實(shí)景三維中國(guó)提出了明確要求，明確提出了建設(shè)“實(shí)景三維中國(guó)分兩步走”的戰(zhàn)略。攝影測(cè)量工作是獲取三維模型、開(kāi)展實(shí)景三維建設(shè)的重要內(nèi)容之一，傾斜攝影測(cè)量等新型勘測(cè)技術(shù)的出現(xiàn)，滿足了建設(shè)實(shí)景三維中國(guó)的技術(shù)需求。相比于航空攝影測(cè)量依賴(lài)于天氣條件以及作業(yè)范圍較大的特點(diǎn)，以無(wú)人駕駛飛機(jī)為空中遙感平臺(tái)的技術(shù)，解決了在較小區(qū)域進(jìn)行攝影測(cè)量的難題。當(dāng)前無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量已經(jīng)能夠滿足1：500、1：1000、1：2000等大比例尺地形圖精度要求，在地形圖測(cè)量中有著廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的測(cè)繪作業(yè)已逐漸被無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量所替代，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、測(cè)繪地理信息、防災(zāi)減災(zāi)、交通等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，其中最廣為應(yīng)用的技術(shù)為傾斜攝影測(cè)量技術(shù)。

礦山施工作業(yè)項(xiàng)目中不可或缺的一部分是礦山測(cè)量。礦山的測(cè)量工作是一項(xiàng)集地上與地下于一體的工程，不僅要服務(wù)于礦山的生產(chǎn)建設(shè)，而且要確保礦山的安全，確保社會(huì)的穩(wěn)定。因此，礦山測(cè)量在礦山開(kāi)采作業(yè)中承擔(dān)著重要責(zé)任、發(fā)揮著重要作用，在礦山開(kāi)采前、中、后都承擔(dān)著重要角色。由于礦山地形復(fù)雜，礦山測(cè)量過(guò)程中任何微小誤差或粗率都會(huì)對(duì)礦山開(kāi)采過(guò)程產(chǎn)生較大影響，因此需要高精度測(cè)量手段保證礦山開(kāi)采工作的有序進(jìn)行。

傳統(tǒng)的礦山測(cè)量方法主要利用全站儀等手段，采用傳統(tǒng)全站儀、RTK等測(cè)量方法進(jìn)行高精度測(cè)繪工作需要耗費(fèi)大量時(shí)間和人力，且需要攜帶大量沉重儀器，開(kāi)展測(cè)繪工作極不便利。隨著數(shù)字礦山概念的提出以及無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，礦山管理中對(duì)于空間三維信息也提出了更高要求，礦山測(cè)量要求外業(yè)作業(yè)速度快、測(cè)量精度高，三維可視化的測(cè)量模式正逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)測(cè)量方式，成為數(shù)字礦山的主要內(nèi)容之一。

研究背景

傾斜攝影測(cè)量是一種在國(guó)際上比較新穎的測(cè)量方法。在飛行過(guò)程中，無(wú)人機(jī)可以搭載多個(gè)傳感器，有一個(gè)正射角度和四個(gè)傾斜角度，在相機(jī)傾斜狀態(tài)下拍攝多個(gè)視角的實(shí)際地質(zhì)調(diào)查圖像，并以影像數(shù)據(jù)形式表現(xiàn)出來(lái)，與此同時(shí)無(wú)人機(jī)記錄下飛行時(shí)的點(diǎn)位信息。使用傾斜攝影技術(shù)，可以產(chǎn)生正射影像（DOM）、礦山三維模型、數(shù)字表面模型（DSM）這樣的可視化成果，從而捕捉到地面的相關(guān)真實(shí)信息，反映地表真實(shí)狀況，以便于解決后期礦山開(kāi)采中如何施工等技術(shù)問(wèn)題，避免測(cè)量人員到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量帶來(lái)的安全性問(wèn)題。無(wú)人機(jī)測(cè)繪具有數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確、結(jié)果三維可視化程度高、耗時(shí)少等優(yōu)點(diǎn)。露天礦環(huán)境復(fù)雜多變，新一代輕型、微型無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)上取得了突破性進(jìn)展，使無(wú)人機(jī)測(cè)繪工作內(nèi)外業(yè)實(shí)現(xiàn)常態(tài)化且能夠自主進(jìn)行。當(dāng)前，傾斜攝影測(cè)量在露天礦測(cè)繪中的應(yīng)用正逐步擴(kuò)大，其主要內(nèi)容包括：地面、土石方量測(cè)定、礦區(qū)以及植被覆蓋率的監(jiān)測(cè)、礦區(qū)危險(xiǎn)源的識(shí)別和景觀地貌的測(cè)量等，在測(cè)繪生產(chǎn)實(shí)踐中，傳統(tǒng)的測(cè)繪手段逐漸被傾斜攝影測(cè)量技術(shù)所取代，進(jìn)而被廣泛利用。

土石方量的計(jì)算在眾多領(lǐng)域生產(chǎn)建設(shè)中都有所涉及，其計(jì)算精確性關(guān)系著生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的準(zhǔn)確性，會(huì)直接影響到生產(chǎn)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。計(jì)算土石方量是為了量算測(cè)區(qū)填挖量或者計(jì)算測(cè)區(qū)內(nèi)填挖前后的土石方量差值，傳統(tǒng)工作中，通常采用斷面法、方格網(wǎng)法以及三角網(wǎng)法（也稱(chēng)作DTM法）這三種方法來(lái)確定土方量。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)計(jì)算土石方量的原理與三角網(wǎng)法相同，通過(guò)獲得高分辨率DSM來(lái)反映地表起伏特征，該方法普遍適用于各種地形地貌。

基于以上背景，應(yīng)北方某地區(qū)一礦產(chǎn)公司實(shí)際需求，同時(shí)結(jié)合礦山測(cè)量中三維數(shù)據(jù)更新需求，本研究以該地區(qū)一露天礦山為例，對(duì)其進(jìn)行了傾斜攝影測(cè)量，協(xié)助該公司核算工作量，利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)算土石方量。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量

無(wú)人機(jī)傾斜攝影關(guān)鍵技術(shù)

多視點(diǎn)聯(lián)合平差和多視點(diǎn)近距離匹配是傾斜攝影測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)。由于無(wú)人機(jī)飛行涉及多個(gè)視角，多視角圖像包含了垂直和傾斜圖像，甚至需要POS系統(tǒng)配合提供無(wú)人機(jī)相片外方位元素。傾斜影像一般由一個(gè)下視和多個(gè)側(cè)視影像組成，其空間位置精度較高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的單鏡頭航攝影像。像控點(diǎn)之間的跨度應(yīng)結(jié)合下視影像地面分辨率。

多視影像密集匹配可以在完全計(jì)算和消除多余信息的基礎(chǔ)上準(zhǔn)確快速地獲得同名點(diǎn)的坐標(biāo)，從而進(jìn)一步確定地表物體的三維信息。在多視影像密集匹配之后，圖像可以進(jìn)一步生成DSM，這需要使用基于幾何校正、平差等方法的點(diǎn)云算法。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量作業(yè)流程

影像獲取

起飛前，需要檢查飛機(jī)硬件是否正常以及電池電量是否充足；開(kāi)始作業(yè)前，需要勘察周邊測(cè)區(qū)的地形地貌以及航測(cè)范圍的起伏程度并進(jìn)行航線規(guī)劃。目前，航空攝影作業(yè)主要有兩種情況：無(wú)需控制點(diǎn)和需要控制點(diǎn)。如果不需要控制點(diǎn)，就可以在規(guī)定的范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)一條航線，進(jìn)行航拍操作。如果是需要的控制點(diǎn)，那么要把控制點(diǎn)均勻地布置在各個(gè)作業(yè)范圍內(nèi)。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量作業(yè)前，要充分考慮航測(cè)任務(wù)目的、施工作業(yè)周邊環(huán)境、執(zhí)行任務(wù)無(wú)人機(jī)性能、作業(yè)當(dāng)天氣候條件等因素，設(shè)置無(wú)人機(jī)航線相關(guān)參數(shù)，參數(shù)包括無(wú)人機(jī)飛行航高、拍攝掃描相片重疊度、無(wú)人機(jī)飛行任務(wù)起降點(diǎn)等，從而確定最佳的、具體的飛行航線。

布設(shè)像控點(diǎn)需要注意涵蓋測(cè)區(qū)各個(gè)方位，做到在測(cè)區(qū)內(nèi)均勻分布標(biāo)注清楚像控點(diǎn)，像控點(diǎn)選取要求做到視野開(kāi)闊、分布均勻，以確保無(wú)人機(jī)可以清晰拍攝。數(shù)據(jù)處理是無(wú)人機(jī)傾斜攝影的重要組成部分，其主要內(nèi)容為：影像預(yù)處理、高精度相機(jī)檢查、影像匹配、空中三角自動(dòng)測(cè)量、DSM/DEM自動(dòng)提取、DOM生成及拼接技術(shù)等。

作為一種搭載有測(cè)量設(shè)備的平臺(tái)，無(wú)人機(jī)還需要達(dá)到一定的技術(shù)指標(biāo)和相關(guān)參數(shù)要求，這就包括了無(wú)人飛行器的位置控制與精密定位技術(shù)兩個(gè)部分。通過(guò)無(wú)人飛行器的位置控制系統(tǒng)來(lái)調(diào)整其瞬時(shí)轉(zhuǎn)角、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角，其與描述相片空間姿態(tài)的要素相對(duì)應(yīng)；利用無(wú)人飛行器的精密定位技術(shù)，可獲取被測(cè)時(shí)刻的無(wú)人飛行器的瞬間空間位置。無(wú)人機(jī)與測(cè)繪儀器攝影中心在空間上的定位是比較固定的，能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單的空間位置轉(zhuǎn)換。

傾斜攝影測(cè)量對(duì)地物進(jìn)行信息采集，有著多角度、多方位的優(yōu)勢(shì)，從而能夠獲取更多三維信息。測(cè)區(qū)選好后組織人員在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)制作高精度檢查點(diǎn)標(biāo)識(shí)及采集檢查點(diǎn)坐標(biāo)，并計(jì)算測(cè)區(qū)范圍內(nèi)不同坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。為了保障露天礦山地表信息采集精度，一般來(lái)說(shuō)，裸露礦山因地物簡(jiǎn)單，需要對(duì)礦山附近地形進(jìn)行建模，航向重疊度為77%，旁向重疊度為47%。由于三維建模的需要，因此在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量對(duì)于影像分辨率、航線重疊度要求較高，以保證空間位置計(jì)算結(jié)果更加精確。對(duì)礦山中選定的某區(qū)域進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量后，對(duì)所獲得的數(shù)字影像進(jìn)行校正，借助空中三角測(cè)量處理軟件，對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在航空攝影中應(yīng)用最為廣泛的是空中三角解析法，對(duì)于空三加密基本定向點(diǎn)殘差限差的要求為傾斜影像分辨率的2倍，以此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)航空測(cè)量的影像進(jìn)行加密，并將二維的圖像轉(zhuǎn)換為三維密集點(diǎn)云。

測(cè)區(qū)為不規(guī)則多邊形，面積約1.2km2。在測(cè)區(qū)東側(cè)有近似均勻等高梯形田地，人工目測(cè)高差較大，礦區(qū)中部為生產(chǎn)堆積區(qū)域，右側(cè)為填方區(qū)域，生產(chǎn)堆積區(qū)域及填方區(qū)域后期需計(jì)算體積。作業(yè)時(shí)間正處在北方初春時(shí)節(jié)，風(fēng)沙較大，容易對(duì)無(wú)人機(jī)低空作業(yè)產(chǎn)生較大影響，尤其起風(fēng)后需對(duì)無(wú)人機(jī)采取較高等級(jí)防護(hù)措施。本露天礦測(cè)量項(xiàng)目的要求主要體現(xiàn)在：可交付成果為點(diǎn)云或DSM形式；精度要求為10cm；若生成DSM數(shù)據(jù)，需要每隔10cm布設(shè)一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集時(shí)間為1天，無(wú)人機(jī)航攝坐標(biāo)參考系為CTRF2000，投影坐標(biāo)系為CGCS2000，垂直參考基準(zhǔn)為大地橢球高。

項(xiàng)目研究使用飛馬多旋翼無(wú)人機(jī)D200，針對(duì)露天礦山的特殊地形及測(cè)繪作業(yè)環(huán)境進(jìn)行了設(shè)計(jì)，可搭載包括正射相機(jī)、傾斜相機(jī)、三維激光LiDAR等多種傳感器，同時(shí)可以適應(yīng)多地形飛行，以滿足礦山測(cè)繪的不同工作需求。本研究用該無(wú)人機(jī)搭載單鏡頭傾斜相機(jī)、機(jī)載LiDAR傳感器獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，驗(yàn)證其點(diǎn)位及高程精度，進(jìn)而將其應(yīng)用于露天礦土石方量的計(jì)算?？紤]到測(cè)區(qū)較小且并不完全規(guī)則，因此飛行作業(yè)采用外接矩形將測(cè)區(qū)包括在內(nèi)，以此降低航攝難度。

根據(jù)選定目標(biāo)區(qū)域，事先在測(cè)區(qū)內(nèi)布設(shè)足夠多的高精度檢查點(diǎn)，待飛行完成后，通過(guò)對(duì)比相應(yīng)檢查點(diǎn)及地物特征點(diǎn)的平面和高程差異評(píng)定無(wú)人機(jī)的航測(cè)精度。設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，航高設(shè)計(jì)90m，無(wú)人機(jī)可自動(dòng)進(jìn)行航線規(guī)劃。布設(shè)12條航線，呈多“井”字形，輸入點(diǎn)云密度或飛行高度以及無(wú)人機(jī)飛行速度，使用數(shù)據(jù)處理軟件自動(dòng)進(jìn)行點(diǎn)云處理。

飛行前作業(yè)人員做好目標(biāo)區(qū)域飛行可行性分析、地面基站準(zhǔn)備、飛行航線上傳、無(wú)人機(jī)通電等一系列準(zhǔn)備工作。作業(yè)人員遙控?zé)o人機(jī)起飛，在無(wú)人機(jī)飛行高度超過(guò)30m后，機(jī)載激光測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)獲取任務(wù)完成后操控?zé)o人機(jī)返航；在數(shù)據(jù)處理軟件中導(dǎo)入數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)軌跡解算，作業(yè)人員利用點(diǎn)云融合軟件進(jìn)行點(diǎn)云融合，生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)（.las文件）；依據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行三維建模，計(jì)算土方量。實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，需要對(duì)無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)測(cè)，以往出現(xiàn)意外發(fā)生事故。

基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的土石方量計(jì)算方法

為了測(cè)試基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的土石方量結(jié)果精確性，本文以實(shí)際作業(yè)中的無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量結(jié)果與全站儀外業(yè)測(cè)量結(jié)果做對(duì)比，比較精確程度。

內(nèi)業(yè)處理

根據(jù)一組傾斜影像可以自動(dòng)生成高分辨率三維模型，該模型能夠完整準(zhǔn)確反映出測(cè)區(qū)內(nèi)地形地物特征。對(duì)經(jīng)過(guò)圖像質(zhì)量檢驗(yàn)的照片進(jìn)行幾何影像匹配，從而獲取系數(shù)點(diǎn)云，然后利用相關(guān)算法對(duì)其進(jìn)行加密，形成密集點(diǎn)云。

對(duì)點(diǎn)云軌跡進(jìn)行解算，解算出點(diǎn)云的軌跡文件。進(jìn)行航帶渲染，如果大于限制則進(jìn)行航帶平差，直至航帶拼接處不存在明顯問(wèn)題?；谠键c(diǎn)云數(shù)據(jù)和軌跡文件計(jì)算輸出標(biāo)準(zhǔn)化點(diǎn)云成果。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分類(lèi)，保證地面點(diǎn)密度滿足規(guī)范要求，然后導(dǎo)出數(shù)字高程模型（DEM）。

土方量計(jì)算及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

土石方量計(jì)算一般需要兩方面數(shù)據(jù)：基準(zhǔn)地形數(shù)據(jù)和待測(cè)地形數(shù)據(jù)。其中，基準(zhǔn)地形數(shù)據(jù)是指挖方填方的基準(zhǔn)地形數(shù)據(jù)，這類(lèi)數(shù)據(jù)可以是點(diǎn)云數(shù)據(jù)，也可以DEM形成提供；待測(cè)地形數(shù)據(jù)就是等待計(jì)算土方量的新地形數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)呈現(xiàn)形式與基準(zhǔn)地形數(shù)據(jù)相同。土方量的計(jì)算在數(shù)據(jù)處理工具中有兩種：基于DEM成果進(jìn)行格網(wǎng)計(jì)算和基于點(diǎn)云構(gòu)建三角網(wǎng)進(jìn)行三角網(wǎng)計(jì)算。

使用3D Analyst工具一柵格表面一填挖方工具進(jìn)行土方量的計(jì)算。輸出柵格為最終提取出的開(kāi)挖量。同時(shí)，將全站儀外業(yè)測(cè)量的高程點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)出后確定原始面計(jì)算范圍并基于土石方計(jì)算范圍及填挖方土量。最終計(jì)算出的土石方量的對(duì)比結(jié)果，地塊面積約為1.2km2，基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的挖方量計(jì)算結(jié)果為52416.1m3，而基于全站儀外業(yè)測(cè)量所得的挖方量結(jié)果為52394.9m3，兩者相差21.2m3，

由計(jì)算結(jié)果分析可知，基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的土石方量計(jì)算和全站儀外業(yè)測(cè)量的土石方量計(jì)算精度差距很小?；跓o(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的土石方量外業(yè)1天時(shí)間即可完成，而基于全站儀測(cè)量的工作量長(zhǎng)達(dá)4天。在精度相當(dāng)?shù)那闆r下，基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的土石方量計(jì)算效率大大提高。

隨著礦區(qū)的不斷開(kāi)采，礦山遭遇著愈發(fā)嚴(yán)重的破壞，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量可以精確高效地測(cè)量出礦山被開(kāi)采量，獲取較為清晰的三維模型。通過(guò)對(duì)露天礦山進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量，可以獲得高精度的DEM和DOM等數(shù)據(jù)。對(duì)比無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量結(jié)果與傳統(tǒng)全站儀外業(yè)測(cè)量結(jié)果可知：

（1）無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量建模精度高，與正射影像相比可從多個(gè)方向觀察地物；

（2）可實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量區(qū)域高度、長(zhǎng)度、面積等多要素的測(cè)量，有效降低測(cè)量成本。

經(jīng)過(guò)地理信息數(shù)據(jù)處理軟件如ArcGIS等工具計(jì)算開(kāi)挖土方量，其可以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井開(kāi)采全過(guò)程的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，為礦井的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)以及管理提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。本研究將無(wú)人機(jī)傾斜成像技術(shù)應(yīng)用于露天礦探測(cè)中，與傳統(tǒng)測(cè)繪方式相比，這種新型測(cè)繪方式有著極大的優(yōu)勢(shì)。但為了跟上快速更新的無(wú)人機(jī)制造水平，電池的續(xù)航能力也值得引起重視，從而為新時(shí)代測(cè)繪工作貢獻(xiàn)出更大的作用。但無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量借助無(wú)人機(jī)飛行進(jìn)行測(cè)量，對(duì)天氣要求較高，大風(fēng)、陰雨天氣會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量精度，對(duì)于礦山地表覆蓋滿植被的情況下則失去作用，因此可采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量與激光雷達(dá)結(jié)合的方法，提高外業(yè)測(cè)量精度，為測(cè)繪事業(yè)做出更多貢獻(xiàn)。