基于無人機(jī)傾斜攝影的露天礦邊坡三維重建

王 果，蔣瑞波，肖海紅，張 迪

(1. 河南工程學(xué)院土木工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2．煤化工資源綜合利用與污染治理河南省工程實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 451191)

基于無人機(jī)傾斜攝影的露天礦邊坡三維重建

王 果1,2，蔣瑞波1,2，肖海紅1,2，張 迪1,2

(1. 河南工程學(xué)院土木工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2．煤化工資源綜合利用與污染治理河南省工程實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 451191)

露天礦邊坡幾何形狀由于自然條件以及采礦工藝的影響具有復(fù)雜性，傳統(tǒng)的測繪方式難以進(jìn)行全面描述。提出一種基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的全自動(dòng)露天礦邊坡三維重建方法，利用無人機(jī)搭載的數(shù)碼相機(jī)獲取礦區(qū)序列傾斜影像，通過特征提取、空三測量、多視影像密集匹配，構(gòu)建不規(guī)則三角格網(wǎng)和紋理映射，自動(dòng)重建出露天礦邊坡三維模型。選取三門峽澠池某鋁礦進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，重建的三維模型可全面表達(dá)露天礦邊坡整體形態(tài)和保持局部細(xì)節(jié)特征，而且具備高效低成本等特點(diǎn)，在露天礦三維地形滑坡動(dòng)態(tài)監(jiān)測和災(zāi)害分析方面具有重要意義。

無人機(jī)傾斜攝影；露天礦；三維重建；紋理映射

伴隨露天礦的不斷開采，露天礦邊坡的高度會(huì)不斷增加，由于邊坡的穩(wěn)定性問題，可能造成邊坡坍塌等工程事故，給安全生產(chǎn)帶來隱患，對(duì)礦區(qū)人員和設(shè)備的安全造成威脅[1]。因此，快速獲取露天礦邊坡的動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過邊坡發(fā)育機(jī)理研究和變化趨勢預(yù)測，建立邊坡工程預(yù)防措施，對(duì)礦區(qū)的安全生產(chǎn)具有重要的意義[2]。

常見的邊坡數(shù)據(jù)獲取手段主要有以下幾種方法：①利用全站儀、GNSS進(jìn)行單點(diǎn)式數(shù)據(jù)獲取，此類方法精度高易于連續(xù)觀測，但由于布設(shè)的監(jiān)測點(diǎn)位分散，難以對(duì)露天礦邊坡進(jìn)行全面描述；②利用D-INSAR技術(shù)獲取邊坡形變信息，但星載合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)一測區(qū)存在較長的重訪周期，難以根據(jù)需要的時(shí)間分辨率對(duì)監(jiān)測區(qū)域?qū)崿F(xiàn)連續(xù)監(jiān)測[3-4]；③利用近景攝影測量方法獲取邊坡形變信息，該類方法能夠節(jié)省人力物力，獲取大量觀測點(diǎn)的空間位置，但在露天礦邊坡圖像獲取時(shí)，由于礦區(qū)地形條件復(fù)雜，通常拍攝距離較遠(yuǎn)，難以獲得良好的重建效果[5]；④利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)邊坡進(jìn)行三維重建，該類方法能完成三維數(shù)據(jù)的快速獲取，在此基礎(chǔ)上，需要對(duì)深度圖像分割、標(biāo)志點(diǎn)匹配、濾波簡化、點(diǎn)云拼接等步驟，存在以下缺點(diǎn)：一方面三維激光掃描設(shè)備價(jià)格昂貴，而且后續(xù)處理過程復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度仍較低[6-10]。

作為一種新興的三維數(shù)據(jù)獲取方法，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)將無人機(jī)技術(shù)與傾斜攝影技術(shù)有效結(jié)合，通過無人機(jī)搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從垂直和多個(gè)傾斜角度獲取影像，突破傳統(tǒng)航測從垂直角度拍攝的局限[11]，具備生產(chǎn)周期短、高效率、高精度、低成本等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被應(yīng)用于三維城市建模[12]、特高壓輸電線路路徑優(yōu)化[13]、應(yīng)急救災(zāi)等領(lǐng)域。本文利用無人機(jī)搭載的數(shù)碼相機(jī)獲取礦區(qū)序列影像，以三門峽澠池某鋁礦為研究區(qū)域，對(duì)露天礦邊坡數(shù)據(jù)獲取和構(gòu)建方法進(jìn)行深入研究。

1 基于無人機(jī)傾斜攝影的露天礦邊坡重建

受時(shí)空分辨率、外界環(huán)境、飛行場地要求及使用成本的影響，衛(wèi)星遙感和載人航空攝影測量手段，難以滿足地理空間數(shù)據(jù)獲取的需求。伴隨著自動(dòng)控制工程和材料領(lǐng)域的發(fā)展，低空無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)遙感具備實(shí)施性強(qiáng)、成本低、機(jī)動(dòng)靈活、幾乎不受場地限制等有優(yōu)勢，成為快速獲得地理數(shù)據(jù)的有效平臺(tái)[14]。通過無人機(jī)搭載多臺(tái)傾斜攝影傳感器，從垂直和多個(gè)傾斜角度同時(shí)獲取影像，突破傳統(tǒng)航測從垂直角度拍攝的局限[15]，更有利于露天礦邊坡紋理數(shù)據(jù)獲取。

主要包括以下步驟：邊坡影像數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、邊坡三維模型構(gòu)建等步驟，整個(gè)流程如圖1所示。

圖1 露天礦邊坡三維重建流程

1.1 邊坡數(shù)據(jù)采集

包括邊坡周邊實(shí)地踏勘、航線規(guī)劃和數(shù)據(jù)采集，通過實(shí)地踏勘，了解邊坡周圍的布局，周圍地物的高度，以Google Earth下載的影像為底圖，按照以下步驟生成航線：①測區(qū)繪制；②飛行參數(shù)輸入；③產(chǎn)生航點(diǎn)數(shù)據(jù)[16]。然后將規(guī)劃的航線上傳至無人機(jī)飛控系統(tǒng)，進(jìn)行航飛完成邊坡數(shù)據(jù)采集。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于相機(jī)在飛行器起飛前已經(jīng)處于工作狀態(tài)，飛控獲得的定位定姿(POS)數(shù)據(jù)數(shù)量會(huì)少于影像數(shù)量，因此需要根據(jù)規(guī)劃的航線對(duì)飛控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行整理，另一方面，受偏向風(fēng)干擾，會(huì)存在影像重疊率不規(guī)則、影像畸變差較大、影像對(duì)比度不相同等現(xiàn)象，需要對(duì)影像的數(shù)量、清晰度、色彩反差、色調(diào)和層次的豐富性進(jìn)行檢查。

1.3 邊坡三維模型構(gòu)建

在數(shù)據(jù)預(yù)處理的基礎(chǔ)上，對(duì)影像利用SIFT(Scale Invariant Feature Transformation)算法進(jìn)行特征提取，按照式(1)進(jìn)行光束法聯(lián)合空三測量，得到經(jīng)過優(yōu)化的高精度外方位元素和消除畸變后的影像，用于后續(xù)邊坡三維模型創(chuàng)建和紋理提取，整個(gè)流程如圖2所示。

(1)

圖2 聯(lián)合空中三角測量流程圖

通過多基元、多視密集影像匹配進(jìn)行立體像對(duì)創(chuàng)建，將規(guī)則格網(wǎng)劃分后的空間平面作為基礎(chǔ)，綜合利用像方特征點(diǎn)和物方面元，以及多視影像上的成像信息和特征信息，采用參考影像不固定的匹配策略，對(duì)無人機(jī)采集的多視影像進(jìn)行密集匹配[17]，利用并行算法快速準(zhǔn)確獲得多視影像同名點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而獲取高密度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)并生成DSM，最后通過紋理映射得到全要素三維模型。

2 露天礦邊坡三維重建試驗(yàn)

2.1 模型重建試驗(yàn)

選取三門峽澠池某露天鋁礦為試驗(yàn)區(qū)，如圖3所示，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)地貌特征明顯，環(huán)境較為復(fù)雜，采用6軸固定翼無人機(jī)飛行平臺(tái)，搭載增穩(wěn)平臺(tái)和五鏡頭傾斜相機(jī)(傳感器尺寸13.2mm×8.8mm，相機(jī)焦距為10.4mm)，如圖4所示，為了保證數(shù)據(jù)采集的完整性，設(shè)計(jì)相對(duì)航高為90m，布設(shè)4條航線，航向重疊度80%，旁向重疊度80%，水平飛行速度6m/s,前后左右正射五個(gè)相機(jī)共獲得805張影像，影像尺寸為5472像素×3678像素，傾斜影像平均地面分辨率為2.08cm，通過多視影像密集匹配生成的密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)和數(shù)字表面模型分別如圖5和圖6所示。

圖3 研究區(qū)域空間位置

圖4 六軸無人機(jī)傾斜攝影平臺(tái)數(shù)據(jù)獲取

圖5 試驗(yàn)區(qū)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖6 試驗(yàn)區(qū)數(shù)字地表模型

圖7所示為經(jīng)過紋理映射后的真三維試驗(yàn)區(qū)邊坡三維模型，為了得到邊坡建模效果的局部細(xì)節(jié)信息，將圖7中區(qū)域進(jìn)行放大顯示，如圖8所示。

圖7 試驗(yàn)區(qū)真三維模型

圖8 試驗(yàn)區(qū)重建效果局部放大

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

從圖7和圖8可以看出，重建出的露天礦邊坡三維模型可以形象、直觀地表達(dá)露天礦邊坡區(qū)域的地貌特征，不僅模型完整，而且細(xì)節(jié)層次清晰。為了定量評(píng)估重建模型誤差，事先利用白灰在試驗(yàn)區(qū)周圍地勢相對(duì)平坦地方均勻布設(shè)12個(gè)“十字型”精度檢驗(yàn)標(biāo)志，布設(shè)的標(biāo)志如圖9所示，并用GPS-RTK對(duì)標(biāo)志中心進(jìn)行坐標(biāo)采集，將重建三維模型上獲取的對(duì)應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與RTK采集的坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)分析，對(duì)比結(jié)果如表1所示。

圖9 “十字型”精度檢驗(yàn)標(biāo)志布設(shè)

表1 精度檢驗(yàn)標(biāo)志坐標(biāo)對(duì)比表(單位：m)

從表1比較結(jié)果可以看出，X方向最大相差7.43 cm，平均相差8.7 mm；Y方向最大相差6.74 cm，平均相差8.6 mm；Z方向最大相差9.24 cm，平均相差4.82 cm。由此可見，通過無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行露天礦邊坡重建技術(shù)是可行的，可以通過在重建的三維模型上進(jìn)行量測，獲取滑坡區(qū)域的長度、寬度、體積、坡度等信息，完成滑坡災(zāi)害的定量評(píng)估，對(duì)于精細(xì)識(shí)別和解譯滑坡、開展邊坡監(jiān)測預(yù)警及針對(duì)性的防治預(yù)案制定具有重要指導(dǎo)意義。

3 結(jié) 論

針對(duì)露天礦邊坡幾何形狀由于自然條件以及采礦工藝的影響具有復(fù)雜性，傳統(tǒng)的測繪方式難以進(jìn)行全面描述這一客觀事實(shí)，以及露天礦邊坡穩(wěn)定性研究需要，提出利用無人機(jī)傾斜攝影方法進(jìn)行露天礦邊坡三維重建方法，通過六旋翼無人機(jī)獲取露天礦邊坡區(qū)域高分辨率傾斜影像，利用影像三維重建以及紋理關(guān)聯(lián)，對(duì)三門峽鋁礦邊坡進(jìn)行三維模型構(gòu)建試驗(yàn)，驗(yàn)證了基于無人機(jī)傾斜攝影的露天礦邊坡三維建模技術(shù)的可行性，為露天礦三維地形滑坡動(dòng)態(tài)監(jiān)測、災(zāi)害分析、預(yù)測提供可靠的三維模型數(shù)據(jù)支持。

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Research on slope reconstruction technique based on UAV oblique photogrammetry

WANG Guo1,2，JIANG Ruibo1,2，XIAO Haihong1,2，ZHANG Di1,2
(1. Institute of Civil Engineering, Henan Institute of Engineering, Zhengzhou 451191, China; 2. Engineering Laboratory of Comprehensive Coal Resource Utilization and Pollution Control in Henan Province，Zhengzhou 451191, China)

Because of the complex natural condition and the difference of mining technology, the traditional surveying methods are difficult to describe the geometry of open-pit slope in a comprehensive way. A fully automatic open-pit slope reconstruction in three dimension based on UAV oblique camera technique is proposed. Unmanned aerial vehicle equipped with digital oblique cameras is used for image sequence acquisition in open-pit area, through feature extraction, aerial triangulation, dense matching, 3D point cloud are generated, and then through irregular triangular gridding and texture mapping, 3D model of open-pit slope are reconstructed automatically. An open-pit slope of aluminum mine in Sanmenxia Mianchi city is selected for experiment, the results show that the reconstructed 3D model can not only fully express the overall shape of open-pit slope but also maintain local features, with the characteristics of high efficiency and low cost. It is an important significance in the field of three-dimensional terrain and landslide hazard analysis in open-pit mine.

UAV oblique photogrammetry； open-pit mine； three-dimensional reconstruction； texture mapping

2016-10-30

煤化工資源利用與污染治理河南省工程實(shí)驗(yàn)室開放基金資助(編號(hào)：502002-B02、502002-B03)；河南工程學(xué)院博士基金資助(編號(hào)：D2015040)

王果(1986-)，男，博士，講師，主要從事三維數(shù)據(jù)獲取及處理方面的研究工作，E-mail:wangguo0123@126.com。

TD67；P237

A

1004-4051(2017)04-0158-04