無人機傾斜攝影測量在礦山測繪中的應用

劉法軍

（山東省地質礦產勘查開發(fā)局第五地質大隊，山東 泰安 271000）

礦山建設離不開大比例尺礦山地形圖的測量工作，礦山測繪伴隨著礦產資源勘查、開采以及礦山恢復治理等整個過程中。因此，如何提高礦山測繪效率和提高礦山測繪質量成為限制礦山企業(yè)發(fā)展的一個環(huán)節(jié)之一[1]。隨著現代化礦山建設需求，傳統(tǒng)的礦山測繪技術在測繪周期、精度等方面無法滿足現代礦山測繪周期短、精度高的基本要求，因此礦山測繪中逐漸引入了更多的現代化測繪技術，如無人機傾斜攝影測量技術等，并取得了良好的應用效果。

1 無人機傾斜攝影測量技術概況

傾斜攝影測量技術的應用較早，早期階段主要應用于有人飛機上，以通過攝影影像獲取建筑物立面的紋理信息為主，并未應用于地形測繪等領域，即應用領域極為局限。隨著無人機技術的快速發(fā)展，結合現代化動態(tài)GPS定位技術、圖像融合處理技術的快速革新，逐漸將傾斜攝影測量技術與無人機技術相結合，實現了大比例尺地形測繪等，也逐漸的應用于礦山測繪、工程測繪等領域，擴大了社會服務范圍，提高了測繪精度和縮短了測繪周期[2]?，F階段常用的無人機傾斜攝影測量技術應用流程示意見圖1。

2 無人機傾斜攝影測量在礦山測繪中的應用

2.1 無人機傾斜攝影測量準備工作

本文以某礦山的大比例尺地形測量為例，講述無人機傾斜攝影測量技術在礦山測繪中的應用。本次選用的無人機型號為HARWAR-YT無人機，配套安裝相應GPS定位系統(tǒng)、飛行管理系統(tǒng)，選用哈瓦傾斜數字航空攝影相機搭載。無人機傾斜攝影測量技術對無人機飛行條件的要求較高，在使用該技術時應注意以下幾點內容：①不同的天氣氣候對無人機傾斜攝影質量影響較大，因此需根據測繪區(qū)域的氣候變化選擇合適的季節(jié)飛行，一般選擇在每年的五六月份進行，該階段氣候一般吻合、少雨，普遍適用無人機飛行；②在確定大致飛行時段內要選擇具體的氣候變化，如選擇天氣晴朗、無風或者微風天氣等，即需要根據測繪區(qū)域的氣候制定相應的飛行時段，一般選擇上午10點至下午2點之間[2]；③重疊度設計問題，根據測繪區(qū)域地形地貌變化特征制定相應的旁向重疊度、航向重疊度等參數；一般旁向重疊方向以平行于測繪區(qū)域邊界的首末航線敷設，并位于測繪區(qū)域邊界外側，而航線重疊方向按照超出測繪區(qū)域邊界設計基線長2倍進行。

圖1 無人機傾斜攝影測量技術流程示意圖

2.2 無人機傾斜影像獲取

在上述準備工作的基礎上，對測繪區(qū)域進行地形地貌踏勘工作，對地形地貌變化大的區(qū)域根據實際狀況劃分飛行子區(qū)塊，即將測繪區(qū)域根據地形地貌變化劃分為不同的飛行區(qū)塊，再根據不同區(qū)塊特征設計飛行高度、航向重疊度、旁向重疊度等參數[3]。

本文所舉例的測繪區(qū)域地形地貌起伏變化適中，不需分割飛行區(qū)塊。因此，本次設計飛行速度為70km/h，航線敷設方法為東西向，相對航高為200m，平均地面分辨率為0.06m，設計航向重疊度為75%，設計旁向重疊度為65%，最終地形圖成圖比例為1:1000。此外，在使用無人機傾斜攝影過程中，雖然攝像機實現了多視角拍攝的技術條件，但難免受地形地貌、高大樹木遮擋等因素的影響，導致攝影出現“留白”等問題。為了提高攝影質量，在飛行攝影之前需要在測繪區(qū)域建立相應的像控點及加密點。在實現無人機傾斜影像獲取及預處理后，將測繪范圍內的影像投影至虛擬影像中，可以有效的減少突出地面豎直物體的重影現象，進而提高無人機攝影影像質量。

2.3 像控點測量

像控點測量工作是無人機傾斜攝影測量必不可少的環(huán)節(jié)，是提高無人機傾斜攝影測量質量的主要手段之一。因此，加強地表像控點布設的合理性至關重要，如像控點一般布設在地形無爭議、較明顯區(qū)域等?？罩腥羌用軠y量也是提高無人機傾斜攝影測量精度的重要方法之一，但是空中三角加密測量并不完全取決于測繪區(qū)域地表像控點的密度，而是與測繪區(qū)域的地形地貌和像控點均有較大的關系，如在復雜地形地貌區(qū)域，為了提高測繪質量可在規(guī)范要求密度基礎上加密布設像控點，而在地形地貌變化范圍小的平原區(qū)域，可適當的降低像控點的布設密度。

像控點的布設質量直接關系著無人機傾斜攝影測量質量，因此，在布設像控點過程中應注意以下幾點內容[4]：①若像控點位于飛行子區(qū)塊之外，則該類像控點以控制測量整個測繪區(qū)域為基礎，因此應布設在測繪區(qū)域邊界線以外，且位于航向大于100m、航向基線不少于1條的區(qū)域；②若像控點位于航線兩段，則要求像控點的左右偏離半徑不大于半條基線的長度；③像控點的布設位置應該不存在地形爭議，即布設于地形易識別的區(qū)域，此外，像控點的標準必需是清晰的，一般選擇地塊角、房角等地物，若像控點為多個地物的交匯部位，則必需滿足多個地物的交匯角介于30°～150°之間；④像控點一般布設在周邊地形變化較小的區(qū)域，如山頭等部位，可以有效的提高無人機傾斜攝影測量精度；⑤像控點布設應避開植被發(fā)育、墻角等部位，防治在飛行攝影過程中因遮擋而無法獲得像控點的信息；⑥像控點的布設位置一般選擇交通條件方便、易于保存的區(qū)域，可作為二次礦山測量的水準點等。

2.4 空中三角加密處理

無人機傾斜攝影測量技術與無人機直射攝影測量技術相比，前者實現了多角度獲取測繪區(qū)域影像資料的目的，明顯降低了攝影盲區(qū)的弊端。但是，無人機傾斜攝影測量在實際獲取測繪區(qū)域影像數據時，受地形地貌變化、高大樹木遮擋等問題仍然出現測量空白區(qū)域，或者出現地面控制點達不到實際需求等現象，導致最終的測量精度明顯降低，此時需要進行空中三角加密測量[3]?？罩腥羌用軠y量技術可以彌補上述不足之處，主要依賴于對影像外的方位元素的準確預算上，使用數據處理軟件將地表干擾因素剔除，進而提高測量精度的方法，尤其是對地形地貌復雜區(qū)域的測量精度具有較明顯的改善。

因此，在獲取測繪區(qū)域攝影數據的基礎上及時的檢查攝影數據質量，若影像質量不滿足基本需求，應及時開展重新攝影測量工作，對于滿足基本要求的攝影數據在預處理、校正后進行空中三角加密測量處理，再輸出相應的加密校正成果，如DSM等。

2.5 數據采集與三維建模

大比例尺礦山地形圖的三維建模是實現數據采集的基礎，在經過影像數據處理軟件的幾何校正、平差處理、多視角匹配等操作的基礎上，進一步獲取測繪區(qū)域的三維傾斜模型。在此基礎上采用傾斜攝影配套的數據處理軟件獲得測繪區(qū)域地物、地形信息，即數據的采集。數據的采集主要包含三個方面的內容：一是地物要素的人工采集過程，即通過手動的方式采集測繪區(qū)域像控點信息，提取建筑物輪廓等；二是自動獲取三維地形信息，主要指的是等高線、高程點信息的自動化提取，僅需要后期人工整飾處理即可[4]；三是遮擋等問題的處理過程，以攝影影像數據為基礎，結合全站儀水平測量等對遮擋區(qū)域進行補充測量，彌補測量“空白”等問題。此外，在數據采集過程中要根據輸出地形圖比例尺大小等確定等高距、高程注記點的疏密等，以圖形表達美觀、符合規(guī)范要求為基本原則。

2.6 外業(yè)調繪及補測

上文已述及，雖然無人機傾斜攝影測量在很大程度上降低了攝影盲區(qū)等問題，但仍然不可避免的受地形地貌、植被發(fā)育狀況、建筑物分布等因素影響出現攝影盲區(qū)，即無法通過攝影測量獲取上述區(qū)域的地形信息等，此時需要借助其他測量技術方法進行外業(yè)補測等[2]。因此，在影像數據內業(yè)處理過程中將攝影盲區(qū)標注出來，及時的開展外業(yè)實地調繪和補測工作。另外，對于內業(yè)處理過程中存在爭議的地形地物也應標注處理，進而通過外業(yè)調繪或者補測解決，可提高無人機傾斜攝影測量精度。

3 結語

綜上所述，無人機傾斜攝影測量技術在大比例礦山測量中具有明顯的應用優(yōu)勢，通過實際測量實踐表明，無人機傾斜攝影測量能夠在較短的時間內完成測繪任務，提高了社會服務效益，獲取的大比例尺地形圖平面位置中誤差為6.5cm，高程中誤差為12.6cm，測量精度完全滿足相應比例尺誤差要求。因此，將該技術廣泛的應用于現代化大比例尺地形圖測繪中，不僅提高了測量精度，而且降低了測繪更本。