低空攝影技術(shù)在礦山地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急測繪中的應(yīng)用研究

洪劍武

（福建省地質(zhì)測繪院，福建 福州 350000）

隨著社會的發(fā)展，地球的變遷與人類社會的進(jìn)步使地球的地表發(fā)生了不同程度的形變。對這些變化信息進(jìn)行及時、精確、迅速的檢測，有利于土地資源的合理開發(fā)、保護(hù)管理以及地球信息數(shù)據(jù)庫的更新優(yōu)化。同時這種實(shí)時的精測能力也是一個國家領(lǐng)土安全、科技實(shí)力和經(jīng)濟(jì)能力的集中表現(xiàn)[1]。自“數(shù)字地球”的概念出現(xiàn)以后，“數(shù)字地球”以一種極快的速度發(fā)展為世界各國地理信息學(xué)科的研究熱點(diǎn)。中國占有960多萬平方公里的國土，幅員遼闊，地形地勢極為復(fù)雜，所以精確掌握國土資源的數(shù)目、分布范圍、種類，及時了解國內(nèi)領(lǐng)土資源的實(shí)時變動，為國土資源的科學(xué)管理、合理開發(fā)提供了關(guān)鍵性的技術(shù)支持。攝影測量作為現(xiàn)代獲取和分析地理信息的重要方法，是推動“數(shù)字地球”乃至“數(shù)字城市”的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。尤其是在地域廣闊、地形極為復(fù)雜的地區(qū)，攝影技術(shù)在地形地質(zhì)條件的測繪過程中發(fā)揮了重要作用。

1 基于低空攝影技術(shù)的礦山地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急測繪

在礦山地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急測繪工作中，無人機(jī)攝影測量技術(shù)的使用可以在第一時間內(nèi)獲取到災(zāi)區(qū)的影像數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)航測系統(tǒng)即使可以較為清楚的截取到災(zāi)區(qū)的高清影像，然而其拍攝的二維平面圖在很大程度上卻沒有辦法全面、客觀的獲取到空間地理信息，為應(yīng)急測繪工作帶來大范圍的視野盲區(qū)與地域障礙[2]。但無人機(jī)低空攝影測繪在礦山地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急測繪中的使用，可以有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)航測方法的缺陷，大大突破了二維影像的局限，利用低空搭載下多角度相機(jī)的拍攝有效實(shí)現(xiàn)了對災(zāi)區(qū)信息的垂直、平行、傾斜等多個角度的拍攝工作，從而獲取到全方位、立體化的災(zāi)區(qū)地物信息數(shù)據(jù)，從而為礦山地質(zhì)災(zāi)害的應(yīng)急測繪工作提供了技術(shù)上的支持，有關(guān)無人機(jī)低空拍攝的方法如下圖所示。

圖1 礦山地質(zhì)災(zāi)害測繪中無人機(jī)低空航拍方法示意圖

1.1 組裝無人機(jī)傾斜相機(jī)

無人機(jī)傾斜相機(jī)主要是利用了六拼相機(jī)的運(yùn)作原理，利用設(shè)計圖紙開模，制作出可以穩(wěn)定安全懸掛在無人機(jī)進(jìn)行航拍工作的相機(jī)支架，之后根據(jù)45°角將六個相機(jī)一一安裝在相機(jī)支架上，其中5臺相機(jī)的拍攝焦距設(shè)定為39mm的α7000相機(jī)根據(jù)事先規(guī)定好的45°角傾斜固定在相機(jī)支架，最后一臺相機(jī)的焦距設(shè)定為26mm的α7000相機(jī)根據(jù)正射角度固定在相機(jī)支架的首端，最后利用單片機(jī)完成對六臺拍攝相機(jī)的同步控制[3]。

1.2 航線設(shè)計

航線在設(shè)計時必須考慮到相機(jī)焦距大小、影像分辨率、圖像重疊的影響，為了獲取到災(zāi)區(qū)地物影像資料，選擇焦距相對來說比較短的鏡頭，按照地面分辨率以及焦距大小和航高距離之間的關(guān)系，相機(jī)設(shè)定24mm焦距。借助計算獲得航高，航高的計算必須以傾斜方向的鏡頭為根據(jù)，絕對航高H絕的計算是在航高H攝和測區(qū)基面h平均的基礎(chǔ)上完成的，計算公式如下所示：

其中，f代表焦距，m代表比例尺航母。

其中，h最高代表最高物體的平均值，h最低代表最低物體的平均值。

由于災(zāi)區(qū)高程差異比較大，考慮到災(zāi)區(qū)高程對影像精確度的影響，因此，H絕的計算就必不可少了。

1.3 獲取影像數(shù)據(jù)

利用旋翼無人機(jī)的低空拍攝系統(tǒng)以及固定機(jī)翼無人機(jī)的正射角航拍系統(tǒng)的統(tǒng)一曝光，第一時間內(nèi)獲取到災(zāi)區(qū)全面客觀的影像資料，根據(jù)點(diǎn)、線、面三位一體的方案，實(shí)現(xiàn)災(zāi)區(qū)地物信息數(shù)據(jù)的實(shí)時截取。

1.4 無線傳輸

借助無線路由器充當(dāng)網(wǎng)關(guān)，有效實(shí)現(xiàn)地面電腦和無人機(jī)搭載筆記本的網(wǎng)絡(luò)連接，搭載筆記本普遍是以小型拇指電腦為主，所以能夠利用遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)低空航拍和地物信息的采集。

無線路由器作為整個局域網(wǎng)的核心，納入有效的無線接入點(diǎn)，從而使裝有網(wǎng)卡的計算機(jī)設(shè)備可以及時將信息傳輸至局域網(wǎng)。網(wǎng)關(guān)又稱之為連接器，是一種在網(wǎng)絡(luò)鏈路內(nèi)實(shí)現(xiàn)無線局域網(wǎng)互關(guān)的儲存設(shè)備，能夠直接將兩個局域網(wǎng)連接，使當(dāng)?shù)赝ㄐ殴潭ㄔ诒揪W(wǎng)絡(luò)內(nèi)。

1.5 實(shí)驗(yàn)影像數(shù)據(jù)后期處理

為了證明系統(tǒng)的安全性和實(shí)用性，有必要對獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理，實(shí)現(xiàn)影像多幅拼接，以觀其效。利用影像間同名數(shù)據(jù)點(diǎn)的匹配以及空中航拍區(qū)域的監(jiān)測能夠獲得測區(qū)第一時間密集點(diǎn)云。按照所形成的密集點(diǎn)云，借助Pix9Dmapper對獲取影像進(jìn)行自動校正和DEM、生成，最后拼接為一幅完整的具備地物詳細(xì)坐標(biāo)的測區(qū)影像。

同時為了更為直觀、具體的檢驗(yàn)本次設(shè)計的基于無人機(jī)低空攝影技術(shù)的礦山地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急測繪方法可行性，對后期獲取的影像數(shù)據(jù)處理以一種不納入地面數(shù)控點(diǎn)的方式為主。后期評估環(huán)節(jié)，重點(diǎn)是將礦山地質(zhì)災(zāi)害區(qū)的三維模型進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將災(zāi)區(qū)地物信息存儲入庫并逐一分析，在操作命令驅(qū)動下對三維立體模型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行升級服務(wù)，通過災(zāi)區(qū)地物信息的分布，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急測繪。

點(diǎn)、線、面三位一體的數(shù)據(jù)獲取以及以數(shù)據(jù)融合為主的數(shù)據(jù)處理方式是借助無人機(jī)低空航拍測繪的一種技術(shù)上的創(chuàng)新。在數(shù)據(jù)獲取化解的點(diǎn)、線、面結(jié)合具體是指利用固定機(jī)翼無人機(jī)對災(zāi)區(qū)地物信息進(jìn)行大面積垂直拍攝，再利用旋翼無人機(jī)對災(zāi)區(qū)重點(diǎn)進(jìn)行傾斜拍攝，從而實(shí)現(xiàn)災(zāi)區(qū)應(yīng)急測繪的實(shí)時反映。在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，所謂的數(shù)據(jù)融合具體指的是建立重點(diǎn)災(zāi)區(qū)精細(xì)三維立體模型和大面積災(zāi)區(qū)立體三維模型。

1.6 三軸平臺建模

本文我們選擇Smart3DCapture作為建模工具，Smart3DCapture是以圖形計算工具GPU為主的三維立體計算軟件，可以最大限度地實(shí)現(xiàn)無人機(jī)低空拍攝要求的從簡單影像中生成連續(xù)的、高分辨率的實(shí)景三維模型，構(gòu)建導(dǎo)航坐標(biāo)，導(dǎo)航坐標(biāo)能夠借助以下兩種方法構(gòu)建：一是，將陀螺直接固定在飛行機(jī)翼，利用對陀螺的控制獲取高倍率的矩陣圖形，作為導(dǎo)航分析而應(yīng)用，即連接式導(dǎo)航，導(dǎo)航坐標(biāo)具體是以數(shù)學(xué)方式體現(xiàn)。另一種則是將陀螺預(yù)裝在用三個支撐臺組成的機(jī)翼固定架上，利用控制其旋轉(zhuǎn)使陀螺的控制軸一直和設(shè)定好的導(dǎo)航坐標(biāo)重合。

1.7 災(zāi)害定量分析

在Smart3Dviewer中可以清楚可見災(zāi)區(qū)內(nèi)有無植被覆蓋的土坡以及是否有河流流經(jīng)的土地，一旦發(fā)生高強(qiáng)度連續(xù)降雨，這些區(qū)域極有可能會出現(xiàn)泥石流、山體滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。

用Smart3Dviewer含有的計算工具，在災(zāi)區(qū)邊界進(jìn)行數(shù)據(jù)搜集，獲取可能會發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的大致范圍。按照受災(zāi)區(qū)域劃定邊界，在Smart3Dviewer中明確以災(zāi)區(qū)最低位置為基面，獲得立方體所有土方量。對于受災(zāi)程度的評估，必須要掌握礦區(qū)災(zāi)情分布并充分認(rèn)識到其風(fēng)險等級，利用無人機(jī)低空拍攝獲取到高分辨率、連續(xù)的影像資料，進(jìn)而能夠?qū)?zāi)區(qū)狀況產(chǎn)生一個清晰認(rèn)知。利用之前形成的三維模型，能夠在短時間內(nèi)分析泥石流、山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生出現(xiàn)的規(guī)律和波及范圍，確定危險程度，進(jìn)而為政府第一時間的救援工作和災(zāi)后重建提供決策支持。

2 實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)果

為驗(yàn)證本文方法的精確度，特與傳統(tǒng)測繪方法進(jìn)行對比。以南方某鄉(xiāng)縣礦山為例，安排航線方向?yàn)槲鞅薄珫|南方向。測災(zāi)區(qū)面積3.6km2，分為兩個測區(qū)，兩個測區(qū)基面高程198m，絕對航高526m，航帶約長44km。本文航拍較傳統(tǒng)航攝需要更高的重疊度，所以本次航向重疊度設(shè)為85%左右。確定航拍任務(wù)后，首先申請空域，之后有序安排無人機(jī)分別實(shí)施航攝，對兩次拍攝獲取的影像精確度進(jìn)行比較。結(jié)果證明本文設(shè)計方法獲得的重疊影像精確率相比與傳統(tǒng)設(shè)計不僅在百分之九十四以上，且獲得的影像數(shù)據(jù)分辨率表現(xiàn)穩(wěn)定，滿足災(zāi)區(qū)災(zāi)害應(yīng)急測繪地圖比例尺1：3500的影像數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語

對低空攝影技術(shù)在礦山地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急測繪中的應(yīng)用進(jìn)行分析，依托無人機(jī)的飛行特點(diǎn)，根據(jù)低空攝影技術(shù)的工作要求，對礦山地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急測繪及時進(jìn)行升級。實(shí)踐表明，該設(shè)計的方法具備極高的有效性。