礦山監(jiān)測中無人機(jī)三維傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用研究

馮 文

（湖南省第二測繪院，湖南 長沙 410000）

最近幾年，隨著我國社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，礦山工程開采工作受到了越來越多的重視。礦山工程是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐，開采過程是否順利直接影響整個礦山工程的經(jīng)濟(jì)效益。因此，在礦山開采中，需要注重環(huán)境監(jiān)測工作，充分利用現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)地質(zhì)定位和高度信息采集。無人機(jī)三維傾斜攝影技術(shù)，屬于當(dāng)下較為先進(jìn)的技術(shù)手段，在多個領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，該技術(shù)可以持續(xù)、不間斷的監(jiān)測地表，便于相關(guān)人員對礦山地質(zhì)背景的了解與掌握，能夠?qū)Φ貙訋r性進(jìn)行判斷，對地層構(gòu)造進(jìn)行了解等等，便于相關(guān)人員對礦山地質(zhì)情況進(jìn)行科學(xué)化管理。因此，在實(shí)際工作中，相關(guān)人員可以結(jié)合實(shí)際情況，通過科學(xué)合理的手段，利用無人機(jī)三維傾斜攝影技術(shù)，不斷提升礦山監(jiān)測水平。

1 無人機(jī)三維傾斜攝影技術(shù)及其特點(diǎn)

在同一飛行平臺中，對5臺傳感器進(jìn)行搭載，且同時從一個垂直、四個傾斜角度，對影像進(jìn)行采集。在對相片拍攝的同時，對航高、航速、航向、旁向重疊、坐標(biāo)等參數(shù)進(jìn)行記錄，然后分析與整理傾斜影像[1]。在一個時段，無人機(jī)線路對幾組影像重疊的照片進(jìn)行拍攝，在3張照片中可以找到同一地物，便于相關(guān)人員分析結(jié)構(gòu)，且可以挑選較為清晰的一張制作紋理，把直觀、真實(shí)的實(shí)景信息提供給用戶。影像數(shù)據(jù)不僅可以對地物情況進(jìn)行真實(shí)反應(yīng)，還可以利用先進(jìn)的行為技術(shù)，對地理信息、影像信息進(jìn)行嵌入，獲得更高的用戶體驗(yàn)，能夠?qū)b感影像的應(yīng)用范圍進(jìn)行拓展。

無人機(jī)三維傾斜攝影技術(shù)主要有以下幾個特點(diǎn)：第一，能夠?qū)Φ匚镎鎸?shí)情況進(jìn)行反映，能夠?qū)Φ匚镞M(jìn)行量測。無人機(jī)三維傾斜攝影測量，可以獲取三維數(shù)據(jù)，對地物的外觀、高度、位置等屬性進(jìn)行真實(shí)反映，提升三維數(shù)據(jù)的真實(shí)感，有效彌補(bǔ)以往人工模型仿真度低的問題[2]。第二，性價比較高。無人機(jī)三維傾斜攝影測量數(shù)據(jù)中帶有空間位置信息，能夠?qū)SM、DOM、DLG等數(shù)據(jù)成果進(jìn)行同時輸出，可以滿足傳統(tǒng)航空攝影測量需求的同時，獲得更多的數(shù)據(jù)信息；并且利用該技術(shù)可以批量提取和貼紋理，能夠降低三維建模的成本。第三，測量效率較高。無人機(jī)三維傾斜攝影測量技術(shù)，利用無人機(jī)飛行載體，可以對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行快速采集，實(shí)現(xiàn)全自動化三維建模。根據(jù)相關(guān)研究顯示，人工建模需要1~2年完成的工作，利用該技術(shù)只需要3~5個月。

2 無人機(jī)三維傾斜攝影的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多視影像聯(lián)合平差

在無人機(jī)三維傾斜攝影技術(shù)中，該項(xiàng)技術(shù)是非常重要的，其中包括諸多數(shù)據(jù)，如傾斜攝影數(shù)據(jù)、垂直攝影數(shù)據(jù)。在以往測量系統(tǒng)中，并沒有對傾斜攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，而通過該技術(shù)，可以全面考慮到影像之間的遮擋、幾何變形等因素[3]。在實(shí)際工作中，利用該技術(shù)，在POS系統(tǒng)中，通過多視影像外方位元素，堅持從粗到精的匹配原則，利用自動配偶和自由網(wǎng)光束法平差的手段，在每級影像中獲取匹配結(jié)果。與此同時，對連接點(diǎn)、連接線進(jìn)行創(chuàng)建，利用GPU/IMU輔助數(shù)據(jù)，以及控制點(diǎn)坐標(biāo)的多視影像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差的誤差方程，經(jīng)過聯(lián)合結(jié)算，能夠獲得準(zhǔn)確的平差結(jié)果。

2.2 多視影像密度匹配

在實(shí)際工作中，影像匹配屬于基礎(chǔ)工作，通過多視影像密度匹配，不僅可以覆蓋較廣的范圍，且分辨率也相對較高。因此，怎樣在匹配時對冗余信息進(jìn)行全面考慮，快速精確的獲得同名點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而明確地物三維信息，已經(jīng)成為了多視影像匹配的關(guān)鍵內(nèi)容。在以往工作中，工作人員僅僅通過一種匹配基元，或者是僅僅通過一種匹配策略，這樣是很難對建模需要的同名點(diǎn)進(jìn)行獲取的，所以最近幾年多基元、多視影像匹配成為了研究重點(diǎn)內(nèi)容[4]。根據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，目前該領(lǐng)域研究進(jìn)展良好，例如可以實(shí)現(xiàn)自動識別與提取地物的側(cè)面，通過對多視影像中的特點(diǎn)進(jìn)行搜索，如紋理等，工作人員可以明確地物的二維矢量數(shù)據(jù)集，在影像中工作人員可以結(jié)合不同的視角二維特點(diǎn)，轉(zhuǎn)變成為三維特點(diǎn)，工作人員在確定墻面時，可以設(shè)置相關(guān)因子，且進(jìn)行權(quán)值設(shè)定，把墻面分為相應(yīng)的類型，開展平面掃描工作且對地物各個面進(jìn)行分隔，進(jìn)而可以獲取建筑物側(cè)面結(jié)果，最后對側(cè)面進(jìn)行重構(gòu)，獲取地物的輪廓與高度。

2.3 數(shù)字表面模型生成與正射影像糾正

在影像密集匹配期間，相關(guān)人員要制作具備較高分辨率的數(shù)字化模型，全方位展現(xiàn)地物起伏具體特征，此種方式也發(fā)展為空間獲取設(shè)備信息的主要內(nèi)容。由于多個視角下進(jìn)行傾斜影像分析要思考到尺度的差異，再者對應(yīng)遮擋和陰影問題比較顯著，如傾斜影像得到數(shù)字化模型過程比較繁瑣，結(jié)合自動空三解研究多個影像的方位元素，給予合適的模塊單元進(jìn)行科學(xué)選擇，進(jìn)行特征配置和密集配置，同時納入并行算法，促使計算成效可以提升[5]。另外得到高密度數(shù)字化模型之后，通過濾波對不同單元模塊進(jìn)行處理，保障數(shù)字化模型的設(shè)置具備統(tǒng)一性。需要注意的是，影像正射糾正要思考物方持續(xù)數(shù)字模型以及地物對象的離散分布情況，賦予影像糾正典型信息密集特點(diǎn)。

3 礦山監(jiān)測中無人機(jī)三維傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)獲取和處理

首先，像片控制點(diǎn)布設(shè)和測量。在礦山監(jiān)測中，利用無人機(jī)三維傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取與處理是非常重要的環(huán)節(jié)，其是后期計算礦山儲量和監(jiān)測開采范圍的基礎(chǔ)。在像片控制點(diǎn)布設(shè)中，利用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)法，結(jié)合測區(qū)面積大小和地形地貌特點(diǎn)，在礦區(qū)布設(shè)相應(yīng)數(shù)量的平高控制點(diǎn)，如圖1。為了保證坐標(biāo)基準(zhǔn)一致，無人機(jī)航攝影片控制點(diǎn)測量時，可以利用全野外地形測量的形式，利用測繪基準(zhǔn)服務(wù)平臺轉(zhuǎn)換測量成果，把像控點(diǎn)高程成果轉(zhuǎn)變成為國家高程[6]。其次，原始航片采集、無人機(jī)低空航攝，利用電動固定翼無人機(jī)，相機(jī)搭載傾斜航空鏡頭組。由于部分礦山地形起伏較大，因此應(yīng)適當(dāng)提升航攝重疊度，以防發(fā)生航攝漏洞。與此同時，需要保證在完全包括礦區(qū)范圍的基礎(chǔ)上，對礦區(qū)周邊區(qū)域?qū)嵤┖綌z，在完成無人機(jī)航攝任務(wù)設(shè)置后，應(yīng)開展飛前檢查，保證飛機(jī)與氣象條件都滿足航攝要求，才可以準(zhǔn)備起飛。最后，業(yè)內(nèi)處理。因?yàn)闊o人機(jī)帶的相機(jī)并不是專業(yè)量測的相機(jī)，存在較大的鏡頭畸變，因此在后期應(yīng)通過畸變改正參數(shù)，利用計算機(jī)軟件，修正航飛原始數(shù)據(jù)。

圖1 無人機(jī)三維傾斜攝影圖

3.2 開采范圍監(jiān)測

礦山監(jiān)測，主要是為了對礦坑采礦區(qū)和是否超過礦區(qū)進(jìn)行監(jiān)測。在無人機(jī)三維傾斜攝影測量中，可以獲得具有較高分辨率的真實(shí)投影圖像數(shù)據(jù)、三維現(xiàn)實(shí)模型數(shù)據(jù)，如圖2。在真實(shí)投影圖像取得的成果中，可以利用開采礦邊界線的開采，直接對項(xiàng)目區(qū)域、地形整個范圍進(jìn)行直接觀看，還需要比較采礦權(quán)證書礦區(qū)的拐點(diǎn)坐標(biāo)的附件疊加，對是否跨境開采進(jìn)行確定。若越界，在軟件中可以平面量測越界部分，對越出開采面積等數(shù)據(jù)進(jìn)行量算，進(jìn)而提供給礦山開采范圍監(jiān)測提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。現(xiàn)階段，無人機(jī)三維傾斜攝影測量技術(shù)測量平面精度可以達(dá)到厘米，能夠可以有效提升礦區(qū)監(jiān)測精準(zhǔn)度。

3.3 動態(tài)儲量監(jiān)測

首先，在本文中，利用三維掃描軟件測量軟件中的垂直三維模型，且進(jìn)行計算。在三維模型中實(shí)施傾斜測量，動態(tài)監(jiān)測礦山開采過程，提供給露天礦管理及時、直觀、準(zhǔn)確、有效的數(shù)據(jù)支撐[7]。其次，可以結(jié)合兩次無人機(jī)三維傾斜攝影測量獲得的礦山DEM數(shù)據(jù)，如圖3，利用GIS軟件，通過網(wǎng)絡(luò)區(qū)域統(tǒng)計工具，對不同參數(shù)進(jìn)行計算，監(jiān)測礦山動態(tài)儲量。無人機(jī)三維傾斜攝影測量獲得的DEM具有較高的精度，且點(diǎn)云密度相對較大，能夠?qū)ΦV山開采情況進(jìn)行反映，具有較高計算精度，能夠?qū)ΦV山動態(tài)儲量監(jiān)測要求進(jìn)行滿足。

圖2 礦坑采礦區(qū)監(jiān)測范圍圖

圖3 礦山動態(tài)儲量監(jiān)測圖

4 結(jié)語

總而言之，在新時代背景下，在礦山監(jiān)測中應(yīng)用無人機(jī)三維傾斜攝影技術(shù)是非常重要的，不僅可以有效提升礦山監(jiān)測質(zhì)量和水平，還可以保證礦上監(jiān)測精準(zhǔn)度，減少勞動成本的投入。因此，在實(shí)際工作中，相關(guān)人員可以結(jié)合實(shí)際情況，靈活利用無人機(jī)三維傾斜攝影技術(shù)，不持續(xù)、不間斷的監(jiān)測地表，對礦山地質(zhì)進(jìn)行定位和采集信息，深入了解和掌握礦山地質(zhì)背景，準(zhǔn)確判斷地層巖性和了解地層構(gòu)造，進(jìn)而為礦山開采工作提供可靠的數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)支持，有效提升礦山監(jiān)測質(zhì)量和準(zhǔn)確性，保證礦山工程可以順利開采，促進(jìn)我國社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展。