多旋翼無人機傾斜攝影技術在露天礦山實地核實中的應用

譚煜 徐亞強 杜文鑫 任春雷

四川省化工地質勘查院，四川 彭州 611930

無人機(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)是利用自備的程序和無線電遙控設備控制裝置操縱的不載人飛機，由無人機機體、發(fā)射回收系統(tǒng)、機載信息傳輸系統(tǒng)、飛行平臺系統(tǒng)、地面信息傳輸系統(tǒng)、任務載荷系統(tǒng)組成[1]。多旋翼無人機具有機動靈活、高效快速、精細準確、作業(yè)成本低、適用范圍廣、生產周期短等優(yōu)點，在露天礦山等面積較小、高差大區(qū)域具有明顯優(yōu)勢。傾斜攝影測量技術是國際測繪遙感領域近年發(fā)展起來的一項高新技術，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、傾斜等不同的角度采集影像，獲取地面物體更為完整準確的信息[2-3]。傾斜攝影較傳統(tǒng)普通下視攝影更適于獲取礦山開采立面的信息，彌補了衛(wèi)星遙感影像只反映平面信息的不足，能更生動直觀的展示礦山開發(fā)利用現(xiàn)狀[4]。露天礦山實地核實工作是避免礦山越界開采造成國家礦產資源損失，消除安全隱患的重要手段，及時客觀地掌握礦山開發(fā)利用現(xiàn)狀，提升采礦權科學管理水平是礦政管理部門最主要任務之一[5]。隨著信息化、數字化技術的不斷發(fā)展，露天礦山管理迫切需要精準、真實的三維地理信息。傾斜攝影三維精細化建模技術可以有效快速獲取露天礦山高分辨率實景三維模型，全面了解礦山開發(fā)利用現(xiàn)狀，實現(xiàn)礦區(qū)全方位動態(tài)監(jiān)測，可以有效預防各種礦山事故的發(fā)生，及時發(fā)現(xiàn)越界開采等違法行為，確保礦山管理工作的順利開展[6]。

四川省綿竹市多數露天礦山所處地區(qū)高差大，多云霧、多雨水，地質災害頻發(fā)。傳統(tǒng)的露天礦山實地核實工作以RTK測量為主，效率低下、精度低、周期長、安全性差，借助于先進的無人機測繪技術才能保障核實工作的時效性與安全性。本文應用多旋翼無人機傾斜攝影技術對綿竹市露天礦山進行了航空攝影測量，生產出實景三維模型、DOM 以及地形地質圖等成果，分析其在礦山實地核實中的應用效果。

1 項目概況

2020年，綿竹市自然資源和規(guī)劃局在礦山調研時發(fā)現(xiàn)，多數礦山企業(yè)提供的地質地形圖件與礦山開發(fā)利用現(xiàn)狀不符，所使用的地質地形圖比例尺過小，或大比例尺地形圖揭示的地形地貌與礦山實際位置標志物不一致，其儲量計算成果明顯存在不吻合。為進一步核實礦業(yè)權開采范圍的客觀地質地形現(xiàn)狀，核準采礦權人實際開采位置，為儲量動態(tài)監(jiān)測與露天礦山綜合整治工作打下堅實基礎，不斷提升采礦權科學管理水平，該市自然資源和規(guī)劃局啟動轄區(qū)內露天礦山實地核實工作。

該工作要求對轄區(qū)內所有露天開采礦山全面開展實地測量工作，提交礦區(qū)范圍地形圖、正射影像圖、實景三維模型等數據成果。完善露天開采礦山范圍界樁，每一個拐點都應埋樁，視線被遮擋的地方，可以增設界樁，保障相鄰界樁的可辨別性。界樁一旦埋設后不得隨意移動。利用成果數據與采礦許可證上的開采范圍進行對比，核實礦業(yè)權人實際開采范圍，對核查中發(fā)現(xiàn)的采礦權交叉、重疊、漂移等問題及時處理或形成處理建議。屬礦業(yè)權人越界采礦的，必須依法處理并及時糾正；屬采礦許可證登記有誤的，應按照相關文件要求據實糾正；對坐標系轉換造成的誤差，據實修正；對實際位置與采礦許可證標定位置變動較大的，要分析原因，提出解決問題的建議意見，屬市級發(fā)證的，經由各縣（市、區(qū)）自然資源管理部門、各分局會議審定后報市局審定、據實糾正。經審查認可的成果作為今后企業(yè)辦理各項業(yè)務的依據。

2 傾斜攝影技術流程

2.1 設備

本次工作使用的無人機型號為深圳飛馬機器人科技有限公司生產的D200S多旋翼無人機，5鏡頭，4個傾斜相機，1個正射相機，1.2億有效像素。無人機負載續(xù)航時間約為 48min，帶有低電量報警、失聯(lián)自動返航和精準變高飛行功能，抗風性能高達5級，測控半徑5km，支持RTK、PPK及其融合作業(yè)模式，提供厘米級定位精度。

2.2 技術路線

收集測區(qū)資料，采用飛馬無人機管家軟件“智航線”模塊進行航線設計，利用飛馬D200S多旋翼無人機掛載OP310五鏡頭獲取影像及POS數據，采用ContextCapture Center Master軟件輸出OSGB格式實景三維模型及DOM，在此基礎上利用EPS三維測圖軟件輸出DLG并輔助完成礦區(qū)埋樁定界工作。具體技術路線流程見圖1。

圖1 技術路線流程圖Fig.1 Technical route flow chart

2.3 方案實施

2.3.1 布設像控點

像控點布設方案可以采取兩種像控點布設方式：一種是航飛前先到實地布設像控標志同時采集部分特征點，待航飛之后再根據影像中的特征點到實地采集其它像控點。該方法對于無明顯特征地物、人類活動較少以及森林比較茂密的測區(qū)有不錯的效果，在實際的生產過程中應用較為廣泛。另一種是航飛之后先根據影像確定特征點，再到實地進行像控點的采集。該方法對于特征明顯的地物，高差較平坦的區(qū)域比較有效，且在一定程度上可以節(jié)省時間成本和生產成本。研究區(qū)屬無人類活動山區(qū)，植被茂密，無明顯地物，因此采用事前布點方式,所有點均為平高控制點[7]。

2.3.2 圖根控制測量

研究區(qū)內有“四川省衛(wèi)星定位連續(xù)運行基準服務平臺（SCGNSS）”，采用網絡RTK技術做RTK圖根平面控制測量，在穩(wěn)定的巖石上埋設十字釘，十字釘上印“四川省化工地質勘查院、測量標志、法律保護”等字樣[8]。圖根點高程利用網絡RTK技術測得，所測高程經四川省第一測繪工程院轉換得到1985國家高程。每次高程測量測回數為2，各測回測量高程限差滿足要求，取中數作為最后高程成果。圖根控制點按礦山簡稱進行編號。

2.3.3 像片控制測量

為滿足精度需求，需要布設像控點，同時布設部分檢查點檢查成果精度，像控點一般布設在旁向大于100m且航向基線不少于1條的區(qū)域[9]。由于測繪區(qū)域的地形地貌變化相對較大且植被茂盛，故本次采用的像控點密度為5點/km2，盡可能避開植被發(fā)育的區(qū)域。由于像控點應用于后期數據校正處理，其測量精度應該盡可能高，一般需要多次平滑測量取均值，使測量精度優(yōu)于2cm。

使用RTK連接四川省網CORS，并采用平滑采點功能測量像控點點位坐標值，為保證精度控制在2cm以內，每組像控點采集3個測回，每個測回采集10個點，最后計算平均值。每組像控點進行拍照記錄，要求照片能夠反映像控點的地形特征，并做好像控點整理工作。

將露天礦山采礦權證范圍線 KML文件導入飛馬無人機管家“智航線”模塊，根據礦區(qū)的地形起伏和精度要求，結合礦區(qū)踏勘的情況及技術參數，適當擴大航飛范圍，生成最佳航線，地形起伏較大的區(qū)域，則應根據地形變高飛行，保證礦區(qū)內地物的分辨率滿足要求，以此來保證實景三維模型和正射影像圖的效果及精度。航線設計如圖2。

圖2 航線設計圖Fig.2 Air route design map

2.3.4 外業(yè)航拍

外業(yè)航拍進行時，為保障航拍的全覆蓋性，此次飛行平臺搭載五鏡頭傾斜攝影模塊，從不同角度來進行影像采集與獲取。在相片拍攝的同時，專業(yè)人員需要記錄詳細的參數，比如要包含航高、航速、航向、旁向重疊等多種信息，隨后在航測和記錄的基礎上進行全部傾斜影像的處理[10]。

嚴格按規(guī)范規(guī)定的太陽高度角要求選擇航飛時間，盡量選在光線充足的時間飛行。現(xiàn)場航飛作業(yè)時，飛機組裝完成后，要多人次進行一系列嚴格的檢查，在確保安全的情況下才能升空作業(yè)。飛機升空作業(yè)后，飛手在地面站對飛機工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控，時刻關注電池電量、飛機的飛行姿態(tài)、航高、電臺信號及航速等指標。

2.3.5 飛行質量控制

外業(yè)航拍完成后在現(xiàn)場下載 POS數據并對航攝影像進行初步整理與檢查，檢查影像的重疊度、傾角、旋角和彎曲度，檢查POS數據與像片數是否對應，航拍區(qū)域是否有漏洞，影像是否清晰，當獲取數據不滿足要求時，安排補飛工作。

2.3.6 差分解算及空三加密

內業(yè)數據處理時，空三角加密是最為關鍵的處理環(huán)節(jié)，當獲得了相應的測量數據以后，專業(yè)人員可以采用光束法區(qū)域網聯(lián)合平差的方式，來獲得最終的結果[11]。本次工作采用的主要軟件ContextCapture Center Master是基于圖形運算單元的快速三維場景運算軟件，僅需少量人工干預，依靠連續(xù)的二維影像就能還原出達到原始影像像素分辨率的實景三維模型。利用該軟件生產三維模型具有工作量小、效率高、成果效果好等優(yōu)點[12]。

采用飛馬無人機管家“智理圖”模塊，對獲取的差分POS觀測數據進行融合差分GPS解算，得到五組相機的高精度 POS數據。利用ContextCapture Center Master軟件，設置好影像與POS數據的對應關系后，對每張影像進行特征點檢測和匹配，對解算后的高精度POS進行空三加密。加入控制點，手動調整控制點位置，將控制點與空三網聯(lián)合平差，優(yōu)化至合格數值?？杖瓿珊?，ContextCapture Center Master軟件進行自動化建模作業(yè)。

3 傾斜攝影技術應用

3.1 實景三維模型生產

ContextCapture Center Master軟件經過格網切塊、構建 TIN網白模、自動紋理映射等流程，生產出礦區(qū)高精度實景三維模型成果。常規(guī)的三維測圖方式是基于實景三維模型進行的地物采集，若幾何精度有問題則后續(xù)測圖成果很難滿足精度要求，因此三維成果的效果及精度檢查至關重要。三維模型成果生成后，要求紋理清晰才能保證后期進入測圖軟件采集的點位準確。然后采用布設的檢查點進行三維模型精度檢查，精度滿足規(guī)范要求則進行下一步作業(yè)（圖3）。

圖3 實景三維模型細節(jié)展示圖Fig.3 Detail display picture with real 3D mode

3.2 數字正射影像圖制作

數字正射影像圖采用 ContextCapture Center Master軟件生成。影像應清晰，片與片之間影像盡量保持色調均勻，反差適中，當色調不一致時應作色調調整。最小密度大于0.4，最大密度1.4～1.8，圖面上不得有圖像處理所留下的缺陷。在屏幕上具有良好的視覺效果，展示如圖4。

圖4 正射影像圖Fig.4 Orthophoto map

3.3 地形圖制作

采用清華山維 EPS5.0全數字攝影測量系統(tǒng)進行地形圖制作，將礦區(qū)高精度實景三維模型導入軟件，制作工程文件，由作業(yè)員通過三維模型及多視角傾斜影像進行水系、交通、房屋及高程等地理信息的采集繪制，并按照國標要求賦予要素屬性信息。完成數字線劃圖DLG的生產后，采用RTK實測檢查點的方式對成果精度進行檢驗，結果見表1。

表1 成果檢驗表Table 1 Achievement inspection form

3.4 埋樁定界

傳統(tǒng)埋樁定界方式主要為參考奧維地圖，利用RTK點放樣，在不熟悉礦山地形的情況下，極易發(fā)生陡崖、河溝阻擋行進路線而繞路的情況，大大延長了野外放點的時間。而實景三維模型的直觀性、現(xiàn)實性、高精度性極大地降低了野外放點的難度。

采用 EPS三維測圖軟件打開實景三維模型，導入采礦權拐點坐標，識別界樁埋設位置，對所處位置特殊(如位于水體、陡崖、公路、房屋等)無法設置或不能設置的，可以不設置或采取移位設置的方法。利用實景三維模型確定界樁實際埋設位置后，采用EPS軟件設計野外行進路線（圖5），按照設計路線到達實際位置后，將界樁埋設到施放位置。

圖5 行進路線圖Fig.5 Routine map for travel

3.5 實際開采范圍核查

采用采礦權人法定證書確定的礦區(qū)界址點（拐點）作為越界監(jiān)管分析基準，利用傾斜攝影測量成果礦山開采現(xiàn)狀實景三維模型與礦區(qū)界址點坐標進行套合（圖6），分析礦山開采范圍是否越界、移位。相比于傳統(tǒng)二維平面圖的疊加分析，實景三維模型不僅作業(yè)時間短，效果也更加簡單、直觀和明了，為主管部門的決策提供了豐富高效的數據。

圖6 礦山開采分析圖Fig.6 Mining analysis map

3.6 其他應用

多旋翼無人機傾斜攝影技術在礦山工作中的應用遠遠不止于此。將輸出的實景三維模型作為基礎地理信息數據，可應用到礦山勘查的全過程，包括野外地質調查的行進路線設計、地質鉆孔的三維施放、礦區(qū)道路的三維設計、野外駐地的選址等，不僅降低了野外工作人員的勞動強度，保障了野外工作人員的安全，還大大降低了成本。多旋翼無人機傾斜攝影技術在礦山工作中的應用必將更廣泛。

4 結論

綿竹市自然資源和規(guī)劃局將多旋翼無人機傾斜攝影技術首次引入到露天礦山實地核實工作領域，改變了全市傳統(tǒng)的露天礦山監(jiān)管模式，由原來的二維管理模式轉變?yōu)閷嵕叭S管理模式，由原來的單一地形圖成果模式轉變?yōu)榈匦螆D、影像、三維模型的綜合成果模式，為后續(xù)數據更新和露天礦山科學管理指明了道路。通過實景三維模型，能夠及時發(fā)現(xiàn)越界開采等違法活動，可以對界樁埋設位置進行預判，如是否需要移位設置，是否無法設置等。本文涉及的12個露天礦山，雖然每一個礦山的實際情況差異較大，但是多旋翼無人機靈活、高效的特點都能很好地獲取到滿足精度要求的實景三維模型、DOM、DLG等各類豐富的地理信息數據，可真實、客觀、精細反映礦山開采利用現(xiàn)狀，滿足礦山埋樁定界、監(jiān)測越界開采、儲量變化等礦政管理和技術管理的需求，便于管理者正確決策。