無人機(jī)傾斜攝影測量在礦山測繪中的應(yīng)用研究

譚衛(wèi)平

礦山測繪對后續(xù)工作部署有重要指導(dǎo)作用，而傳統(tǒng)測繪手段大多需要開展大量的外業(yè)調(diào)繪，不僅效率低下，而且精度不高?；跓o人機(jī)飛行平臺的傾斜攝影測量技術(shù)為解決這一問題提供了有效舉措，而為了使這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)揮出應(yīng)有作用效果，還有必要結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，對技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行分析探究。

1 項(xiàng)目概況

某礦山測區(qū)為典型的丘陵地形，其外業(yè)航空攝影采用四旋翼無人機(jī)進(jìn)行，無人機(jī)上搭載微單相機(jī)，和垂直方向保持45°的夾角，在南北與東西方向分別飛行一次，以此得到地物側(cè)面紋理。在此基礎(chǔ)上實(shí)施垂直攝影，以得到地物頂部紋理。航線的設(shè)計(jì)航高為120m，旁向重疊度75%，航向重疊度80%，共21 條航線。此外，為了給數(shù)據(jù)處理提供輔助，按照區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)設(shè)置13 個(gè)像控點(diǎn)與檢查點(diǎn)。

2 無人機(jī)系統(tǒng)

無人機(jī)是航測遙感重要飛行平臺，在選擇具體類型時(shí)，要注意下列幾方面要點(diǎn)：

（1）明確無人機(jī)性能指標(biāo)，設(shè)備要有良好安全性與可靠性。

（2）確定任務(wù)載荷能力，無人機(jī)應(yīng)滿足任務(wù)執(zhí)行提出的搭載要求及安裝需要。

（3）要有較高的控制精度，包括飛行航跡精度與航高控制精度等，都必須與相關(guān)規(guī)范提出的要求完全相符。

（4）對環(huán)境還要有良好的適應(yīng)性，無人機(jī)性能應(yīng)能良好適應(yīng)測區(qū)氣候條件及地理環(huán)境，以免由于環(huán)境因素的影響導(dǎo)致測量精度下降或根本無法開展飛行測量。

（5）其它包含續(xù)航、速度、有效控制距離及操控便捷性等在內(nèi)的技術(shù)指標(biāo)。

目前常用的無人機(jī)類型主要包括以下幾種：

（1）旋翼無人機(jī)，其主要優(yōu)勢包括：操作比較簡單，起飛與降落都相對便利，有很高的安全性；可實(shí)現(xiàn)低空飛行與空中懸停，可獲取分辨率很高的影像。缺點(diǎn)包括：多采用電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，續(xù)航較短，且速度不快，有效飛行與控制距離將因此受到很大限制，不得不頻繁起飛與降落和更換場地，影響實(shí)際作業(yè)效率；飛行時(shí)容易受到氣流因素的影響，對飛行姿態(tài)的控制有很大難度。

（2）固定翼無人機(jī)，其主要優(yōu)勢包括：搭載汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，可大幅延長續(xù)航，并提高飛行速度，從而提高航攝效率；飛行控制有很高的精度，能良好保證影像分辨率。缺點(diǎn)包括：需要有空曠且平整的起飛與降落場地，在部分人口分布較為密集的測區(qū)中使用會受到很大限制；實(shí)際飛行高度要達(dá)到一定水平，且速度很快，可能降低清晰度與分辨率。

（3）垂直起降固定翼無人機(jī)，它將以上兩種無人機(jī)各自優(yōu)勢充分結(jié)合到一起，如起飛與降落均采用旋翼無人機(jī)的方式，則巡航飛行則采用固定翼無人機(jī)的方式，這樣能同時(shí)保證操作便利性及飛行速度，這是現(xiàn)階段研發(fā)及應(yīng)用主要機(jī)型之一，然而，在續(xù)航方面還需要進(jìn)一步的升級改進(jìn)。

伴隨無人機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，必然會有更多新型無人機(jī)出現(xiàn)，為用戶提供更多選擇，比如DW-150W 型無人機(jī)與DM-X402H 型無人機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)為：DM-150W 型：翼展為3.29m，最大起飛質(zhì)量為38kg，實(shí)用升限為6000m，續(xù)航時(shí)間為5h，機(jī)長2.2m，最大載荷10kg，巡航速度為100km/h，抗風(fēng)能力為6 級；DMX402H 型：軸距為1200mm，最大起飛質(zhì)量為18kg，實(shí)用升限為4500m，續(xù)航時(shí)間為40min，機(jī)高500mm，最大載荷6kg，巡航速度在1km/h ～36km/h 范圍內(nèi)，抗風(fēng)能力為5 級。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，要充分考慮測區(qū)所在范圍及環(huán)境確定適宜的無人機(jī)類型及型號，比如當(dāng)測區(qū)范圍相對較大，人口不密集時(shí)，建議選擇固定翼無人機(jī)；而當(dāng)測區(qū)范圍不大，且人口相對密集時(shí)，建議選擇旋翼無人機(jī)，以保證地物影像的清晰度和分辨率。

3 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在礦山測繪中的應(yīng)用優(yōu)勢特點(diǎn)

3.1 具有非常高的靈活性

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)與航拍飛機(jī)對比分析后，無人機(jī)的體型相對比較輕巧，投入正式運(yùn)行后的速度也比較快。運(yùn)行過程中不需要安排駕駛員，可以適當(dāng)減輕機(jī)體的重量，促使無人機(jī)運(yùn)行狀態(tài)以及操作過程更加靈活。對無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用，可以對礦山不同區(qū)域內(nèi)的環(huán)境信息等進(jìn)行監(jiān)測和分析，促使其可以維持在相對良好的監(jiān)測狀態(tài)，保證礦山測繪精準(zhǔn)度得到提升。

3.2 數(shù)據(jù)分辨率高

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在應(yīng)用時(shí)，主要以數(shù)碼傳感器、飛行器等組合而成，各種不同類型設(shè)備系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化組合，促使無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的分辨率有所提升。與衛(wèi)星影像分辨率對比分析后，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在應(yīng)用時(shí)可以超出目前的3倍，可以實(shí)現(xiàn)0.3m 的精準(zhǔn)度。由此可以看出，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在礦山測繪中的應(yīng)用，具有非常高的數(shù)據(jù)分辨率。

3.3 具有非常高的監(jiān)測效率

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在應(yīng)用時(shí)具有非常高的監(jiān)測效率，所以目前在礦山測繪中的應(yīng)用范圍比較廣，監(jiān)測數(shù)據(jù)量比較大，如果監(jiān)測效率過低，勢必會導(dǎo)致礦山測繪水平受到不良影響。所以無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)與數(shù)碼傳感器、GPRS 技術(shù)等結(jié)合后，有利于提高礦山測繪效率，滿足礦山測繪在監(jiān)測效率等各方面提出的高要求。

4 三維建模與地形圖測繪

該測區(qū)通過在無人機(jī)上搭載傾斜相機(jī)實(shí)現(xiàn)傾斜攝影，以此獲得測區(qū)范圍內(nèi)影像數(shù)據(jù)，并借助自動(dòng)建模方法建立模型；以建成的模型為基礎(chǔ)，采用三維立體量測方法，對測區(qū)地物地貌進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再通過內(nèi)業(yè)編輯形成地形圖，以此徹底省略外業(yè)調(diào)繪，實(shí)現(xiàn)快速測繪。

4.1 三維建模

傾斜攝影技術(shù)是國際測繪領(lǐng)域近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時(shí)從1 個(gè)垂直、4 個(gè)傾斜共5 個(gè)不同的角度采集影像，將用戶引入了符合人眼視覺的真實(shí)直觀世界。傾斜影像技術(shù)的引進(jìn)和應(yīng)用，使目前高昂的三維建模成本大大降低。該技術(shù)的推廣應(yīng)用依賴軟件的強(qiáng)大處理能力和硬件的支持。目前世界上支持多視角影像三維實(shí)景建模的軟件有許多，諸如Context Capture、Pixel Factory、Pix4D、VirtuosoGrid、VirtuoZo、DP-Smart、PhotoScan 等軟件，其高度自動(dòng)化和智能化給建模帶來極高的效率。在硬件方面也得到了國內(nèi)外許多傾斜無人機(jī)的支撐，比如Harwar、MicroDrones、JOUAV、Dragon50等。軟件和硬件的支持給三維實(shí)景建模帶來改革性的變化，推動(dòng)著三維實(shí)景建模飛速發(fā)展。

該項(xiàng)目測繪精度檢查依靠8 個(gè)像控點(diǎn)實(shí)施，建模工具為Smart 3D 軟件，具體步驟為：

（1）對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行加載，并設(shè)定各項(xiàng)相機(jī)參數(shù)，對pos 數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，將檢查點(diǎn)和控制點(diǎn)的數(shù)據(jù)引入，完成工程構(gòu)建。該項(xiàng)目測量所用無人機(jī)搭載2 個(gè)相機(jī)，為此需設(shè)置雙份文件，其影像數(shù)量分別為364 張與266 張。pos 數(shù)據(jù)采用WGS1984，并將其轉(zhuǎn)換至標(biāo)準(zhǔn)高程系統(tǒng)。按照局域網(wǎng)布點(diǎn)，檢查控制點(diǎn)與解算控制點(diǎn)分別為8 個(gè)、5 個(gè)。

（2）傾斜攝影空三測量。該項(xiàng)目按照區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)，在四周分別布置4 個(gè)控制點(diǎn)，然后在中心布置1 個(gè)控制點(diǎn)，以此為傾斜攝影空三測量創(chuàng)造良好條件；與此同時(shí)，通過設(shè)置檢查點(diǎn)對空三測量成果精度進(jìn)行檢驗(yàn)。經(jīng)空三加密處理后，自由網(wǎng)精度可達(dá)1.82pix，像控點(diǎn)精度為：平面、高程中誤差分別為0.033m 和0.063m。

（3）模型生成。以空三測量成果為基礎(chǔ)實(shí)施模型分塊，然后基于分塊結(jié)果，從測區(qū)范圍內(nèi)提取所有密集點(diǎn)云，以此建立三角網(wǎng)和三維模型；與此同時(shí)，根據(jù)多角度紋理通過自動(dòng)拼貼獲取最終的三維模型。

建成的三維模型主要具有以下特點(diǎn)：①模型能對地物和地形進(jìn)行一體化表示；②模型有良好的完整性，且位置準(zhǔn)確度高，還有一定現(xiàn)勢性，和航空影像表現(xiàn)基本相同；③模型能準(zhǔn)確反映出地物基本特征，當(dāng)視點(diǎn)高度為200m 時(shí)，對模型進(jìn)行瀏覽不會看到明顯的漏洞，且畫面清晰，無拉伸變形現(xiàn)象。

4.2 地形圖測繪

地形圖測繪需將EPS 作為基礎(chǔ)，充分利用模型具有的量測功能開展地形地物信息采集，其具體步驟為：

（1）采用EPS 對三維模型進(jìn)行加載。在ESP 系統(tǒng)中通過模型轉(zhuǎn)換使模型格式從OSGB 變?yōu)镈SM，之后通過對轉(zhuǎn)換完成后模型的加載，完成對目標(biāo)模型的全面加載。

（2）然后模型加載后即可開始地形圖繪制，以三維模型為基礎(chǔ)進(jìn)行，充分利用模型可提供的各項(xiàng)空間信息，完成空間量算與采集，并通過模型旋轉(zhuǎn)與多角度觀察進(jìn)行自動(dòng)房檐改正，以此省去外業(yè)工作，提高測繪。

5 現(xiàn)存問題與解決方法

在實(shí)踐應(yīng)用過程中可以發(fā)現(xiàn)很多亟待研究解決的各方面技術(shù)問題，有些問題屬于基于無人機(jī)的傾斜攝影的普遍問題，當(dāng)然也存在基于無人機(jī)的傾斜攝影的特有問題，這些問題主要包含以下兩個(gè)方面：

（1）在數(shù)據(jù)采集方面，主要存在以下問題：①當(dāng)測區(qū)范圍內(nèi)的地物分布較為密集時(shí)，會由于地物之間相互遮擋使影像多度重疊無法達(dá)到均勻，地物頂、底部在分辨率存在明顯差異，導(dǎo)致實(shí)際的模型建立效果較差，給最終的三模建模效果造成很大影響。針對這一問題，需在深入研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理從根本上解決上述實(shí)際問題；②當(dāng)前的傾斜攝影設(shè)備通常不超過5 個(gè)鏡頭，在這種情況下僅可以從5 個(gè)方向?qū)嵤┯跋癫杉?，無法全方位覆蓋整個(gè)地物，對模型建立效果造成影響。對此，亟需在無人機(jī)相機(jī)配置與飛行方式設(shè)計(jì)上進(jìn)行必要的創(chuàng)新；③當(dāng)前使用的無人機(jī)大多為小型無人機(jī)，其載荷能力相對較低，一般無法搭載重量較大的相機(jī)，這在部分對分辨率和精度有很高要求的項(xiàng)目中無法滿足要求。針對這一問題，需通過不斷研發(fā)性能更高的無人機(jī)來解決。

（2）在數(shù)據(jù)處理方面，要注重以下各項(xiàng)實(shí)際問題的分析和解決：①對原始影像中存在的顏色相對較暗的數(shù)據(jù)實(shí)施后期調(diào)色；②利用人工刪除或修改漂浮物之后，修改相應(yīng)的三維模型，確保模型上不再存在任何漂浮物；③利用人工修改所有漏洞區(qū)域，確保建成的模型不存在任何漏洞；④利用人工修正所有結(jié)構(gòu)扭曲；⑤為紋理拉花重新實(shí)施貼圖。

6 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在礦山中的具體應(yīng)用

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用，為保證該技術(shù)的應(yīng)用作用充分發(fā)揮出來，必須要對礦山周邊區(qū)域進(jìn)行仔細(xì)感測，將監(jiān)測到的諸多數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和整合分析，盡可能避免出現(xiàn)冗余錯(cuò)誤等情況。將經(jīng)過預(yù)處理的數(shù)據(jù)信息全部都輸入到對應(yīng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，以此來保證測繪信息的準(zhǔn)確性、可靠性。由此可以看出，這種具有高度自動(dòng)化特征的測繪流程，有利于避免人為因素帶來干擾影響，同時(shí)還可以壓縮人力資源的過度投入，以此來保證測繪工作水平的提升。

6.1 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在開采規(guī)劃中的應(yīng)用

針對礦山進(jìn)行開采之前，工作人員需要提前進(jìn)入到現(xiàn)場內(nèi)部，對礦山中涉及到的諸多數(shù)據(jù)信息進(jìn)行全方位有效的采集以及勘察，這樣能夠?qū)﹂_采方案進(jìn)行科學(xué)合理的編制和落實(shí)。工程項(xiàng)目在規(guī)劃和建設(shè)時(shí)，可以直接將無人機(jī)傾斜射攝影測量技術(shù)合理應(yīng)用其中，在現(xiàn)階段的設(shè)計(jì)中，以無人機(jī)為基礎(chǔ)，可以對礦山區(qū)域范圍內(nèi)的海拔高度以及地形地貌的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位采集，保證現(xiàn)有諸多數(shù)據(jù)信息能夠及時(shí)傳輸?shù)綄?yīng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中。通過對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的合理利用，可以對礦山地形圖進(jìn)行科學(xué)合理的繪制和利用，以此來保證礦山測繪工作的高精度實(shí)施。在具體操作過程中要對CAD 軟件進(jìn)行合理利用，將測量之后涉及到的諸多數(shù)據(jù)信息全部采集到對應(yīng)系統(tǒng)中，包括礦山周邊環(huán)境以及方案數(shù)據(jù)等。同時(shí)要以現(xiàn)有諸多數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)，對三維圖景進(jìn)行科學(xué)合理的構(gòu)建和利用，以更加直觀方式針對礦山以及周邊環(huán)境展開客觀合理分析。后續(xù)相關(guān)人員可以針對施工方案進(jìn)行不斷完善和優(yōu)化，對施工過程中面臨的諸多問題進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。在整個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，結(jié)合傾斜攝影形成的數(shù)據(jù)庫，對礦山目前的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等進(jìn)行深入了解，這樣做的目的是為了保證工程建設(shè)與城市建設(shè)之間具有非常高的匹配性，保證整個(gè)礦山測繪工作在實(shí)施過程中具有一定科學(xué)性和合理性。在整個(gè)過程中要以傾斜攝影為基礎(chǔ)，從中獲取到礦區(qū)地表的具體影像，后續(xù)展開空中三角測量，在得到對應(yīng)結(jié)果之后，可以針對有效數(shù)據(jù)進(jìn)行客觀合理的檢索和分析。基于此，對礦區(qū)范圍內(nèi)的三維模型進(jìn)行合理構(gòu)建，對礦山結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定，同時(shí)對現(xiàn)有諸多數(shù)據(jù)進(jìn)行客觀分析，對現(xiàn)有諸多因素條件進(jìn)行掌握和了解之后，可以對其進(jìn)行研發(fā)和設(shè)計(jì)，保證設(shè)計(jì)的針對性和有效性。以此為基礎(chǔ)，可以保證礦山測繪結(jié)果準(zhǔn)確性得到提升，同時(shí)能夠保證測繪工作的實(shí)施效率以及質(zhì)量得到提升。

6.2 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在礦山施工中的應(yīng)用

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在礦山施工中的應(yīng)用，能夠從多個(gè)角度著手，保證數(shù)據(jù)信息的全面有效采集，促使礦山能夠滿足人們?nèi)粘Ｙ|(zhì)量檢測中提出的個(gè)性化需求，為檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性提供保證。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在應(yīng)用時(shí)，能夠針對礦山周邊環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確有效檢測，同時(shí)可以保證高效率實(shí)施，為礦山施工效果提供保證。同時(shí)避免受到外界的因素帶來的干擾影響，為安全排查工作的實(shí)施效果提供保證。無人機(jī)在整個(gè)飛行中可以實(shí)現(xiàn)低空拍攝的根本目的，以更加直觀方式為工作人員提供可靠數(shù)據(jù)信息作為支持，幫助工作人員能夠以更加合理的方式對現(xiàn)場進(jìn)行及時(shí)有效的進(jìn)入，將部分礦石直接安排在合理位置上，盡可能避免出現(xiàn)局部超載等問題，避免對地層造成嚴(yán)重危害影響。由此可以看出，無人機(jī)技術(shù)的合理利用，能夠滿足目前新時(shí)期背景下對礦山測繪提出的個(gè)性化要求，為測繪結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性提供保證。

6.3 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在礦山驗(yàn)收中的應(yīng)用

通常在施工作業(yè)完成后，工程項(xiàng)目勢必會直接進(jìn)入到最終的驗(yàn)收環(huán)節(jié)。在該階段，必須要結(jié)合實(shí)際要求，將無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在其中的應(yīng)用價(jià)值、作用最大化發(fā)揮出來。在實(shí)踐中的應(yīng)用，主要是以無人機(jī)的測繪為基礎(chǔ)，結(jié)合礦山實(shí)際情況，對各種不同類型的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行大范圍的采集和利用，同時(shí)要將不同信息按照不同類別進(jìn)行仔細(xì)錄入，以此來將礦山的現(xiàn)狀呈現(xiàn)出來。在現(xiàn)有軟件的合理應(yīng)用基礎(chǔ)上，工作人員還可以結(jié)合礦山實(shí)際情況進(jìn)行客觀分析，逐漸形成符合要求的三維模型，以更加直觀的方式對礦山現(xiàn)狀進(jìn)行了解，為工作人員對模型更加詳細(xì)的分析提供參考。比如，通過數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)的合理利用，可以對礦山的整個(gè)比例進(jìn)行科學(xué)合理的構(gòu)建和利用，以相對比較豐富、直觀的方式，逐漸形成具體的模型。這種形勢下工作人員可以在現(xiàn)有數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上，對符合要求的工程建設(shè)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和利用。除此之外，還可以對周邊的礦山進(jìn)行仔細(xì)檢查，通過對無人機(jī)的合理利用，可以體現(xiàn)出其自身的飛行優(yōu)勢特點(diǎn)，針對人工無法進(jìn)行仔細(xì)勘察的區(qū)域可以展開有針對性的測繪，為礦山測繪工作的全方位有效推進(jìn)打下良好基礎(chǔ)。

7 結(jié)語

綜上所述，基于無人機(jī)飛行平臺的傾斜攝影測量為礦山測繪提出了新的技術(shù)解決方案，能從根本上省去大量外業(yè)作業(yè)，并且還有很高的測量精度，測繪成果完全滿足地形圖測繪要求，值得在更多礦山測繪作業(yè)中廣泛推廣應(yīng)用。