無人機傾斜攝影在礦山測量中的應用研究

張 勇

（福建省閩北地質(zhì)大隊，福建 南平 354000）

0 引言

為修復礦山開采對環(huán)境造成的破壞，快速獲取礦山大比例尺地形圖是十分有必要的。將無人機傾斜攝影技術應用于礦山大比例尺地形圖成圖中，能有效節(jié)約測量成本，提高礦山地形圖測繪工作效率，但在環(huán)境惡劣中，受到不利因素的影響，導致無人機傾斜攝影測量成果的質(zhì)量不高。因此，對無人機傾斜攝影技術在礦山地形圖測繪中的應用進一步分析是十分有必要的，通過探究其實用性、可行性來提升測量效果帶來的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 無人機傾斜攝影技術的基本原理

無人機傾斜攝影測量技術可分為無人機技術和傾斜攝影測量技術。其中，無人機是搭載傾斜攝影測量設備的平臺，由傾斜攝影測量設備來完成攝影測量任務，通過傳感器設備、姿態(tài)控制系統(tǒng)、導航定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等完成對數(shù)據(jù)的獲取和處理。傳感器（相機、激光雷達等）用于采集目標區(qū)域的影像、點云數(shù)據(jù)等；姿態(tài)控制系統(tǒng)用于控制無人機的飛行姿態(tài)和拍攝角度；導航定位系統(tǒng)可對目標進行精確定位，從而確保拍攝數(shù)據(jù)的準確性；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對采集到的影像、點云數(shù)據(jù)進行處理和融合，得到目標區(qū)域的高精度三維模型。

利用無人機搭載的多臺光電傳感器，結(jié)合定位、攝像等技術，在高空從垂直、傾斜等角度實時采集影像，獲取更加全面、完整、精準的地物、地形地貌信息。無人機上1個垂直向下的鏡頭拍攝的影像被稱為正片影像，而其他4個鏡頭與地面形成傾斜夾角，從這4 個方向拍攝的影像被稱為斜片影像，其具有多角度影像信息。影像信息中有多種不同的真實信息，以高分辨率的真彩色數(shù)字影像為基礎［1］，對影像進行校正、空三加密處理，從而獲取影像數(shù)據(jù)，影像上各點都帶有平面坐標（X，Y）和高程（H）信息，基于影像數(shù)據(jù)可直接計算出距離、面積、高度等數(shù)據(jù)。

2 無人傾斜攝影在礦山測量中的應用優(yōu)勢

2.1 無人機傾斜攝影獲取數(shù)據(jù)周期短

無人機傾斜攝影具有作業(yè)周期短、高效率等特點，能有效提高礦山測量效率。利用無人機對礦山測量，能快速獲取分辨率更高的影像數(shù)據(jù)。無人機傾斜攝影能大大減少人力、成本等的浪費，項目工期可縮短1/3以上，提高整體工作效率，在短時間內(nèi)獲取影像資料，確保影像資料的時效性。

2.2 無人機傾斜攝影能降低技術人員勞動強度

礦區(qū)地形較為陡峭，交通不便，不易行走。傳統(tǒng)的礦山地形圖測量是將笨重的儀器設備搬到礦區(qū)，給測量工作造成極大困難，測量人員要一點一點地對地物、地形地貌進行測量，外業(yè)工作強度極大。無人機傾斜攝影是利用遙感法對礦區(qū)地形地貌數(shù)據(jù)進行采集的，能大大減輕作業(yè)人員的工作強度。

3 無人機傾斜攝影技術應用實例

3.1 礦區(qū)概況及成圖主要技術要求

本研究以某礦山區(qū)域為例，為修復礦山開采對環(huán)境造成的破壞，快速獲取該礦山實景三維模型及1∶1 000 數(shù)字化地形圖。為提高測繪效率，利用無人機傾斜攝影技術來進行數(shù)據(jù)生產(chǎn)。實施傾斜攝影的區(qū)域面積約為0.24 km2，長度約為600 m、寬度約為400 m，如圖1 所示。測量區(qū)域內(nèi)高程最高約為66 m、高程最低約為2 m、高差最大約為64 m，地形為丘陵地形，通視條件良好，周邊200 m 內(nèi)無居民地、無高大建筑物［2］。成圖比例尺為1∶1 000，基本等高距為1.0 m。按照城市測量規(guī)范中的規(guī)定，地物點相對鄰近平面控制點的點位中誤差應小于±0.5 m、等高線插求點相對鄰近圖根點的高程中誤差應小于±0.5 m。

圖1 礦山區(qū)域

3.2 像片控制點布設與測量

像控點的布設要充分考慮現(xiàn)場地形地貌，一般像控點布設在清晰的線狀地物交點、明顯地物的折角頂點，如道路拐點及清晰的顏色紋理變化分界點處。本研究按間距為250～350 m 布設1個像控點，共布設9個像控點。

平面坐標統(tǒng)一采用2000 國家大地坐標系，高斯-克呂格投影中央子午線為120°，按3°分帶，高程系統(tǒng)采用1985 國家高程基準［3］。使用大疆精靈Phantom 4 RTK 四旋翼無人機對像控點平面坐標及高程進行觀測，其具有定位坐標測量功能。無人機開始傾斜攝影時，可同步獲取像控點平面坐標及高程，完成對像控點平面及高程的控制測量。在布設的9個像控點中，選取分布均勻的7個像控點參與平差計算，另外2個像控點作為空三檢查點進行檢核。經(jīng)空三測量檢核后發(fā)現(xiàn)，滿足像片控制點相對最近基礎控制點的平面位置中誤差、高程中誤差的精度要求。

3.3 傾斜攝影影像獲取

使用大疆精靈Phantom 4 RTK 四旋翼無人機來獲取傾斜攝影影像。在奧維地圖上圈定開采礦山范圍線，使用基線、航線間距、地面分辨率、相對航高等技術指標，完成對無人飛行器航線規(guī)劃路線的設計。該礦山區(qū)域傾斜攝影相對航高為150 m、航線間距為100 m、航向重疊為80%、旁向重疊為70%、礦區(qū)平均高程面影像地面分辨率優(yōu)于8.0 cm，共飛行4 架次。為確保所攝影像能全面覆蓋整個礦區(qū)，航向及旁向覆蓋均超出測區(qū)邊界線一個相對航高值范圍，獲取分辨率優(yōu)于8.0 cm 的傾斜攝影影像共計215張。

3.4 實景三維模型制作

街景工廠StreetFactory、ContextCapture 等軟件是當前實景三維建模的主流軟件，基于圖形運算單元GPU 的ContextCapture 快速三維場景運算軟件無須人工操作，就能從簡單連續(xù)影像中生成最逼真的實景真三維場景模型［4］。通過平臺使像控點坐標數(shù)據(jù)、傾斜多視影像數(shù)據(jù)、POS 數(shù)據(jù)參與到實景三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)中。實景三維模型生產(chǎn)過程如下。首先，在布設的9 個像控點中選取分布均勻的7 個像控點，并參與到多視影像聯(lián)合平差的計算中，另外2 個像控點作為空三檢查點進行檢核；其次，通過軟件完成多視密集影像匹配，形成超高密度點云，構(gòu)建三維TIN 網(wǎng)和白模；最后，利用紋理映射來生成實景三維模型。

3.5 礦山地物圖要素采集

該礦山大部分區(qū)域的地形地貌包含簡易公路、水系等要素。因此，主要是對地形地貌要素進行采集。通過清華山維EPS 三維測圖軟件來加載實景三維模型“.osgb”格式數(shù)據(jù)，在實景三維模型上對全部帶有平面坐標（X，Y）和高程（H）信息的地形地貌要素進行采集，采集高程點注記間距按《城市測量規(guī)范》（CJJ/T 8—2011）中的要求。該項目高程點注記間距取20 m，在實景三維模型上共采集高程點1 452 個，利用高程點數(shù)據(jù)生成等高距為1.0 m 的礦區(qū)地形圖，如圖2所示。

圖2 礦區(qū)地形圖

4 精度測算

利用南方RTK 儀器來實地采集特征點平面坐標、碎部點高程，與在實景三維模型上采集到的特征點平面坐標、碎部點高程進行對比，統(tǒng)計各項精度指標。評估由無人機傾斜攝影編制的礦山1∶1 000數(shù)字化地形圖的實用性、可靠性，并從特征點平面坐標、碎部點高程這2個方面對該應用案例的測量精度進行評估。

4.1 特征點兩次測量平面坐標值的差值

利用南方RTK 儀器來實地采集13 個特征點的平面坐標，包括簡易房屋角點、道路交叉點等，將外業(yè)實地測量特征點的平面坐標值與在實景三維模型上采集同點位特征點的平面坐標值進行對比，計算出特征點平面坐標值較差，結(jié)果見表1。

表1 南方RTK測量與三維模型上采集特征點的坐標值比較

4.2 碎部點兩次測量高程的差值

使用南方RTK 儀器對27 個碎部點的地形高程進行實地采集，將外業(yè)實地測量的碎部點高程值與在實景三維模型上采集同點位的碎部點等高線內(nèi)插高程值進行比較，計算出高程值較差，結(jié)果見表2。

表2 南方RTK測量與三維模型上采集碎部點的高程值比較

4.3 精度評估結(jié)論

由表1 可知，利用南方RTK 測量特征點得到的平面坐標值與實景三維模型上采集到的特征點的平面坐標值之間較差的最大值為±49.4 cm、平面中誤差為±32.1 cm，滿足《城市測量規(guī)范》（CJJ/T 8—2011）中的規(guī)定，即比例尺為1∶1 000的丘陵地形地物點相對鄰近平面控制點的點位中誤差不應大于±50.0 cm的精度要求。

由表2 可知，利用南方RTK 測量的碎部點高程值與實景三維模型上采集的同點位的等高線插求點高程值之間較差的絕對值最大為45.0 cm，高程中誤差為±27.8 cm，滿足《城市測量規(guī)范》（CJJ/T 8—2011）中的規(guī)定，即例尺1∶1 000 丘陵地形碎部點的檢測高程與原測內(nèi)插高程的較差不應大于±60.0 cm、等高線插求點相對于鄰近圖根點的高程中誤差應不應大于±50.0 cm的精度要求。

研究結(jié)果表明，利用無人機傾斜攝影技術進行比例尺為1∶1 000的測圖，具有生產(chǎn)速度快、測量精度高的優(yōu)點，可節(jié)省大量人力物力?；趯嵕叭S模型對礦區(qū)進行地物、地形地貌要素進行采集，編制礦區(qū)數(shù)字化地形圖，外業(yè)通過實地采集地面點的平面坐標、高程，經(jīng)精度統(tǒng)計可知，該礦區(qū)1∶1 000數(shù)字化地形圖的平面、高程滿足規(guī)范規(guī)定的精度要求，符合實際生產(chǎn)需求，具有較高的可行性、實用性。

5 結(jié)語

無人機傾斜攝影能提高礦山大比例數(shù)字化地形圖測量的效率，體現(xiàn)出無人機技術在礦山測量中的應用價值。在礦山測量應用案例中，通過與全野外數(shù)字化測量在像控點坐標、碎部點高程等的差值進行比較，驗證了利用無人機傾斜攝影編制的1∶1 000數(shù)字化地形圖的平面、高程滿足規(guī)范中規(guī)定的精度要求，測量結(jié)果是可靠的，且具有較高的實用性和可行性。無人機傾斜攝影雖具有很大優(yōu)勢，但其續(xù)航能力差，風大時影響其飛行質(zhì)量，也限制了無人機在測繪地理信息行業(yè)中更深層次的應用。因此，要進一步探討無人機傾斜攝影測量的影響精度因素，優(yōu)化作業(yè)模式，提高模型精度［5］。