無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在露天礦山監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

韋小儒

（廣西壯族自治區(qū)地理信息測(cè)繪院，廣西 柳州 545006）

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的誕生，開(kāi)辟了測(cè)繪行業(yè)的新篇章。采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)露天礦山進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以快速獲取高分辨率、高精度、直觀的實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)，在實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)上進(jìn)行GIS分析，能夠精確計(jì)算出露天礦山開(kāi)采量、開(kāi)采深度、開(kāi)采范圍等重要數(shù)據(jù)，結(jié)合采礦權(quán)登記及圖件信息進(jìn)行比對(duì)，可以判斷露天礦山是否越層、越界、超量開(kāi)采，對(duì)礦產(chǎn)資源開(kāi)采做到事前、事中、事后監(jiān)管，增加了的礦產(chǎn)資源監(jiān)管模式，有效的避免了礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用違法違規(guī)行為的發(fā)生，更好的保護(hù)好礦產(chǎn)資源和環(huán)境。

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量概述

1.1 傾斜攝影技術(shù)

近年來(lái)，斜攝影是在高新技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的攝影測(cè)量技術(shù)，通過(guò)技術(shù)從垂直和四個(gè)角度傾斜五個(gè)不同的同步采集圖像的角度，在建筑的頂部和高分辨率的紋理方面變得豐富。它不僅能準(zhǔn)確地反映地面物體的情況，而且能高精度地獲取物體的紋理信息。它還可以通過(guò)先進(jìn)的定位、融合、建模和其他技術(shù)來(lái)生成真實(shí)的3d模型。

1.2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)組成

1.2.1 自駕及慣導(dǎo)系統(tǒng)

航飛自駕及慣導(dǎo)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)飛控。主要包括，陀螺儀，加速計(jì)，地磁感應(yīng)，GPS模塊及控制電路，主要功能就是自動(dòng)感知無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)，控制飛行路線。

1.2.2 傾斜攝影相機(jī)

傾斜攝影相機(jī)通常由一個(gè)垂直和四個(gè)傾斜五個(gè)不同的視角高像素面陣數(shù)碼相機(jī)組成，以一定角度安裝在云臺(tái)上。斜置攝像頭包括一個(gè)較低的攝像頭、一個(gè)前視攝像頭、一個(gè)后視攝像頭、一個(gè)左攝像頭和一個(gè)右攝像頭，攝像頭是垂直的，前置攝像頭、后置攝像頭、左攝像頭和右攝像頭都是傾斜的。用于獲取地物側(cè)面紋理影像，傾斜角度在15°~45°之間。

1.2.3 云臺(tái)

云臺(tái)是安裝、固定攝像機(jī)的支撐設(shè)備，可以減少飛行過(guò)程中由于無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)對(duì)相機(jī)拍攝角度影響。

1.2.4 地面控制系統(tǒng)

地面控制系統(tǒng)，通常包括電腦、信號(hào)傳輸系統(tǒng)和手動(dòng)控制系統(tǒng)。

1.2.5 其他設(shè)備

包括發(fā)射架，車(chē)輛，降落系統(tǒng)等。

2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的工作流程

通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影獲得影像數(shù)據(jù)，開(kāi)展外業(yè)像片控制測(cè)量，進(jìn)行空中三角測(cè)量，完成實(shí)景數(shù)據(jù)建模工作，以此為基礎(chǔ)，制作數(shù)字表面模型（DSM）、數(shù)字高程模型（DEM）、真數(shù)字正射影像圖（TDOM），并對(duì)實(shí)景建模成果進(jìn)行精細(xì)化處理，得到三維實(shí)景模型成果。總體工作流程如圖1所示。

2.1 資料收集與分析

收集近期拍攝的項(xiàng)目區(qū)DOM影像數(shù)據(jù)，作為技術(shù)設(shè)計(jì)、外業(yè)踏勘和控制點(diǎn)布設(shè)的工作底圖；收集項(xiàng)目區(qū)范圍內(nèi)近期施測(cè)的衛(wèi)星定位等級(jí)點(diǎn)，用于測(cè)區(qū)像控測(cè)量。

2.2 航空傾斜攝影

項(xiàng)目區(qū)域?qū)霟o(wú)人機(jī)控制軟件。根據(jù)項(xiàng)目決議的要求，通過(guò)增加高海拔高度和重疊度等參數(shù)來(lái)制定飛行計(jì)劃，通過(guò)無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)搭載傾斜相機(jī)，實(shí)施航飛。

2.3 像控測(cè)量

通過(guò)選型和室外地板的標(biāo)點(diǎn)組合選擇相結(jié)合，相點(diǎn)布局需要滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量的要求，合理布置分階段，檢查精度，相位控制點(diǎn)由CORS網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量，每個(gè)點(diǎn)的平均值作為相位控制點(diǎn)的坐標(biāo)結(jié)果。

圖1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的總體工作流程

2.4 空中三角測(cè)量

利用獲取的高分辨的地物多視角多方位影像和地面控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，將影像POS數(shù)據(jù)作為影像初始外方位元素，運(yùn)用專(zhuān)業(yè)軟件的基于圖像密集匹配技術(shù)運(yùn)算功能，提取大量連接點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)POS輔助連接點(diǎn)自動(dòng)量測(cè)、控制點(diǎn)預(yù)測(cè)區(qū)域網(wǎng)平差，通過(guò)對(duì)傾斜攝影的空中三角測(cè)量，獲得了各條帶的準(zhǔn)確異物。

2.5 三維實(shí)景建模

以?xún)A斜攝影像片、像控成果為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合已有空三加密成果，利用實(shí)景建模軟件，經(jīng)創(chuàng)建工程，數(shù)據(jù)預(yù)處理、控制點(diǎn)處理、多視匹配模型架構(gòu)、紋理映射等過(guò)程，最終輸出三維實(shí)景模型成果。

2.6 DSM、DEM和TDOM的制作

利用垂直圖像、傾斜圖像數(shù)據(jù)和空中三角測(cè)量來(lái)測(cè)量加密結(jié)果，在專(zhuān)業(yè)軟件中，根據(jù)圖像相關(guān)匹配，構(gòu)建高密度特征點(diǎn)云，生成DSM數(shù)據(jù)；基于空三加密的結(jié)果，利用密集匹配點(diǎn)云生成測(cè)試區(qū)域的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成DEM；利用數(shù)字表面模型（DSM），通過(guò)數(shù)字微分校正技術(shù)，對(duì)原圖像的幾何畸變進(jìn)行校正，并對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行重采樣，得到完全垂直投影的影像圖，即真正射影像(TDOM)。

3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在露天礦山監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量可以同時(shí)獲得高分辨率的真正射影像（TDOM）和三維實(shí)景模型，管理者可以清晰直觀地觀察露天礦開(kāi)采情況，制定相應(yīng)的管理措施。

3.1 開(kāi)采范圍監(jiān)測(cè)

礦區(qū)的監(jiān)測(cè)主要集中在露天礦坑的采礦區(qū)和是否超過(guò)礦區(qū)。在無(wú)人機(jī)傾斜測(cè)量中，可以得到高分辨率的真實(shí)投影圖像(TDOM)數(shù)據(jù)和高分辨率的三維現(xiàn)實(shí)模型數(shù)據(jù)。在TDOM取得的成果中，可以通過(guò)開(kāi)采露天礦邊界線的開(kāi)采，直接看到項(xiàng)目區(qū)域和地形的整個(gè)范圍，以及采礦權(quán)證書(shū)礦區(qū)的拐點(diǎn)坐標(biāo)的附件疊加比較，確定是否跨境開(kāi)采，如果越界，可在軟件中對(duì)越界部分進(jìn)行平面量測(cè)，量算出越界開(kāi)采面積等數(shù)據(jù)，為礦山開(kāi)采范圍監(jiān)管提供證據(jù)（如圖2所示，紅線區(qū)域?yàn)椴傻V許可范圍，黃線區(qū)域1、2、3處為越界開(kāi)采范圍）。目前，無(wú)人機(jī)測(cè)量平面精度可達(dá)厘米級(jí)，大大提高了礦區(qū)監(jiān)測(cè)精度。

圖2 礦山越界開(kāi)采監(jiān)管示意圖

3.2 動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)

一是在本文采用三維掃描軟件對(duì)軟件中的垂直三維模型進(jìn)行了測(cè)量，并進(jìn)行了計(jì)算。在三維模型上進(jìn)行傾斜測(cè)量，對(duì)礦山開(kāi)采過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為露天礦的管理提供直觀、準(zhǔn)確、及時(shí)、有效的數(shù)據(jù)支持。

二是可根據(jù)兩次無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量得到的露天礦山DEM數(shù)據(jù)，在GIS軟件中，利用網(wǎng)格區(qū)域的統(tǒng)計(jì)工具來(lái)計(jì)算不同的參數(shù)。對(duì)露天礦山動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量得到的DEM精度較高，點(diǎn)云密度較大，反映露天礦開(kāi)采情況，計(jì)算精度較高，滿(mǎn)足露天礦山動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

傾斜攝影測(cè)量可以從多角度觀察地物，更加真實(shí)的反映地物的實(shí)際情況，彌補(bǔ)基于正射影像應(yīng)用的不足。在傾斜攝影測(cè)量的基礎(chǔ)上采用了先進(jìn)的定位技術(shù)，嵌入了精確的地理信息，可以直接通過(guò)支持軟件對(duì)圖像的高度、長(zhǎng)度、面積、體積等進(jìn)行測(cè)量，大大擴(kuò)展了遙感圖像的應(yīng)用領(lǐng)域，能夠有效的解決露天礦山監(jiān)測(cè)中傳統(tǒng)測(cè)量成本高、周期長(zhǎng)，數(shù)據(jù)采集難度大、不精確等問(wèn)題。

[1]張玉俠．無(wú)人機(jī)三維傾斜攝影技術(shù)在露天礦山監(jiān)測(cè)中的實(shí)踐與探索[J]．測(cè)繪通報(bào)，2017,（增刊）．

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[6]陳釗等．柳州市傾斜攝影采集及時(shí)空數(shù)據(jù)建庫(kù)項(xiàng)目技術(shù)設(shè)計(jì)書(shū)[R]．廣西壯族自治區(qū)地理信息測(cè)繪院，2017.