無人機(jī)傾斜攝影測量在礦山地質(zhì)中的應(yīng)用研究

朱磊

摘 ? ?要：中國是礦產(chǎn)大國，礦物種類多，分布廣，開采及治理水平參差不齊。處理不當(dāng)會引起資源浪費(fèi)、環(huán)境污染等問題，甚至導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害，威脅生命財產(chǎn)安全。為了監(jiān)督合理開發(fā)，檢查私挖亂采，保護(hù)環(huán)境杜絕災(zāi)害的發(fā)生，需要摸清中國現(xiàn)階段礦山地質(zhì)情況，類如計算儲量、定邊定界等工作成為重中之重。礦山地質(zhì)測量無疑為該項(xiàng)工作提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)傾斜攝影測量;礦山地質(zhì);應(yīng)用

1 ?傾斜攝影測量

1.1 ?定位原理

眾所周知，測量的本質(zhì)是定位，定位的本質(zhì)是獲取坐標(biāo)。傳統(tǒng)測量通過人工定位，直接接觸目標(biāo)獲取坐標(biāo);而攝影測量則通過影像定位、同名光線交會計算坐標(biāo)。使光線交會則需要滿足一定條件，如圖1所示。圖中，A為物方點(diǎn)，a1、a2為物方點(diǎn)投影在兩個像片上的像點(diǎn)，S1、S2為兩個像片的攝影中心。從圖1可以看出，想要通過光線交匯完成定位，需要知道像片的實(shí)時姿態(tài)，即恢復(fù)外方位元素Xs、Ys、Zs、φ、ω、κ（Xs、Ys、Zs為線元素，φ、ω、κ為角元素）6個參數(shù)，且須知內(nèi)方位元素x0、y0、f的數(shù)值。

1.2 ?優(yōu)勢提升

（1）定位精度。眾所周知，測量數(shù)據(jù)都存在誤差，在必要觀測條件下無法對誤差進(jìn)行消除和減弱，因此需要進(jìn)行多余觀測，傾斜攝影測量在相同條件下的數(shù)據(jù)量是豎直攝影的2～5倍，大大增加了多余觀測，提高了精度。另外，阿貝比長原理規(guī)定：量測長度時尺子與目標(biāo)平行則結(jié)果最優(yōu)，角度越大則誤差越大。而對攝影測量而言，O1、O2為兩個不同角度的攝影中心，其攝影基線與目標(biāo)越接近平行即光軸與目標(biāo)盡可能垂直，則測量精度越高。傳統(tǒng)攝影測量只從豎直方向觀測，其基線平行于XY平面，因此該模式下的目標(biāo)在XY方向精度最高，而與XZ、YZ平面角度過大使在Z方向的精度成為傳統(tǒng)攝影的短板。傾斜攝影測量增加了大角度影像觀測，其攝影基線與XZ、YZ平面的夾角大幅度減小，對某些特殊側(cè)面甚至接近平行，由此不僅提高了Z方向精度，而且進(jìn)一步減小了X、Y方向的誤差。同時多方位的拍攝更好地獲取了目標(biāo)側(cè)面的紋理，實(shí)現(xiàn)了不同角度信息的互補(bǔ)，對輪廓的還原效果更優(yōu)。

（2）成果質(zhì)量。傳統(tǒng)豎直攝影測量生成的基本都是二維平面數(shù)據(jù)，分析起來較為困難，對技術(shù)經(jīng)驗(yàn)要求較高，某些盲區(qū)還需要后期現(xiàn)場補(bǔ)測調(diào)繪。而傾斜攝影測量的成果以三維模型為主，在高精度的數(shù)字表面模型DSM基礎(chǔ)上進(jìn)行紋理映射，直觀性強(qiáng)，使用者能夠方便地在模型上對礦山地質(zhì)的剖面、溝坎、坡向線進(jìn)行分析，對不同種類的區(qū)域例如采礦區(qū)、找礦區(qū)、廢棄物堆積區(qū)等區(qū)域的判讀率也提高了很多，此外還可以在模型上繪制傳統(tǒng)豎直攝影測量生成的數(shù)據(jù)成果。因此，傾斜攝影測量為從業(yè)者提供了更加全面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.3 ?技術(shù)流程

1.3.1 ?外業(yè)采集

由于建模對精細(xì)度要求很高，而旋翼機(jī)較固定翼飛行高度低，速度慢，能夠很好地拍攝目標(biāo)紋理，因此在飛行平臺的選取上以旋翼機(jī)為主。相機(jī)應(yīng)搭載多鏡頭，即1個下視鏡頭和數(shù)個傾斜鏡頭，通常以5鏡頭為主。根據(jù)測區(qū)地形規(guī)劃航線，重疊度應(yīng)在70%以上，分辨率應(yīng)設(shè)定在5cm以內(nèi)，并以此定義航高。若測區(qū)面積較大，單個架次無法完成時，應(yīng)當(dāng)在架次之間保留1～2條航線的重疊，以便后期能準(zhǔn)確拼接。設(shè)定完畢后，飛機(jī)按航線飛行進(jìn)行拍攝，其后檢查像片是否有大量曝光、云煙遮擋現(xiàn)象，有無漏拍、序號與POS信息是否對應(yīng)等情況，合格后便可進(jìn)行下一步的處理。

1.3.2 ?內(nèi)業(yè)處理

由于現(xiàn)今傾斜相機(jī)還不能計算自身POS，只有下視鏡頭具有位置姿態(tài)信息，因此只能通過下視鏡頭和傾斜鏡頭的位置關(guān)系計算所有像片。將像片加載進(jìn)相關(guān)建模軟件，分別進(jìn)行空中三角測量（簡稱空三）、點(diǎn)云匹配、DSM生成、表面重建、紋理映射等，生成最終的三維立體模型。同時，在該模型基礎(chǔ)上，利用第3方軟件，生成傳統(tǒng)豎直攝影常出的數(shù)字正射影像DOM和數(shù)字線劃圖DLG，可謂是一模多用。

2 ?實(shí)踐操作

2.1 ?測區(qū)概況

本次實(shí)驗(yàn)測區(qū)選在某石料礦區(qū)，欲通過后期所測數(shù)據(jù)，圈定目標(biāo)區(qū)域礦界、了解開采情況、描繪實(shí)地地形以及后期合理規(guī)劃等。該礦區(qū)范圍為東經(jīng)112.60～112.62°，北緯38.17～38.18°，面積約1km2。測區(qū)內(nèi)以山地為主，海拔多在1100m～1400m，相對高差100m～400m，且部分遮擋較多，傳統(tǒng)豎直攝影測量無法完全覆蓋拍攝，故采用傾斜攝影方法采集數(shù)據(jù)。

2.2 ?處理流程

2.2.1 ?飛行平臺及相機(jī)

本次飛行平臺選用哈瓦M(jìn)EGA-V8Ⅱ旋翼無人機(jī)，該飛機(jī)采用全碳纖維材料一體成型技術(shù)、配合航空專用鎂合金、鈦合金等尖端材料和工業(yè)級傳感器芯片技術(shù)，機(jī)身826mm×1050mm×578mm，最大起飛重量12kg，飛行半徑可達(dá)14km，續(xù)航時間30min，抗風(fēng)能力達(dá)到7級，且具有后差分解算系統(tǒng)。該平臺搭載的相機(jī)是定做的HARWAR-YT-5POPCⅢ5鏡頭傾斜航攝儀，其中1個下視鏡頭，4個傾斜鏡頭，傾角為45°，像素達(dá)到1億級，該相機(jī)5個鏡頭同時曝光，曝光時間為1/4000s，最小曝光間隔為2s。

2.2.2 ?控制點(diǎn)布設(shè)及航線規(guī)劃

測區(qū)內(nèi)山地較多，地形條件差，大部分區(qū)域人工無法到達(dá)，因此選擇較為平緩的地方布設(shè)像控點(diǎn)，以便將模型納入到目標(biāo)坐標(biāo)系下，并且起到精確的控制作用。由于飛機(jī)自帶后差分解算系統(tǒng)，一定程度上精化了POS數(shù)據(jù)，故能夠保證測量精度滿足要求。飛行時間段選在上午十一點(diǎn)左右，期間光照適中。為了防止出現(xiàn)漏拍等信息不完整的情況、保證模型精細(xì)程度，本次地面采集分辨率設(shè)定為5cm，相對飛行高度相應(yīng)為250m，航向重疊度設(shè)置為80%、旁向重疊度設(shè)為75%，航線為南北方向，共分2個架次，架次之間有2條航線的重疊區(qū)，以便后期拼接。本次飛行有50條航線，共計3700張像片，POS數(shù)據(jù)完整，影像質(zhì)量正常。

2.2.3 ?內(nèi)業(yè)處理

（1）空中三角測量。空三是恢復(fù)像片實(shí)時位置和姿態(tài)的過程，恢復(fù)了位置姿態(tài)，就能通過影像進(jìn)行定位，因此空三是整個過程中決定精度的環(huán)節(jié)，可以說是重中之重。先導(dǎo)入所有像片，加載相應(yīng)POS文件后提交空三。軟件以其強(qiáng)大的傾斜影像匹配算法，準(zhǔn)確找出各個像片間的同名點(diǎn)，完成相對定向，并通過刺像控點(diǎn)、平差計算，得出最終的坐標(biāo)信息?？杖Y(jié)束后，整體的精度也就確定了。

（2）模型重建?？杖筮M(jìn)行模型重建。點(diǎn)擊重建以后，軟件首先通過恢復(fù)姿態(tài)的多個影像同名光線相交，得出物方密集點(diǎn)云;然后在密集點(diǎn)云基礎(chǔ)上建立不規(guī)則三角網(wǎng)，形成一個個面片，完成表面重建;最后通過泊松融合方法將像素賦予所形成的面片，使復(fù)雜的圖形場景呈現(xiàn)出真實(shí)感。

參考文獻(xiàn)：

[1] 方忠平.基于無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的三維建模和精度分析[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2019（10）：247.