無人機傾斜攝影測量技術(shù)在露天采石場儲量動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用

劉海生

（柳州市國土規(guī)劃測繪院，廣西 柳州 545000）

為加強柳州市露天采石場儲量動態(tài)監(jiān)督管理，防范露天采石場越界、超深及超規(guī)模開采行為，進一步規(guī)范露天采石場開采秩序，根據(jù)《關(guān)于全面開展礦山儲量動態(tài)監(jiān)督管理的通知》（國土資發(fā)[2006] 87號）及《廣西壯族自治區(qū)國土資源廳關(guān)于進一步加強礦山資源儲量動態(tài)監(jiān)督管理的通知》（桂國土資發(fā)（2013） 73號）文件要求，對柳州市13宗露天采石場進行每個季度1次的無人機航拍儲量動態(tài)監(jiān)測。先利用無人機進行低空傾斜攝影測量，然后實地進行礦山地質(zhì)測量，調(diào)查每宗石灰?guī)r礦山資源儲量開采利用情況。通過對兩期數(shù)據(jù)進行對比分析，計算出各礦山每季度的采出量、損失量和保有礦產(chǎn)資源儲量，更新資源儲量估算圖紙與管理臺賬，并按照國家統(tǒng)一要求，編報礦產(chǎn)資源儲量報表，編寫礦山儲量動態(tài)監(jiān)測報告，為礦產(chǎn)監(jiān)管部門及時了解和監(jiān)控礦山開采情況提供保障，促進礦產(chǎn)資源的有效保護和合理利用。

1 無人機傾斜攝影測量技術(shù)

1.1 技術(shù)簡介

無人機攝影測量系統(tǒng)由五部分組成，分別為飛行平臺、飛行導(dǎo)航系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。近年來，無人機傾斜攝影測量技術(shù)在測繪領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，其方法是利用無人機為飛行平臺，搭載5臺傳感器，同時從垂直和前、后、左、右五個不同角度對地表進行數(shù)據(jù)采集，通過影像糾正、平差與匹配等一系列處理，可生成包括DSM、DOM、TDOM及DLG等數(shù)字產(chǎn)品。由于無人機傾斜攝影測量技術(shù)具有高分辨率、多角度、產(chǎn)品多樣等特點，因此，在應(yīng)急指揮、國土安全、城市管理、環(huán)保監(jiān)測、礦山監(jiān)管等方面應(yīng)用廣泛。

1.2 技術(shù)流程

基于無人機傾斜攝影測量技術(shù)獲取影像制作DSM、DOM、TDOM、DLG的工作流程如圖1所示。

2 無人機傾斜攝影測量技術(shù)在礦山動態(tài)儲量監(jiān)測中的應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)采集

2.1.1 無人機傾斜攝影

柳州市地處桂中北部，屬于典型的喀斯特地貌，石灰?guī)r礦產(chǎn)較為豐富。考慮到本項目地形特點，采用成都縱橫CW-10垂直起降固定翼無人機作為飛行平臺，搭載索尼5100型5鏡頭相機，CMOS傳感器為Exmor APS HD，最大分辨率為4 000×6 000，飛行前完成相機檢校工作，包括像主點的框標坐標、相機主距和畸變參數(shù)等。根據(jù)航攝區(qū)域高差大及影像空間分辨率要求高等特點，使用“小型無人機低空攝影測量系統(tǒng)”進行自動航線設(shè)計，航向重疊度大于80%，旁向重疊度大于75%，傾斜相機角度為30～45°。

圖1 無人機傾斜攝影測量工作流程圖

2.1.2 像控點測量

外業(yè)像片控制點的點位與測量精度對最終成果精度的影響很大，因此，像控點的選擇與布設(shè)應(yīng)遵循以下原則。本項目像控點統(tǒng)一布設(shè)成為平高點，均勻分布于各礦區(qū)范圍；目標影像選擇易于判刺和立體測量的地方，一般盡量在航向和旁向六片重疊或五片重疊范圍內(nèi)，使之能盡量公用；由于各礦區(qū)范圍較小而散，像控點坐標采用覆蓋全區(qū)的GXCORS網(wǎng)基站信號進行測量，因此，控制點應(yīng)盡量選擇無信號遮擋且遠離電磁干擾的位置。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 影像預(yù)處理

由于無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)上搭載的感應(yīng)器為非測量型相機，以及影像拍攝時存在不均勻光照、不同拍攝角度和時相差等因素，影像之間差異較大，不利于后續(xù)的處理工作，因此，原始影像需要經(jīng)過畸變差糾正、勻光勻色等處理后，才能使影像在幾何尺度、亮度、飽和度和色相方面保持良好的統(tǒng)一。

2.2.2 多視影像聯(lián)合平差

因多視影像包含垂直影像和傾斜影像，多視聯(lián)合平差應(yīng)考慮影像間的幾何變形與遮擋關(guān)系，結(jié)合POS系統(tǒng)提供的多視影像外方位元素，采取由粗到精的金字塔匹配策略，在每級影像上進行同名點自動匹配和自由光束法平差，得到較好的同名點匹配結(jié)果。同時建立連接點和連接線、控制點坐標以及POS數(shù)據(jù)的多視影像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差的誤差方程，通過聯(lián)合解算，獲得每張像片更精確的外方位元素和加密點的地面坐標。

2.2.3 多視影像密集匹配

影像匹配是攝影測量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是近年來國內(nèi)外研究的熱門，同時效果較好的方法是基于計算機視覺的多基元、多視影像密集匹配方法。多視影像具有重疊度高、覆蓋范圍大、分辨率高等特點，因此，關(guān)鍵在于如何合理運用大量的多視點數(shù)據(jù)準確獲取多視影像的同名點坐標。首先，采用聯(lián)合平差獲取的精確影像外方位元素，對影像采取聚簇分類，通過初始特征匹配、膨脹、過濾三個步驟對同一地物不同角度的多幅圖像完成密集匹配，獲取密集的三維點云。

2.2.4 DSM生成及TDOM糾正

通過多視影像密集匹配獲取的高精度高分辨率的數(shù)字表面模型（DSM），充分展現(xiàn)了地形地物的表面起伏特征，DSM數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波處理后，可將不同單元的數(shù)據(jù)進行融合，從而生產(chǎn)出超高密度點云的具有真實景觀的數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)。TDOM糾正是利用DSM數(shù)據(jù)進行數(shù)字微分糾正，確定像點與地物之間的對應(yīng)關(guān)系，同時將像點的灰度值賦給相應(yīng)的地物點，有效地解決了DOM影像存在的地物傾斜、遮擋等問題，提高了正射影像的利用價值。

2.2.5 三維建模及數(shù)字化測圖

本項目采用Smart 3D軟件進行三維建模，其原理是區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差及多視影像匹配，軟件通過空三加密解算出大量連接點，并據(jù)此構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，生成三維模型表面紋理的自動映射，從而建立具有真實、自然的高分辨率實景三維模型。生成的OSBG格式三維模型導(dǎo)入EPS測圖軟件進行地形圖繪制，由于三維模型比二維影像圖更直觀真實，因此，內(nèi)業(yè)可以準確預(yù)判大多數(shù)地物及地貌，外業(yè)只是針對遮擋較嚴重的區(qū)域進行補測，極大提高了地形圖測繪的工作效率。且在三維模型上可直接采集特征點的高程信息，經(jīng)測試完全能夠滿足礦山儲量動態(tài)監(jiān)測對高程點精度和密度上的要求。

2.3 精度分析

外業(yè)采用GNSS-RTK法實地測量各礦區(qū)范圍內(nèi)的特征點，如房角點、道路交叉點和電桿等地物點，記錄各特征點的平面坐標和高程以及每個點對應(yīng)的實地位置，通過與從三維模型中提取的對應(yīng)點的三維坐標作對比進行精度評判。綜合各礦山的精度統(tǒng)計來看，平面中誤差不超過0.20 m，高程中誤差不超過0.30 m。本項目測圖比例尺為1∶2 000，按《GB/T 15967—2008 1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖航空攝影測量數(shù)字化測圖規(guī)范》規(guī)范要求，平面中誤差限差為0.8 m，高程中誤差限差為1.2 m。數(shù)據(jù)表明，利用無人機傾斜攝影測量技術(shù)生成的數(shù)字地形圖精度較高，可用于計算礦山各季度的采出量、損失量和保有礦產(chǎn)資源儲量。

3 結(jié)語

本文主要介紹了無人機傾斜攝影測量技術(shù)的原理及其工作流程，并結(jié)合實際介紹該技術(shù)在礦山儲量動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用實例。結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)的測繪方法，采用無人機傾斜攝影測量方法生成地形圖成果精度較高，工期可減少約80%，其非接觸性測量的特點更能保證測繪外業(yè)人員的安全，生成的三維模型可真實地展示礦山的開采現(xiàn)狀，直觀判斷出有無越界開采的情況以及各季度礦山采空區(qū)變化情況，提高了礦產(chǎn)監(jiān)管部門對礦山儲量動態(tài)監(jiān)測的精度和效率。不過該技術(shù)尚處于發(fā)展期，成本仍較高，待發(fā)展成熟后，將會更廣泛地應(yīng)用于測繪行業(yè)。