無人機傾斜攝影測量技術在礦山治理中的應用分析

宋小平

（寶雞西北有色七一七總隊有限公司，陜西 寶雞 721012）

無人機傾斜攝影測量技術是以無人機為航攝平臺，通過搭載多種航攝傳感器后，獲取地面垂直和傾斜角度的多個方向的影像二維相片或掃描的點云數據，獲取的數據可以進行多光譜影像分析、正射影像制作、DSM和DLG數據制作等，還可以結合機載POS數據、像控測量成果及其他矢量數據，構建地物與地貌的真實三維模型。應用于礦山恢復治理中，可以快速形成實景三維模型，能夠極大地提高測繪及治理效率、節省成本，并且形成的三維模型有著效率高、三維場景逼真度高等優點。

1 無人機技術

無人駕駛飛機簡稱“無人機”，英文縮寫為“UAV”，作為一種可搭載多種傳感器的航空器，其主要是由計算機編程自主系統以及無線電遙控設備組成，并在無人機上安裝自動駕駛裝置以及導航儀設備，作為一種具有遙感控制性的飛行平臺。為了實現無人機的各種飛行要求，目前無人機通常采用碳纖維、玻璃鋼等復合材料制成，可以有效減輕機體重量，延長飛行時間，使無人機的飛行性能更加穩定。在測繪行業，無人機一般分為固定翼和多旋翼兩種。固定翼無人機的長航時、高速度、高效率的優點備受人們青睞，但其多為滑行及彈射起降，對起降場地及操控技能要求較高，對于在城鎮及山區等特殊地形下，難于實現安全飛行。多旋翼無人機多見四旋翼、六旋翼及八旋翼，具有垂直起降、定點懸停、操作簡單等特點，但其相對航時短、飛行速度慢、效率低。為了彌補兩類機型的不足，人們研究開發出了帶有固定翼的垂直起降的無人機，如華鷂P316和智能鳥KC3400等。

2 傾斜攝影測量技術

傾斜攝影測量將傳統航空攝影技術與數字地面采集技術相結合，在同一飛行平臺上攜帶多種傳感器，從垂直和多個斜角獲取圖像。通過綜合研究和計算，形成了一種稱為航空多角度斜向攝影的高新技術。該技術同時從一個垂直、四個傾斜，五個不同的視角同時捕捉地面圖像，從而獲得地物頂部和側面的豐富的高分辨率紋理[3]。它不僅可以精確地反映地形表面的狀況，還可以通過先進的定位、整合、建模等技術構建出實景的三維模型。傾斜攝影測量技術主要特征：

（1）傾斜攝影影像數據的高價值性。獲取的圖像數據是可測量的數據，具有空間位置信息。專業的測量軟件可以測量和計算圖像數據，可量測包括面積、高度、坡度、長度等。同時可以輸出DLG、DSM、DOM等數據成果，使傾斜攝影測量技術可以應用于多種領域。

（2）傾斜攝影影像數據的三維性。傾斜攝影數據的多角度、全方位、真三維的影像數據，能夠真實地反映地物地貌的高度、外觀、顏色、位置等屬性，能夠更加逼真的反映地物的實際情況及屬性。

（3）傾斜攝影影像數據的高效率性。傾斜攝影測量技術可借助無人機等多種飛行載體快速采集地面的影像數據。因無人機的低成本，易操作、受天氣影像小等特點，可以增加快速數據收集，同時大規模提取和紋理數據技術，可以提高三維建模的效率，降低三維建模的成本。

傾斜攝影技術的強大技術優勢，使其在各行各業得到了極大地認可，但在進行實際的三維建模項目生產中，傳統的傾斜攝影測量技術一般都是采用較大的飛機載荷，專業攝影相機，申請空域等程序，對于重大項目及較大區域而言，能夠有效提高效率；但對于一般的建設單位及較小面積的復雜區域，如此的高成本、長周期，讓很多項目望而止步。因此，在無人機低空范圍內搭載多傳感器采集圖像的選擇，是一種相對便宜、更有效、更容易獲得數據，以創建三維模型的方式。

3 無人機傾斜攝影技術

無人機傾斜攝影技術是一種集無人機技術，遙感傳感器技術，實時通信技術，GPS差分技術、POS定位、定向技術、自動化和智能獲取空間地理信息等多種學科及技術的綜合，通過強大的后臺數據處理系統，形成的新的測繪技術，其可以實時的處理數據和進行建模。

3.1 無人機傾斜攝影測量系統和傳統衛星航天遙感以及大飛機航空攝影系統相比，擁有以下幾個方面的優點：

（1）低成本、低風險：簡單的通用無人機形態，容易組裝，容易修理，低成本，有可靠的實時信息，能精確定位目標。在航空攝影的過程中，飛行導航控制系統按照前期設計好的航線及起飛、降落位置進行自動飛行，獲得的影像數據或點云數據可以實時傳輸到地面控制端保存。因此，即使在森林等困難地區或大風等惡劣環境中，即便無人機被損壞，也能保證操作者和圖像數據的安全。

（2）高分辨率：無人機因受自身重量、動力等限制，飛行攝影高度通常在低空進行，較低的海拔更接近地面特征和景觀。因此，可以采集到高分辨率的多角度的影像數據。目前無人機拍攝的影像分辨率可以達到0.05m～0.5m，在1：5000至1：500的測繪比例尺成圖精度要求下，滿足相關規定，可以用來創建大比例尺的DOM、DLG和高精度三維模型[4]。

（3）快速靈活：無人機可以在各種地形環境中靈活起降，如平地、農田、道路、草坪、廣場、船舶等。它們也可以由輔助設備發射，如彈射器和滑翔機，并通過懸停或跳傘回收。因其受天氣條件和地形條件影響較小，使數據獲取的時效性得到大增強。

3.2 無人機傾斜攝影測量系統和傳統衛星航天遙感以及大飛機航空攝影系統相比，存在的不足:

（1）無人機因體積小，質量輕，飛行中受風力等外因影響明顯，會造成飛行姿態不穩定，旁向重疊度和航向重疊度都不規則。

（2）無人機上搭載的大都是普通的非量測相機，一般像幅較小，所以在相同區域，像幅數量會較多。此外，由于飛行姿態等原因造成的圖像重疊程度較高，圖像數量也會較大，因此在較大的測試區域內往往出現多達數千幅的圖像，對后期的數據處理造成加大的壓力。

4 礦山環境的恢復治理

隨著科技的不斷進步，以及國家對于自然環境保護要求的不斷重視，礦山環境恢復治理已經成為各地區環境治理的一大方向。因為礦山開采的持續性和破壞性，一般會造成地區或者區域的長期環境破壞，給人們的生產和生活造成極大的影響。

礦山環境的恢復治理具體有裸露巖石邊坡植被恢復、礦山綠化、工業尾礦及垃圾場的恢復治理等，因礦山位置的特殊性、開采的持續性、堆放及施工切面的復雜性，給傳統測繪的實施造成了極大的困難，且效率較低，同時傳統測繪成果為礦山治理恢復能夠提供的依據數據量有限。因此，采用無人機傾斜攝影測量技術對礦山的全貌進行攝影測量，形成三維的實景模型，能夠極大地提供數據依據，更好的支持恢復治理，并且能夠更好的、更直觀的幫助礦山的開發和治理規劃。

5 無人機傾斜攝影在礦山治理中的應用

5.1 測區概況

本文選用寶雞市太白縣鸚鴿鎮鸚鴿村，鸚鴿村位于陜西省寶雞市太白縣，地形條件復雜，屬于秦嶺山脈，高山地形。測區交通不便，僅有眉太公路經過，氣候四季分明，本次測區南北長500米，東西長400米。鸚鴿鎮鸚鴿村露天采石場見圖1：

圖1 采石場

5.2 目標確認和空域申請

在進行無人機航空攝影的前期，應該根據具體的目標任務提前做好空域申請和飛行計劃。飛行計劃主要內容有：①測區概況：要了解測區的位置、地理環境及測區范田；②確定攝影比例尺和航高；③無人機起降的具體位置；④選擇合適的攝影相機；⑤確定拍攝日期。

為提高空域資源利用率，保障飛行安全，在無人機低空航拍前，應按有關規定申請試驗區空域飛行許可。未取得飛行許可的，應當重新制定飛行計劃、時間、范圍，重新做好充分準備，再次向空域管理部門申請空域。

5.3 航線技術設計

根據低空航空攝影規范的相應規定，航空攝影的技術參數必須設計成確保無人機在執行之前按照預定的軌道飛行。具體的技術參數包括多個方面：設定飛行高度，設定路線，設置像素覆蓋等等。根據大操作區域的要求，根據地圖的分辨率和地圖的比例尺，比較表1中的數據，將該區域的地形景觀條件組合起來。根據公式（1）計算航高[1]。

式中：H為攝影航高：f為物鏡鏡頭焦距：a為像元尺寸，GSD為航攝影像地面分辨率。

表1 測圖比例尺對應地面分辨率

在地面工作準備完成后，地面應在無風、無云、風量小的天氣條件下，由配備航拍相機的低空無人機拍攝。地勤人員對通過傳輸獲取的數據進行核對，對重疊不足、照片丟失、重點區域及時補拍。經數據檢查完整合格后，無人機結束飛行任務，對其進行回收。

5.4 檢查點布設情況

依據低空攝影測量內外業成圖精度的規定，像控點布設應該遵循以下原則：

（1）在復雜地區，在無人機拍攝影像之前，必須在地面上安裝相對清晰的標志，這些標志應該被用作控制點，以提高穿刺點的精確度和控制點的可靠性。

（2）像片控制點按照航線在整個測區進行統一布設。布設在同一位置的平面點與高程點，最好能夠聯測成平高點。

（3）通常情況下，像控點應該布設在相鄰航線之間的重疊部分，在航線旁向重疊度過小或沒有重疊的區域，必須分別布設像控點。

（4）受天氣、風和光條件的影響，影像邊緣會發生變形，相對投影誤差會增大，不利于后期圖像的準確解釋和準確穿刺。因此，控制點不應放置在距離圖像邊緣不到1cm的位置。一般情況下，控制點應選擇在重疊點附近的中線小于3cm的位置。如果它大于這個距離，應該單獨設置。

（5）通常情況下，控制點布設時，應盡量布設在標準位置上，比如像主點與方位線垂直的直線位置周邊。像控點也可以布設在航向方向重疊部分，或者布設航向三片重疊與旁向重疊的中間位置。

本次檢查點是由像控點中選出6個作為檢查點，檢查點主要應用中海達V30 RTK，采用GPS RTK（1+2）測量模式對檢點的大地坐標進行測量。

6 傾斜攝影成果精度分析

6.1 空三加密的檢查點精度

經過空加密和三重加密的聯合調整后，檢查點誤差為實測坐標值與對應圖像點坐標計算的加密坐標值之差所得到的值。經計算殘差見下表2：

表2 檢查點的方向殘差（單位：m）

利用中誤差計算公式評定平面位置精度[1]：

由以上公示計算可得，檢查點的平面中誤差是0.105，其中最大誤差是±0.210。同理可得，高程坐標中誤差是±0.128，其中最大誤差是±0.210。

檢查點最大限差不得大于下表3[1]。

表3 檢查點誤差最大限差表

通過檢查點同表3對比可知，空三加密檢查點精度符合相應精度要求。

6.2 平面及高程精度檢查

外業測量檢查點，采用中海達V30接收機，利用GPS RTK（1+2）的測量方法，測定位置明顯、周邊環境較好、易于查找的點位作為檢查點，其坐標值可作為真實值，同三維模型中相同點位坐標數據進行比對。通過求解平面中誤差及高程中誤差，見上述中誤差計算公式②、③、④，按照《CH/T_9015-2012.三維地理信息模型數據產品規范[S]國家測繪局，2012.》中對于三維模型的相關規定，既要求平面精度不低于表4[2]、高程精度不低于表5[2]：

表4 平面精度單位：m

表5 地形精度單位：m

用無人機傾斜攝影測量，可獲取露天礦山規劃治理及監測所需的高分辨的DOM數據、三維傾斜立體模型數據以及DLG數據等，通過對檢查點進行實測數據及模型數據對比分析，模型中各檢查點精度滿足相關規范要求[6]，能夠直觀地展現整個治理區的范圍與地形概況，同時可以利用Smar3D、Acute3DViewer、Artmap等軟件對DOM數據進行平面量測，得出需要重點監測、治理的露天礦山的開采范圍、危險情況、開采面積、標高等基礎信息。

7 結論

基于無人機的低空傾斜攝影測量技術作為一種全新的三維建模技術，成為基礎地理信息采集與三維場景建模的重要手段。而采用低空無人機搭載多種傳感器進行的傾斜攝影測量，其利用多視角航攝儀采集地面目標物的前、后、左、右以及頂部五個角度的二維相片，經過專業軟件的數據處理，形成目標區域的實景三維模型成果，已經得到極大的認可。

本文主要以寶雞市太白縣鸚鴿鎮一處礦山治理的生產任務為主體，對低空無人機傾斜攝影測量成果進行數據分析，通過對檢查點及三維模型點位的精度分析，從空域申請、像控點布設、航線設計等方面簡要的闡述了傾斜攝影中的注意事項及能達到的精度。本文主要工作結論包括：

（1）通過實踐檢查，低空無人機傾斜攝影測量技術完全可以滿足大比例尺的DLG的數據采集生產。

（2）在較復雜或危險的露天礦區，利用低空無人機傾斜攝影測量技術進行監測，極大的提高了工作效率和周期，而且獲取的數據成果滿足礦山的恢復治理、環境監測及后期規劃。