無人機傾斜攝影測量在礦山測繪中的應用

劉法軍

（山東省地質礦產勘查開發局第五地質大隊，山東 泰安 271000）

礦山建設離不開大比例尺礦山地形圖的測量工作，礦山測繪伴隨著礦產資源勘查、開采以及礦山恢復治理等整個過程中。因此，如何提高礦山測繪效率和提高礦山測繪質量成為限制礦山企業發展的一個環節之一[1]。隨著現代化礦山建設需求，傳統的礦山測繪技術在測繪周期、精度等方面無法滿足現代礦山測繪周期短、精度高的基本要求，因此礦山測繪中逐漸引入了更多的現代化測繪技術，如無人機傾斜攝影測量技術等，并取得了良好的應用效果。

1 無人機傾斜攝影測量技術概況

傾斜攝影測量技術的應用較早，早期階段主要應用于有人飛機上，以通過攝影影像獲取建筑物立面的紋理信息為主，并未應用于地形測繪等領域，即應用領域極為局限。隨著無人機技術的快速發展，結合現代化動態GPS定位技術、圖像融合處理技術的快速革新，逐漸將傾斜攝影測量技術與無人機技術相結合，實現了大比例尺地形測繪等，也逐漸的應用于礦山測繪、工程測繪等領域，擴大了社會服務范圍，提高了測繪精度和縮短了測繪周期[2]。現階段常用的無人機傾斜攝影測量技術應用流程示意見圖1。

2 無人機傾斜攝影測量在礦山測繪中的應用

2.1 無人機傾斜攝影測量準備工作

本文以某礦山的大比例尺地形測量為例，講述無人機傾斜攝影測量技術在礦山測繪中的應用。本次選用的無人機型號為HARWAR-YT無人機，配套安裝相應GPS定位系統、飛行管理系統，選用哈瓦傾斜數字航空攝影相機搭載。無人機傾斜攝影測量技術對無人機飛行條件的要求較高，在使用該技術時應注意以下幾點內容：①不同的天氣氣候對無人機傾斜攝影質量影響較大，因此需根據測繪區域的氣候變化選擇合適的季節飛行，一般選擇在每年的五六月份進行，該階段氣候一般吻合、少雨，普遍適用無人機飛行；②在確定大致飛行時段內要選擇具體的氣候變化，如選擇天氣晴朗、無風或者微風天氣等，即需要根據測繪區域的氣候制定相應的飛行時段，一般選擇上午10點至下午2點之間[2]；③重疊度設計問題，根據測繪區域地形地貌變化特征制定相應的旁向重疊度、航向重疊度等參數；一般旁向重疊方向以平行于測繪區域邊界的首末航線敷設，并位于測繪區域邊界外側，而航線重疊方向按照超出測繪區域邊界設計基線長2倍進行。

圖1 無人機傾斜攝影測量技術流程示意圖

2.2 無人機傾斜影像獲取

在上述準備工作的基礎上，對測繪區域進行地形地貌踏勘工作，對地形地貌變化大的區域根據實際狀況劃分飛行子區塊，即將測繪區域根據地形地貌變化劃分為不同的飛行區塊，再根據不同區塊特征設計飛行高度、航向重疊度、旁向重疊度等參數[3]。

本文所舉例的測繪區域地形地貌起伏變化適中，不需分割飛行區塊。因此，本次設計飛行速度為70km/h，航線敷設方法為東西向，相對航高為200m，平均地面分辨率為0.06m，設計航向重疊度為75%，設計旁向重疊度為65%，最終地形圖成圖比例為1:1000。此外，在使用無人機傾斜攝影過程中，雖然攝像機實現了多視角拍攝的技術條件，但難免受地形地貌、高大樹木遮擋等因素的影響，導致攝影出現“留白”等問題。為了提高攝影質量，在飛行攝影之前需要在測繪區域建立相應的像控點及加密點。在實現無人機傾斜影像獲取及預處理后，將測繪范圍內的影像投影至虛擬影像中，可以有效的減少突出地面豎直物體的重影現象，進而提高無人機攝影影像質量。

2.3 像控點測量

像控點測量工作是無人機傾斜攝影測量必不可少的環節，是提高無人機傾斜攝影測量質量的主要手段之一。因此，加強地表像控點布設的合理性至關重要，如像控點一般布設在地形無爭議、較明顯區域等。空中三角加密測量也是提高無人機傾斜攝影測量精度的重要方法之一，但是空中三角加密測量并不完全取決于測繪區域地表像控點的密度，而是與測繪區域的地形地貌和像控點均有較大的關系，如在復雜地形地貌區域，為了提高測繪質量可在規范要求密度基礎上加密布設像控點，而在地形地貌變化范圍小的平原區域，可適當的降低像控點的布設密度。

像控點的布設質量直接關系著無人機傾斜攝影測量質量，因此，在布設像控點過程中應注意以下幾點內容[4]：①若像控點位于飛行子區塊之外，則該類像控點以控制測量整個測繪區域為基礎，因此應布設在測繪區域邊界線以外，且位于航向大于100m、航向基線不少于1條的區域；②若像控點位于航線兩段，則要求像控點的左右偏離半徑不大于半條基線的長度；③像控點的布設位置應該不存在地形爭議，即布設于地形易識別的區域，此外，像控點的標準必需是清晰的，一般選擇地塊角、房角等地物，若像控點為多個地物的交匯部位，則必需滿足多個地物的交匯角介于30°～150°之間；④像控點一般布設在周邊地形變化較小的區域，如山頭等部位，可以有效的提高無人機傾斜攝影測量精度；⑤像控點布設應避開植被發育、墻角等部位，防治在飛行攝影過程中因遮擋而無法獲得像控點的信息；⑥像控點的布設位置一般選擇交通條件方便、易于保存的區域，可作為二次礦山測量的水準點等。

2.4 空中三角加密處理

無人機傾斜攝影測量技術與無人機直射攝影測量技術相比，前者實現了多角度獲取測繪區域影像資料的目的，明顯降低了攝影盲區的弊端。但是，無人機傾斜攝影測量在實際獲取測繪區域影像數據時，受地形地貌變化、高大樹木遮擋等問題仍然出現測量空白區域，或者出現地面控制點達不到實際需求等現象，導致最終的測量精度明顯降低，此時需要進行空中三角加密測量[3]。空中三角加密測量技術可以彌補上述不足之處，主要依賴于對影像外的方位元素的準確預算上，使用數據處理軟件將地表干擾因素剔除，進而提高測量精度的方法，尤其是對地形地貌復雜區域的測量精度具有較明顯的改善。

因此，在獲取測繪區域攝影數據的基礎上及時的檢查攝影數據質量，若影像質量不滿足基本需求，應及時開展重新攝影測量工作，對于滿足基本要求的攝影數據在預處理、校正后進行空中三角加密測量處理，再輸出相應的加密校正成果，如DSM等。

2.5 數據采集與三維建模

大比例尺礦山地形圖的三維建模是實現數據采集的基礎，在經過影像數據處理軟件的幾何校正、平差處理、多視角匹配等操作的基礎上，進一步獲取測繪區域的三維傾斜模型。在此基礎上采用傾斜攝影配套的數據處理軟件獲得測繪區域地物、地形信息，即數據的采集。數據的采集主要包含三個方面的內容：一是地物要素的人工采集過程，即通過手動的方式采集測繪區域像控點信息，提取建筑物輪廓等；二是自動獲取三維地形信息，主要指的是等高線、高程點信息的自動化提取，僅需要后期人工整飾處理即可[4]；三是遮擋等問題的處理過程，以攝影影像數據為基礎，結合全站儀水平測量等對遮擋區域進行補充測量，彌補測量“空白”等問題。此外，在數據采集過程中要根據輸出地形圖比例尺大小等確定等高距、高程注記點的疏密等，以圖形表達美觀、符合規范要求為基本原則。

2.6 外業調繪及補測

上文已述及，雖然無人機傾斜攝影測量在很大程度上降低了攝影盲區等問題，但仍然不可避免的受地形地貌、植被發育狀況、建筑物分布等因素影響出現攝影盲區，即無法通過攝影測量獲取上述區域的地形信息等，此時需要借助其他測量技術方法進行外業補測等[2]。因此，在影像數據內業處理過程中將攝影盲區標注出來，及時的開展外業實地調繪和補測工作。另外，對于內業處理過程中存在爭議的地形地物也應標注處理，進而通過外業調繪或者補測解決，可提高無人機傾斜攝影測量精度。

3 結語

綜上所述，無人機傾斜攝影測量技術在大比例礦山測量中具有明顯的應用優勢，通過實際測量實踐表明，無人機傾斜攝影測量能夠在較短的時間內完成測繪任務，提高了社會服務效益，獲取的大比例尺地形圖平面位置中誤差為6.5cm，高程中誤差為12.6cm，測量精度完全滿足相應比例尺誤差要求。因此，將該技術廣泛的應用于現代化大比例尺地形圖測繪中，不僅提高了測量精度，而且降低了測繪更本。