基于三維數(shù)碼攝影測量的礦山地質(zhì)應急測繪實踐探索

梁 珂，劉偉東，吳 瓊，雷 江

（自然資源部第一大地測量隊，陜西 西安 710054）

礦山地質(zhì)應急測繪實踐是測繪部門針對礦山突發(fā)事件展開的一系列測繪活動，對礦山突發(fā)事件中有關(guān)礦山地質(zhì)特征進行測量，獲取、處理并分析相關(guān)的礦山地質(zhì)信息，從而為應對礦山突發(fā)事件采取一系列應急措施提供準確、可靠的數(shù)據(jù)，以此來降低礦山突發(fā)事故來帶來的經(jīng)濟損失和社會損失[1]。由于礦山地質(zhì)應急測繪具有特殊的工作性質(zhì)，要求通過采取有效的測繪方法來保證礦山地質(zhì)應急測繪工作有序、高效的開展，但是目前所使用的方法由于數(shù)據(jù)采集效率和精度較低，導致傳統(tǒng)方法已經(jīng)無法滿足礦山地質(zhì)應急測繪需求，為此提出基于三維數(shù)碼攝影測量的礦山地質(zhì)應急測繪實踐探索[2]。攝影測量技術(shù)在二十世紀五十年代被提出，發(fā)展至今共經(jīng)歷了三個階段，分別是二維攝影測量階段、模擬攝影測量階段、三維數(shù)碼攝影測量階段。目前攝影測量技術(shù)已經(jīng)全面進入三維數(shù)碼攝影測量時代，三維數(shù)碼攝影測量技術(shù)融合了攝影、測量、傳感器、互聯(lián)網(wǎng)等多個現(xiàn)代信息技術(shù)，其不僅適用于比較大范圍的區(qū)域攝影測量，而且其測量精度和測量效率不會因為天氣、光照、攝影高度等因素而受到影響，攝影測量周期較短，三維數(shù)碼攝影測量技術(shù)已經(jīng)被廣泛應用到各個領(lǐng)域中，在礦山地質(zhì)勘查、水利電力、交通等方面都發(fā)揮著重要的作用，此次將該技術(shù)應用到礦山地質(zhì)應急測繪實踐中，形成一種新的測繪方法，為采取有效的礦山應急措施提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 基于三維數(shù)碼攝影測量的礦山地質(zhì)應急測繪方法

1.1 礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)獲取

此次利用三維數(shù)碼攝影測量技術(shù)來獲取礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)。首先根據(jù)礦山地質(zhì)特征，以及所使用的數(shù)碼相機種類，對數(shù)碼相機所有攝影參數(shù)進行標定，選取一個由大小、形狀相同的黑色和白色方格拼接而成的棋盤狀模板作為標定模板，通過標定模板中的方格尺寸大小，和數(shù)碼相機所拍攝的圖像數(shù)據(jù)來標定出約束數(shù)碼相機拍攝的內(nèi)部參數(shù)。假設標定模板平面上的三維點記為J(X,Y,Z)，其所對應的像平面坐標系中二維點為v[x,y]，則數(shù)碼相機的參數(shù)標定公式如下：

公式（1）中，o和δ為數(shù)碼相機像平面坐標系橫軸與縱軸的縮放系數(shù)；R為數(shù)碼相機旋轉(zhuǎn)矩陣；W為像平面坐標系橫軸與縱軸的不垂直因子；a與b為數(shù)碼相機像主點在像平面中的坐標[3]。利用以上公式對數(shù)碼相機參數(shù)進行設定，然后采用USB的接口容量可以達到128GB，通過Ethernet或串口與飛行器連接，飛行器飛行高度與數(shù)碼相機拍攝角度需要根據(jù)具體的礦山地質(zhì)特征進行設定，通常情況下飛行器飛行高度在1000m～1500m即可，最后利用無線傳感器將采集的到數(shù)據(jù)傳遞到計算機數(shù)據(jù)庫中，以此實現(xiàn)對礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)采集。

1.2 礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，即轉(zhuǎn)入室內(nèi)數(shù)據(jù)處理階段，用V8配套預處理軟件進行三維坐標文件生成，然后將圖像像素灰度值進行處理，提高圖像數(shù)據(jù)質(zhì)量，其空間域處理可由以下公式定義：

公式（2）中，f(x,y,z)表示原圖像；g(x,y,z)表示處理后的圖像；T是對原圖像像素的一種操作，其定義在三維空間領(lǐng)域。利用上述公式對原始圖像像素增強，改變原有圖像灰度值，提高礦山地質(zhì)圖像數(shù)據(jù)清晰度。最后將增強處理后的三維坐標文件轉(zhuǎn)成數(shù)據(jù)文件（L），并對其質(zhì)量分析，統(tǒng)計各測點、剖面及礦山的觀測質(zhì)量，剔除不合格圖像數(shù)據(jù)，以此完成對礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)處理。

1.3 實現(xiàn)礦山地質(zhì)應急測繪實踐

在礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，采用GBKV603.2軟件繪制礦山地質(zhì)剖面圖，其過程如下:

（1）首先將所有的圖像對應的三維坐標輸入到GBKV603.2軟件中，完成定位。

（2）然后在GBKV603.2軟件中設置讀取三維數(shù)據(jù)的選項，建立三維坐標數(shù)據(jù)文件。

（3）通過軟件對礦山地質(zhì)高程點、地面點以及輔助點進行劃分，以此區(qū)分礦山不同的測量點。

（4）從礦山測量點出發(fā)，繪制垂直于礦山高程點向下延伸，將所有的測量點進行連接，以此繪制出礦山的基本地質(zhì)輪廓。

（5）選擇之前建立的三維坐標數(shù)據(jù)文件，展開平面點，繪制出一個完整的三維立體圖像，在圖像中可以查看到礦山所有測量點的真實三維數(shù)據(jù)，以此實現(xiàn)了基于三維數(shù)碼攝影測量的礦山地質(zhì)應急測繪實踐。

2 實驗

對于一個有效的礦山地質(zhì)應急測繪方法來說，測繪結(jié)果的中誤差必須要低于大比例尺測圖中誤差值，所以為了驗證此次設計的基于三維數(shù)碼攝影測量的礦山地質(zhì)應急測繪方法的實用性，做了如下實驗。

2.1 實驗設計

實驗以某礦山為實驗對象，在礦山內(nèi)布置了8個控制點，其中的4個控制點作為測繪精度配準控制點，剩余的4個控制點作為方法精度驗證點，表1為1：1000、1：2000、1:5000礦山地質(zhì)應急測繪方法規(guī)程GB46265-2012。

表1 礦山地質(zhì)應急測繪精度（m）

運用此次提出方法與傳統(tǒng)方法同時該礦區(qū)進行礦山地質(zhì)應急測繪，對比兩種測繪方法的中誤差。

2.2 實驗結(jié)果

通過兩種方法的測繪實踐，得到控制點與方法驗證點對比如表2所示。

從表2可以看出，此次提出的測繪方法中誤差均小于傳統(tǒng)測繪方法，并且也符合礦山地質(zhì)應急測繪方法規(guī)程GB46265-2012標準，證明了基于三維數(shù)碼攝影測量的礦山地質(zhì)應急測繪方法具有較高的精度。

3 結(jié)束語

此次將三維數(shù)碼攝影測量技術(shù)應用到礦山地質(zhì)應急測繪實踐中，形成了一種新的礦山地質(zhì)應急測繪方法，極大了提升了礦山地質(zhì)應急測繪效率和精度，突破了礦山地質(zhì)應急測繪時間短、地質(zhì)測繪難度等技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)了三維數(shù)碼攝影在礦山地質(zhì)應急測繪實踐過程中的規(guī)模化應用，并且在全國范圍內(nèi)樹立了基于三維數(shù)碼攝影測量的礦山地質(zhì)應急測繪實踐應用的典型示例，有助于推進礦山應急測繪保障服務能力的有效提升。由于此次研究時間有限，雖然在該方面取得了一定的研究成果，但仍需要繼續(xù)加強對礦山地質(zhì)應急測繪方面的研究，為礦山地質(zhì)應急測繪工作提供有利的參考依據(jù)。

表2 兩種測繪方法中誤差對比（m）