低空攝影技術在礦山地質災害應急測繪中的應用研究

洪劍武

（福建省地質測繪院，福建 福州 350000）

隨著社會的發展，地球的變遷與人類社會的進步使地球的地表發生了不同程度的形變。對這些變化信息進行及時、精確、迅速的檢測，有利于土地資源的合理開發、保護管理以及地球信息數據庫的更新優化。同時這種實時的精測能力也是一個國家領土安全、科技實力和經濟能力的集中表現[1]。自“數字地球”的概念出現以后，“數字地球”以一種極快的速度發展為世界各國地理信息學科的研究熱點。中國占有960多萬平方公里的國土，幅員遼闊，地形地勢極為復雜，所以精確掌握國土資源的數目、分布范圍、種類，及時了解國內領土資源的實時變動，為國土資源的科學管理、合理開發提供了關鍵性的技術支持。攝影測量作為現代獲取和分析地理信息的重要方法，是推動“數字地球”乃至“數字城市”的關鍵環節。尤其是在地域廣闊、地形極為復雜的地區，攝影技術在地形地質條件的測繪過程中發揮了重要作用。

1 基于低空攝影技術的礦山地質災害應急測繪

在礦山地質災害應急測繪工作中，無人機攝影測量技術的使用可以在第一時間內獲取到災區的影像數據。傳統航測系統即使可以較為清楚的截取到災區的高清影像，然而其拍攝的二維平面圖在很大程度上卻沒有辦法全面、客觀的獲取到空間地理信息，為應急測繪工作帶來大范圍的視野盲區與地域障礙[2]。但無人機低空攝影測繪在礦山地質災害應急測繪中的使用，可以有效彌補了傳統航測方法的缺陷，大大突破了二維影像的局限，利用低空搭載下多角度相機的拍攝有效實現了對災區信息的垂直、平行、傾斜等多個角度的拍攝工作，從而獲取到全方位、立體化的災區地物信息數據，從而為礦山地質災害的應急測繪工作提供了技術上的支持，有關無人機低空拍攝的方法如下圖所示。

圖1 礦山地質災害測繪中無人機低空航拍方法示意圖

1.1 組裝無人機傾斜相機

無人機傾斜相機主要是利用了六拼相機的運作原理，利用設計圖紙開模，制作出可以穩定安全懸掛在無人機進行航拍工作的相機支架，之后根據45°角將六個相機一一安裝在相機支架上，其中5臺相機的拍攝焦距設定為39mm的α7000相機根據事先規定好的45°角傾斜固定在相機支架，最后一臺相機的焦距設定為26mm的α7000相機根據正射角度固定在相機支架的首端，最后利用單片機完成對六臺拍攝相機的同步控制[3]。

1.2 航線設計

航線在設計時必須考慮到相機焦距大小、影像分辨率、圖像重疊的影響，為了獲取到災區地物影像資料，選擇焦距相對來說比較短的鏡頭，按照地面分辨率以及焦距大小和航高距離之間的關系，相機設定24mm焦距。借助計算獲得航高，航高的計算必須以傾斜方向的鏡頭為根據，絕對航高H絕的計算是在航高H攝和測區基面h平均的基礎上完成的，計算公式如下所示：

其中，f代表焦距，m代表比例尺航母。

其中，h最高代表最高物體的平均值，h最低代表最低物體的平均值。

由于災區高程差異比較大，考慮到災區高程對影像精確度的影響，因此，H絕的計算就必不可少了。

1.3 獲取影像數據

利用旋翼無人機的低空拍攝系統以及固定機翼無人機的正射角航拍系統的統一曝光，第一時間內獲取到災區全面客觀的影像資料，根據點、線、面三位一體的方案，實現災區地物信息數據的實時截取。

1.4 無線傳輸

借助無線路由器充當網關，有效實現地面電腦和無人機搭載筆記本的網絡連接，搭載筆記本普遍是以小型拇指電腦為主，所以能夠利用遠程控制實現低空航拍和地物信息的采集。

無線路由器作為整個局域網的核心，納入有效的無線接入點，從而使裝有網卡的計算機設備可以及時將信息傳輸至局域網。網關又稱之為連接器，是一種在網絡鏈路內實現無線局域網互關的儲存設備，能夠直接將兩個局域網連接，使當地通信固定在本網絡內。

1.5 實驗影像數據后期處理

為了證明系統的安全性和實用性，有必要對獲取數據進行后期處理，實現影像多幅拼接，以觀其效。利用影像間同名數據點的匹配以及空中航拍區域的監測能夠獲得測區第一時間密集點云。按照所形成的密集點云，借助Pix9Dmapper對獲取影像進行自動校正和DEM、生成，最后拼接為一幅完整的具備地物詳細坐標的測區影像。

同時為了更為直觀、具體的檢驗本次設計的基于無人機低空攝影技術的礦山地質災害應急測繪方法可行性，對后期獲取的影像數據處理以一種不納入地面數控點的方式為主。后期評估環節，重點是將礦山地質災害區的三維模型進行轉化，將災區地物信息存儲入庫并逐一分析，在操作命令驅動下對三維立體模型網絡進行升級服務，通過災區地物信息的分布，實現應急測繪。

點、線、面三位一體的數據獲取以及以數據融合為主的數據處理方式是借助無人機低空航拍測繪的一種技術上的創新。在數據獲取化解的點、線、面結合具體是指利用固定機翼無人機對災區地物信息進行大面積垂直拍攝，再利用旋翼無人機對災區重點進行傾斜拍攝，從而實現災區應急測繪的實時反映。在數據處理環節，所謂的數據融合具體指的是建立重點災區精細三維立體模型和大面積災區立體三維模型。

1.6 三軸平臺建模

本文我們選擇Smart3DCapture作為建模工具，Smart3DCapture是以圖形計算工具GPU為主的三維立體計算軟件，可以最大限度地實現無人機低空拍攝要求的從簡單影像中生成連續的、高分辨率的實景三維模型，構建導航坐標，導航坐標能夠借助以下兩種方法構建：一是，將陀螺直接固定在飛行機翼，利用對陀螺的控制獲取高倍率的矩陣圖形，作為導航分析而應用，即連接式導航，導航坐標具體是以數學方式體現。另一種則是將陀螺預裝在用三個支撐臺組成的機翼固定架上，利用控制其旋轉使陀螺的控制軸一直和設定好的導航坐標重合。

1.7 災害定量分析

在Smart3Dviewer中可以清楚可見災區內有無植被覆蓋的土坡以及是否有河流流經的土地，一旦發生高強度連續降雨，這些區域極有可能會出現泥石流、山體滑坡、崩塌等地質災害。

用Smart3Dviewer含有的計算工具，在災區邊界進行數據搜集，獲取可能會發生地質災害的大致范圍。按照受災區域劃定邊界，在Smart3Dviewer中明確以災區最低位置為基面，獲得立方體所有土方量。對于受災程度的評估，必須要掌握礦區災情分布并充分認識到其風險等級，利用無人機低空拍攝獲取到高分辨率、連續的影像資料，進而能夠對災區狀況產生一個清晰認知。利用之前形成的三維模型，能夠在短時間內分析泥石流、山體滑坡等地質災害發生出現的規律和波及范圍，確定危險程度，進而為政府第一時間的救援工作和災后重建提供決策支持。

2 實驗分析與結果

為驗證本文方法的精確度，特與傳統測繪方法進行對比。以南方某鄉縣礦山為例，安排航線方向為西北～東南方向。測災區面積3.6km2，分為兩個測區，兩個測區基面高程198m，絕對航高526m，航帶約長44km。本文航拍較傳統航攝需要更高的重疊度，所以本次航向重疊度設為85%左右。確定航拍任務后，首先申請空域，之后有序安排無人機分別實施航攝，對兩次拍攝獲取的影像精確度進行比較。結果證明本文設計方法獲得的重疊影像精確率相比與傳統設計不僅在百分之九十四以上，且獲得的影像數據分辨率表現穩定，滿足災區災害應急測繪地圖比例尺1：3500的影像數據標準。

3 結語

對低空攝影技術在礦山地質災害應急測繪中的應用進行分析，依托無人機的飛行特點，根據低空攝影技術的工作要求，對礦山地質災害應急測繪及時進行升級。實踐表明，該設計的方法具備極高的有效性。