基于傾斜攝影實景三維模型的礦山地形圖測繪技術分析

賀新慧

（河北省地礦局第四地質大隊，河北 承德 067000）

礦山開采的安全一直都是社會和相關領域研究人員重點關注的問題，因此我國各級相關的管理部門對于礦山的安全生產也高度重視。但是在目前的實際工作中，對于礦山地形圖的測繪工作來說，對建立的模型進行數字化能夠突破傳統地形圖繪制時需要實地調繪的限制，且不需要借助立體眼鏡來觀測模擬立體模型，打破了在繪制過程中的局限[1]。近年來傾斜攝影測量技術飛速發展，在礦山數字三維建模方面的應用更加廣泛，目前對于礦山的視景三維模型進行矢量數字化具有重大的意義。傳統測繪技術中，模型由于一些原因會產生一些誤差，導致測繪精度較低，因此本文設計一種基于傾斜攝影實景三維模型的礦山地形圖測繪技術。

1 基于傾斜攝影實景三維模型的礦山地形圖測繪技術分析

1.1 傾斜攝影實景三維建模

與傳統的攝影測量相比，傾斜攝影實景三維建模的生產成本更低，建模速度快，能夠達到野外測量無法到達的區域。在傾斜攝影建模過程中，首先建立不同像片之間的連接關系，使用SIFT特征匹配算法，檢測圖像，生成SIFT特征描述符，完成SIF特征向量的匹配。在數據處理過程中，傾斜攝影測量得到的內業數據一般會采用光束法，在區域網之間使用不同觀測手段得到的兩種數據進行聯合平差，通過前方交會和后方交會，通過控制點的坐標求解像片外方位元素和加密點地面坐標近似值，逐點建立誤差方程的法方程，求解像片外方位元素，前方交會計算加密點坐標，完成空中三角測量[2]。通過多視影像密集匹配技術生成密集點云，并構建不規則三角網，將礦山的每個物體通過構建的三角網完成真個模型的構建。當礦山的地物比較復雜時，為了真實還原模型與地面之間的相似度，可以增加三角網的密集程度來達到反應真實地物結構的目的。在完成三維建模后，通過紋理映射進行表面的紋理賦予，就是將三維物體表面映射二維空間點對應的顏色，得到復合人眼視覺的真實色彩模型。

1.2 糾正畸變差

圖1 傾斜攝影相機畸變模型

在三維建模的過程中，一些步驟中會出現誤差，影像預處理能夠控制圖像噪聲，減少誤差的傳播，也是傾斜攝影圖像處理的重要步驟。畸變差主要分為系統性誤差和隨機性誤差，系統性誤差一般是由于光學畸變和相機內部的產生的機械誤差，可以概括為徑向畸變誤差、切向畸變誤差和機械畸變誤差；隨機性誤差一般是由于相機內部的電荷藕原件和電信號不穩定引起的，可以概括為視頻信號轉化為數字影像時產生的錯動誤差、影像的奇數行和偶數行之間的錯位誤差和時鐘頻率不穩導致的采樣間隔誤差。相機鏡頭產生的誤差一般都為非線性，畸變的發生模型如圖所示。

上圖中，虛線表示沒有發生畸變的情況下的理論模型，實線為產生畸變后的實際模型。上圖中的圖（1）表示桶型畸變模型，表明除了主點沒有變動，其余所有的點均向主點靠攏；圖（2）表示枕型畸變模型，表明除了主點沒有變動，其余所有的點均遠離主點進行擴張。為了避免傾斜攝影相機鏡頭畸變產生誤差，誤差導致傳播后期圖像處理精度過低，需要通過相機校檢獲取相機的內方位元素、光學畸變參數和面陣變形參數，并通過修改參數值等方法完成鏡頭畸變差的糾正。

1.3 布設像控點

在礦山地形測繪的過程中，測區內的測量控制點會參與到后期的空中三角測量中。并利用控制點的坐標進行光束法區域網的平差計算。因此像控點的布設位置、布設數量以及平面位置的高程測量會直接影響空中的三角測量，間接影響測繪的精度。像控點的布設方案需要根據測試的實際情況來具體問題具體分析，遵守均勻布設控制點的原則，傳統的測繪方法中，控制點在控制網中的密度越大，生成的測繪產品精度就越高。但是本文使用的是光束法區域網的平差，就大大減少了對像控點數量上的依賴。如果測區內的控制方案設置為3個角點時，區域網的平差精度能夠達到一個較高的水平，進一步增加像控點的數量對于提高精度來說，效果并不明顯。因此在確保精度較高的情況下，盡可能降低外業工作量，這樣才能夠提高無人機傾斜攝影測量的工作效率，并不會降低測繪精度。

因此能夠對像控點布設原則和布設方案做出以下要求：①控制點的布設位置盡量考慮到覆蓋每張像片；②在平高控制點布設過程中，需要將控制點的航向間隔設置為4條航飛基線以下；③在測區的平行相鄰范圍內，控制點基線跨度應小于或等于2條基線；控制點布設在合理的成圖范圍內，并且清晰可見，在像片刺點時清晰可見。在本文的測繪技術中，控制點測量使用的是RTK測量方法，并需要測量控制點坐標。在布設控制點的過程中，需要均勻布設在村莊的平坦道路上，覆蓋整個測區。像片刺點主要是指人工準確的輸入野外測量控制點坐標，并與相應的像片地物完全對應，這些控制點坐標需要參與后續空中三角測量，能夠有效避免刺點粗差，提高測繪的準確度。至此完成基于傾斜攝影實景三維模型的礦山地形圖測繪技術的研究。

2 實驗

2.1 實驗測區概況

為了驗證本文設計的基于傾斜攝影實景三維模型的礦山地形圖測繪技術的有效性，需要行進對比實驗。本文實驗測區選擇了某丘陵地貌的礦區，測區的總體地勢為南高北低，屬于中溫帶半干旱型氣候，測區內無嚴重遮擋。在像控點的布設方案中，相控點的大地坐標如下表所示：

表1 測區相控點大地坐標

本文選取的傾斜攝影無人機為多旋翼無人機，飛行高度為80m，地面分辨率為0.0219，航攝比例尺為1:1000，像元大小為13.2mm＊8.8mm。在上述的實驗條件下，對本文設計的測繪技術和傳統的測繪技術進行精度對比，對檢查點的殘差進行統計分析。

2.2 實驗結果對比與分析

在上述的實驗條件下，得到本文測繪技術和傳統測繪技術的檢查點殘差，如下表所示：

表2 測區檢查點精度對比分析

根據上表的數據經過計算，能夠得到本文測繪技術檢查點的平面中誤差為0.03m，高程中誤差為0.12m，傳統測繪方法中檢查點的平面中誤差為0.11m，高程中誤差為0.13m.由此可以看出，本文設計的測繪方法具有更高的精度。

3 結束語

科技的高速發展推動了礦山企業的重大改革，但是由于礦山地形圖測繪技術體系的不完整，導致礦山地形圖在測繪的過程中出現一定的精度誤差。針對這種情況，本文設計了一種基于傾斜攝影實景三維模型的礦山地形圖測繪技術，對建模和測繪過程中容易出現誤差的環節進行了修正，通過實驗結果表明，設計的測繪技術具有更高的精度。