無人機低空攝影測量技術在礦山地形測量數(shù)據采集中的應用

李文輝

（吉林省恒基巖土勘測有限責任公司，吉林 長春 130015）

礦山地形測量數(shù)據采集是礦山地質勘查工作中一項重要工作內容，其不僅要求采集精度高，而且還要求礦山地質數(shù)據采集效率快。隨著礦產行業(yè)和科學技術的快速發(fā)展，對礦山地形測量數(shù)據采集提出了更高的要求，而目前礦山地形測量數(shù)據采集方法主要是依靠人工形式，采用簡單的測量儀器對礦山地形數(shù)據進行采集，這種傳統(tǒng)方法在實際應用中需要消耗大量的人力資源，并且受到礦山野外環(huán)境影響，采集時間耗時較長，已經無法滿足礦山地形測量數(shù)據采集需求，為此提出無人機低空攝影測量技術在礦山地形測量數(shù)據采集中的應用[1]。

1 基于無人機低空攝影測量技術的礦山地形測量數(shù)據采集方法

1.1 無人機低空攝影測量參數(shù)標定

在對礦山地形測量數(shù)據采集之前，首先需要對無人機低空攝影測量參數(shù)進行標定，標定的目標是為了保證無人機低空攝影測量精度，標定的無人機低空攝影測量參數(shù)包括攝像機平面坐標系橫軸與縱軸的縮放系數(shù)、攝像機平面坐標系橫軸與數(shù)軸的垂直因子等[2]。結合無人機低空攝影測量參數(shù)標定需求，采用棋盤格式標定法對其進行標定，其標定過程如下。

首先在BKS標定軟件中選取一個標定模板，該標定模板是由黑色和紅色正方形方格所組成，每個正方形方格的尺寸和大小相等，假設該標定模板上任意一點用Z(x,y,z)表示，代表任意一點在攝像機空間坐標系的三維空間坐標，則無人機低空攝影測量參數(shù)標定矩陣為：

公式（1）中，K表示為無人機低空攝影測量參數(shù)標定矩陣；w、s、e表示為無人機低空攝影平面坐標系橫軸、縱軸和豎軸的縮放系數(shù)；h、k、z表示為無人機低空攝影平面坐標系橫軸、縱軸和豎軸的垂直因子。

隨機選取標定模板一個點，將該點三維空間坐標帶入上述公式中，利用上述公式對無人機低空攝影測量參數(shù)進行標定。為了保證無人機低空攝影測量參數(shù)標定的有效性，需要選取至少六個標定模板空間坐標，進行多次標定，最終選取平均值作為參數(shù)值輸出，以此完成無人機低空攝影測量參數(shù)標定。

1.2 基于無人機低空攝影測量技術的礦山地形原始數(shù)據獲取

根據上述標定的低空攝影測量參數(shù)，結合互聯(lián)網技術在其中的應用，使用高承載量的引擎接口，進行相繼與飛行器的交互連接，此過程中，需要不斷調試連接處相機拍攝的指向方向，相機拍攝位置需要根據礦山地質勘察結果設定。為了拍攝到比較清晰的礦山地形原始數(shù)據，將無人機飛行高低控制在1000m～1200m即可，飛行高度不宜過高，否則會影響到礦山地形原始數(shù)據獲取質量。在利用無人機低空攝影測量技術進行數(shù)據獲取過程中，需要對當時的天氣情況進行評估，結合拍攝需求，應選擇晴朗的天氣進行拍攝。在完成高空無人機拍攝后，需要進一步檢測獲取圖像的質量，包括獲取的圖像是否清晰、多張圖像是否存在交叉、重影現(xiàn)象等問題。

無人機低空攝影測量技術獲取礦山地形原始數(shù)據步驟為：首先，利用計算機輔助工具，對地質礦山所屬材料類型進行劃分，對于偵查范圍較大的區(qū)域，為了避免消耗過多的人力物力資源，可通過gis獲取的信息，進行區(qū)域特征參數(shù)排列組合的重構。并根據拍攝實際需求，建設對應的規(guī)則集合，以此實現(xiàn)對拍攝影像與圖像的有效存儲。其次，對于無人機獲取的野外拍攝信息，可利用高程定位系統(tǒng)，直接獲取拍攝對象的位置信息。包括：經緯度信息、標高信息、定位信息等[3]。同時，結合被測量對象的特征與獲取信息的路徑，可采用計算機直接繪圖的方式，對無人機獲取的圖像信息進行自動化分類，病根數(shù)據類型及其的匹配對象，生成對應的高程數(shù)據模型，使用此模型對獲取圖像中不規(guī)范信息進行校正。在此基礎上，合理將拍攝圖像，存儲在計算機網盤中，避免信息丟失對無人機拍攝結果造成的影響。

1.3 礦山地形測繪

礦山地形原始數(shù)據獲取結束后，即轉入室內數(shù)據處理階段，通過對數(shù)據處理實現(xiàn)對礦山地形測繪。利用V8配套預處理程序對礦山地形三維坐標進行生成，再對圖像中個像素灰度值進行處理，保證圖像中各項數(shù)據的質量。同時，為保證將采集到的數(shù)據清晰的展現(xiàn)在圖像當中，還需要對其空間域進行合理規(guī)劃，其規(guī)劃公式如下：

公式（2）中，f(x,y,z)表示為原始圖像當中三維坐標具體數(shù)值；g(x,y,z)表示為經過規(guī)劃后的圖像三維坐標具體數(shù)值；T表示為原始圖像當中的操作系數(shù)。利用上述公式（2），對原始三維力圖礦山地形圖像的像素值進行強化，從而使其原始的像素灰度值發(fā)生改變，以此提升礦山地形測繪圖像的清晰度。最后，還需要將處理后的文件轉換為GBKV603.2軟件能夠有效識別的數(shù)據文件，并對其相關質量進行分析，對測量位置、礦山地形潑面圖以及礦山整體觀測質量進行分析，將其中不滿足標準測繪圖像要求的數(shù)據提出。

在上述操作基礎上，結合GBKV603.2軟件完成對礦山地形測繪圖像的生成。具體生成過程為：首先，將圖像當中所有的三維坐標數(shù)據轉換為數(shù)據文件格式，輸入到GBKV603.2軟件當中，完成對各個測量點的定位。其次，在GBKV603.2軟件中，銅鼓設置各個位置的三維圖像數(shù)據，構建包含礦山地形測量數(shù)據的整體三維坐標文件。再通過GBKV603.2軟件對礦山中具有一定特征的位置點進行規(guī)劃，以此區(qū)分不同地理位置下不同的地形測量點。從地形數(shù)據需求角度出發(fā)，將礦山基本輪廓進行描繪。最后，選擇原始三維坐標數(shù)據文件，通過對平面點展開的方式，繪制一個完整的礦山地形三維立體圖像，以此實現(xiàn)了礦山地形測量數(shù)據采集及可視化展現(xiàn)。

2 實驗

為驗證本文提出的基于無人機低空攝影測量技術的礦山地形測量數(shù)據采集方法在實際應用中的可行性，將其與傳統(tǒng)數(shù)據采集方法進行對比。以某礦山企業(yè)正在開采的礦山為例，隨機在礦山區(qū)域內標記八個已知礦山地形數(shù)據的位置，分 別 為 ：A：（210.5m,152.5m）、B：（204.4m,173.5m）、C ：（198.5m，165.4m）、D ：（185.4m,143.4m）、E ：（172.4m，132.5m）、F：（163.4m,135.5m）、G ：（142.7m,112.4m）、H：（123.7m,101.5m）。分別利用本文提出的數(shù)據采集方法和傳統(tǒng)數(shù)據采集方法對八個已知礦山地形數(shù)據的區(qū)域進行測量，假設本文數(shù)據采集方法為實驗組，傳統(tǒng)數(shù)據采集方法為對照組。記錄實驗組與對對照組在得出實際礦山地形數(shù)據時消耗的時間，并繪制成如表2所示的實驗結果對比表。

表1 實驗組與對照組實驗結果對比表

由表1可以看出，實驗組在采集到八個區(qū)域準確的定性測量數(shù)據時所消耗的時間明顯小于對照組，并且在對C區(qū)域、E區(qū)域和G區(qū)域進行數(shù)據采集時，對照組無法得到準確的測量數(shù)據，其主要原因是由于上述三個區(qū)域的地形相對復雜，傳統(tǒng)采集方法無法正常實施采集步驟，而本文提出的數(shù)據采集方法能夠在保證采集數(shù)據精準度的前提下，縮短采集數(shù)據用時。

因此，通過對比實驗證明，本文提出的基于無人機低空攝影測量技術的礦山地形測量數(shù)據采集方法具有更高的采集效率，并且針對復雜地形條件下的數(shù)據依然能夠保證其效率，具有更高的應用價值，值得在礦山企業(yè)得到廣泛應用和推廣。

3 結束語

本文將無人機低空攝影測量技術應用到礦山地形測量數(shù)據采集中，形成一種新的礦山地形測量數(shù)據采集方法，無人機低空攝影測量技術的應用有效提高了數(shù)據采集精度和效率，同時也提高了礦山地形測量數(shù)據采集技術水平。