礦山監測中無人機三維傾斜攝影技術應用研究

馮 文

（湖南省第二測繪院，湖南 長沙 410000）

最近幾年，隨著我國社會經濟不斷發展，礦山工程開采工作受到了越來越多的重視。礦山工程是我國經濟發展的重要支撐，開采過程是否順利直接影響整個礦山工程的經濟效益。因此，在礦山開采中，需要注重環境監測工作，充分利用現代化科學技術，實現精準地質定位和高度信息采集。無人機三維傾斜攝影技術，屬于當下較為先進的技術手段，在多個領域中得到廣泛應用，該技術可以持續、不間斷的監測地表，便于相關人員對礦山地質背景的了解與掌握，能夠對地層巖性進行判斷，對地層構造進行了解等等，便于相關人員對礦山地質情況進行科學化管理。因此，在實際工作中，相關人員可以結合實際情況，通過科學合理的手段，利用無人機三維傾斜攝影技術，不斷提升礦山監測水平。

1 無人機三維傾斜攝影技術及其特點

在同一飛行平臺中，對5臺傳感器進行搭載，且同時從一個垂直、四個傾斜角度，對影像進行采集。在對相片拍攝的同時，對航高、航速、航向、旁向重疊、坐標等參數進行記錄，然后分析與整理傾斜影像[1]。在一個時段，無人機線路對幾組影像重疊的照片進行拍攝，在3張照片中可以找到同一地物，便于相關人員分析結構，且可以挑選較為清晰的一張制作紋理，把直觀、真實的實景信息提供給用戶。影像數據不僅可以對地物情況進行真實反應，還可以利用先進的行為技術，對地理信息、影像信息進行嵌入，獲得更高的用戶體驗，能夠對遙感影像的應用范圍進行拓展。

無人機三維傾斜攝影技術主要有以下幾個特點：第一，能夠對地物真實情況進行反映，能夠對地物進行量測。無人機三維傾斜攝影測量，可以獲取三維數據，對地物的外觀、高度、位置等屬性進行真實反映，提升三維數據的真實感，有效彌補以往人工模型仿真度低的問題[2]。第二，性價比較高。無人機三維傾斜攝影測量數據中帶有空間位置信息，能夠對DSM、DOM、DLG等數據成果進行同時輸出，可以滿足傳統航空攝影測量需求的同時，獲得更多的數據信息；并且利用該技術可以批量提取和貼紋理，能夠降低三維建模的成本。第三，測量效率較高。無人機三維傾斜攝影測量技術，利用無人機飛行載體，可以對影像數據進行快速采集，實現全自動化三維建模。根據相關研究顯示，人工建模需要1~2年完成的工作，利用該技術只需要3~5個月。

2 無人機三維傾斜攝影的關鍵技術

2.1 多視影像聯合平差

在無人機三維傾斜攝影技術中，該項技術是非常重要的，其中包括諸多數據，如傾斜攝影數據、垂直攝影數據。在以往測量系統中，并沒有對傾斜攝影數據進行有效處理，而通過該技術，可以全面考慮到影像之間的遮擋、幾何變形等因素[3]。在實際工作中，利用該技術，在POS系統中，通過多視影像外方位元素，堅持從粗到精的匹配原則，利用自動配偶和自由網光束法平差的手段，在每級影像中獲取匹配結果。與此同時，對連接點、連接線進行創建，利用GPU/IMU輔助數據，以及控制點坐標的多視影像自檢校區域網平差的誤差方程，經過聯合結算，能夠獲得準確的平差結果。

2.2 多視影像密度匹配

在實際工作中，影像匹配屬于基礎工作，通過多視影像密度匹配，不僅可以覆蓋較廣的范圍，且分辨率也相對較高。因此，怎樣在匹配時對冗余信息進行全面考慮，快速精確的獲得同名點坐標，進而明確地物三維信息，已經成為了多視影像匹配的關鍵內容。在以往工作中，工作人員僅僅通過一種匹配基元，或者是僅僅通過一種匹配策略，這樣是很難對建模需要的同名點進行獲取的，所以最近幾年多基元、多視影像匹配成為了研究重點內容[4]。根據相關調查顯示，目前該領域研究進展良好，例如可以實現自動識別與提取地物的側面，通過對多視影像中的特點進行搜索，如紋理等，工作人員可以明確地物的二維矢量數據集，在影像中工作人員可以結合不同的視角二維特點，轉變成為三維特點，工作人員在確定墻面時，可以設置相關因子，且進行權值設定，把墻面分為相應的類型，開展平面掃描工作且對地物各個面進行分隔，進而可以獲取建筑物側面結果，最后對側面進行重構，獲取地物的輪廓與高度。

2.3 數字表面模型生成與正射影像糾正

在影像密集匹配期間，相關人員要制作具備較高分辨率的數字化模型，全方位展現地物起伏具體特征，此種方式也發展為空間獲取設備信息的主要內容。由于多個視角下進行傾斜影像分析要思考到尺度的差異，再者對應遮擋和陰影問題比較顯著，如傾斜影像得到數字化模型過程比較繁瑣，結合自動空三解研究多個影像的方位元素，給予合適的模塊單元進行科學選擇，進行特征配置和密集配置，同時納入并行算法，促使計算成效可以提升[5]。另外得到高密度數字化模型之后，通過濾波對不同單元模塊進行處理，保障數字化模型的設置具備統一性。需要注意的是，影像正射糾正要思考物方持續數字模型以及地物對象的離散分布情況，賦予影像糾正典型信息密集特點。

3 礦山監測中無人機三維傾斜攝影技術應用

3.1 數據獲取和處理

首先，像片控制點布設和測量。在礦山監測中，利用無人機三維傾斜攝影技術進行數據獲取與處理是非常重要的環節，其是后期計算礦山儲量和監測開采范圍的基礎。在像片控制點布設中，利用區域網布點法，結合測區面積大小和地形地貌特點，在礦區布設相應數量的平高控制點，如圖1。為了保證坐標基準一致，無人機航攝影片控制點測量時，可以利用全野外地形測量的形式，利用測繪基準服務平臺轉換測量成果，把像控點高程成果轉變成為國家高程[6]。其次，原始航片采集、無人機低空航攝，利用電動固定翼無人機，相機搭載傾斜航空鏡頭組。由于部分礦山地形起伏較大，因此應適當提升航攝重疊度，以防發生航攝漏洞。與此同時，需要保證在完全包括礦區范圍的基礎上，對礦區周邊區域實施航攝，在完成無人機航攝任務設置后，應開展飛前檢查，保證飛機與氣象條件都滿足航攝要求，才可以準備起飛。最后，業內處理。因為無人機帶的相機并不是專業量測的相機，存在較大的鏡頭畸變，因此在后期應通過畸變改正參數，利用計算機軟件，修正航飛原始數據。

圖1 無人機三維傾斜攝影圖

3.2 開采范圍監測

礦山監測，主要是為了對礦坑采礦區和是否超過礦區進行監測。在無人機三維傾斜攝影測量中，可以獲得具有較高分辨率的真實投影圖像數據、三維現實模型數據，如圖2。在真實投影圖像取得的成果中，可以利用開采礦邊界線的開采，直接對項目區域、地形整個范圍進行直接觀看，還需要比較采礦權證書礦區的拐點坐標的附件疊加，對是否跨境開采進行確定。若越界，在軟件中可以平面量測越界部分，對越出開采面積等數據進行量算，進而提供給礦山開采范圍監測提供可靠的數據支撐。現階段，無人機三維傾斜攝影測量技術測量平面精度可以達到厘米，能夠可以有效提升礦區監測精準度。

3.3 動態儲量監測

首先，在本文中，利用三維掃描軟件測量軟件中的垂直三維模型，且進行計算。在三維模型中實施傾斜測量，動態監測礦山開采過程，提供給露天礦管理及時、直觀、準確、有效的數據支撐[7]。其次，可以結合兩次無人機三維傾斜攝影測量獲得的礦山DEM數據，如圖3，利用GIS軟件，通過網絡區域統計工具，對不同參數進行計算，監測礦山動態儲量。無人機三維傾斜攝影測量獲得的DEM具有較高的精度，且點云密度相對較大，能夠對礦山開采情況進行反映，具有較高計算精度，能夠對礦山動態儲量監測要求進行滿足。

圖2 礦坑采礦區監測范圍圖

圖3 礦山動態儲量監測圖

4 結語

總而言之，在新時代背景下，在礦山監測中應用無人機三維傾斜攝影技術是非常重要的，不僅可以有效提升礦山監測質量和水平，還可以保證礦上監測精準度，減少勞動成本的投入。因此，在實際工作中，相關人員可以結合實際情況，靈活利用無人機三維傾斜攝影技術，不持續、不間斷的監測地表，對礦山地質進行定位和采集信息，深入了解和掌握礦山地質背景，準確判斷地層巖性和了解地層構造，進而為礦山開采工作提供可靠的數據支撐和技術支持，有效提升礦山監測質量和準確性，保證礦山工程可以順利開采，促進我國社會經濟不斷發展。