無(wú)人機(jī)傾斜攝影中多視角影像在礦山監(jiān)測(cè)中的對(duì)比分析及應(yīng)用研究

吳卓蕾，欒進(jìn)華，程 軍，謝洪斌，楊 雪，戚偉迅，劉成均

(外生成礦與礦山環(huán)境重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院)，重慶 401120)

礦產(chǎn)資源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，為有效促進(jìn)礦產(chǎn)資源科學(xué)、綠色、可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用，把“綠水青山就是金山銀山”理念更好地融入礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用管理全過(guò)程，遙感監(jiān)測(cè)以其特有優(yōu)勢(shì)成為礦山監(jiān)管必不可少的技術(shù)手段。傾斜攝影技術(shù)是國(guó)際遙感領(lǐng)域近年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，融合了傳統(tǒng)的航空攝影、近景攝影測(cè)量、計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器(本文采用常見(jiàn)的五鏡頭相機(jī))，同時(shí)從垂直、斜前、斜后、斜左、斜右等五個(gè)不同角度采集影像[1-2]，快速獲取礦山地表詳細(xì)信息，為礦山監(jiān)測(cè)提供精細(xì)實(shí)景三維模型、DOM、DSM等豐富的測(cè)繪地理信息數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確反映礦山開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀，可為礦山監(jiān)管提供真實(shí)詳盡的數(shù)據(jù)支撐。

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了五鏡頭無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)獲取的原始影像數(shù)據(jù)中，垂直影像(即下視相機(jī)獲取的影像)和五鏡頭影像(即一個(gè)下視相機(jī)和四個(gè)傾斜相機(jī)獲取的影像)分別生成的三維模型、DOM、DSM等成果在幾何精度、表征質(zhì)量、生產(chǎn)效率等方面的差別，研究提出了兩種影像在礦山遙感監(jiān)測(cè)中面向不同需求的應(yīng)用。

1 傾斜攝影關(guān)鍵技術(shù)

1.1 垂直攝影與傾斜攝影

五鏡頭相機(jī)從五個(gè)不同角度同時(shí)對(duì)地表進(jìn)行影像獲取。垂直地面角度拍攝方式稱(chēng)為垂直攝影，鏡頭朝向與地面成一定夾角(一般為15°～45°)拍攝稱(chēng)為傾斜攝影，兩種拍攝方式如圖1所示。垂直影像是傳統(tǒng)的正射投影，可以很好地觀測(cè)到礦山開(kāi)采臺(tái)階平面和建筑物屋頂特征，但缺少大高差地形側(cè)面信息，整幅影像具有固定的比例尺；而傾斜影像可以觀測(cè)到礦山開(kāi)采臺(tái)階或高陡邊坡的側(cè)面紋理細(xì)節(jié)特征，影像中不同地方的比例尺也不一樣，垂直攝影與傾斜攝影的區(qū)別見(jiàn)表1。

圖1 垂直攝影和傾斜攝影方式Fig.1 Vertical photogrammetry and oblique photogrammetry ways

表1 垂直攝影與傾斜攝影的區(qū)別Table 1 Difference of vertical photogrammetry andoblique photogrammetry

1.2 技術(shù)流程

前期做好資料收集、實(shí)地踏勘、設(shè)備檢查、航線規(guī)劃等準(zhǔn)備工作，在像控點(diǎn)布設(shè)及測(cè)量后，操作無(wú)人機(jī)按設(shè)定航線進(jìn)行傾斜攝影，外業(yè)數(shù)據(jù)經(jīng)檢查合格后，進(jìn)入內(nèi)業(yè)處理階段。空三加密利用POS輔助平差，像點(diǎn)的坐標(biāo)、GPS攝站的坐標(biāo)及IMU姿態(tài)角為測(cè)量值，地物點(diǎn)地面坐標(biāo)、影像外方位元素和各種系統(tǒng)誤差的修正參數(shù)為待定參數(shù)，根據(jù)像點(diǎn)的坐標(biāo)、POS系統(tǒng)提供的攝影中心線元素、角元素的精確度，設(shè)定三類(lèi)測(cè)量值不同的權(quán)重，使用最小二乘平差的方法得到地物點(diǎn)的三維地面坐標(biāo)和影像外方位元素的最或然值[3]。空三加密滿足精度要求后，進(jìn)行密集點(diǎn)云匹配，基于點(diǎn)云構(gòu)TIN，三維模型自動(dòng)構(gòu)建及紋理映射，生成實(shí)景三維模型[4-6]，并生成DOM和DSM，最后進(jìn)行成果質(zhì)量檢查，技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)流程Fig.2 Technical flow of UAV oblique photogrammetry

在攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理中，自動(dòng)可靠地獲取精確且均勻分布的連接點(diǎn)，并進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差解算是高精度測(cè)繪的關(guān)鍵。一般常使用尺度不變特征變換SIFT算法獲取特征點(diǎn)，進(jìn)行影像間的兩兩匹配[7]，再利用RANSAC算法剔除錯(cuò)誤的匹配點(diǎn)[8]。但在傾斜攝影數(shù)據(jù)處理中，由于采用傾斜攝影的方式獲取影像，影像遮擋非常多、尺度變化大且?guī)缀巫冃螄?yán)重，在影像匹配需充分考慮影像間的幾何變形，采用完全仿射不變圖像特征匹配ASIFT算法和基于窗口的多角度多視影像匹配模型[9]，使用由粗到細(xì)的多分辨率分層匹配策略完成連接點(diǎn)的自動(dòng)提取，再進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差。

2 試驗(yàn)與分析

以某露天石灰?guī)r礦山為例，測(cè)區(qū)地形類(lèi)別為山地，面積約為0.8 km2，采用六旋翼大疆無(wú)人機(jī)，搭載睿鉑五鏡頭傾斜相機(jī)進(jìn)行低空攝影，共獲取影像6 525張，地面分辨率為4.1 cm，航向重疊為80%，旁向重疊為70%，相對(duì)飛行高度為300 m，按照低空攝影相關(guān)規(guī)范要求，結(jié)合測(cè)區(qū)實(shí)際情況合理布設(shè)地面控制點(diǎn)[10]，利用GPS RTK接收機(jī)連接城市CORS服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)地測(cè)量像控點(diǎn)坐標(biāo)，坐標(biāo)成果采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系，高斯-克呂格3度分帶投影和1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。由Context Capture軟件分別對(duì)垂直影像和五鏡頭影像進(jìn)行空中三角測(cè)量、三維模型的構(gòu)建及DOM、DSM生成。此外，航飛前采用與控制點(diǎn)同樣的測(cè)量方法，實(shí)測(cè)26個(gè)檢核點(diǎn)用于對(duì)內(nèi)業(yè)成果進(jìn)行精度評(píng)定。

2.1 幾何精度

為驗(yàn)證并比較兩種生產(chǎn)模式下成果的幾何精度，在無(wú)人機(jī)航空攝影之前，在航攝范圍內(nèi)人工合理布設(shè)了26個(gè)檢核點(diǎn)(圖3)，采用GPS RTK進(jìn)行坐標(biāo)采集，然后與成果對(duì)應(yīng)點(diǎn)的量測(cè)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算X方向、Y方向、H方向的較差，并根據(jù)中誤差以及點(diǎn)位中誤差求得檢核點(diǎn)的平面中誤差和高程中誤差。同名點(diǎn)的平面坐標(biāo)在DOM成果上直接量測(cè)，高程值通過(guò)平面坐標(biāo)在DSM成果上量測(cè)[11]，檢核數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

圖3 檢核點(diǎn)布設(shè)圖Fig.3 Distribution of check points

表2 檢核數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計(jì)表Table 2 Precision statistics of check datas 單位：m

根據(jù)中誤差以及點(diǎn)位中誤差的計(jì)算可得式(1)～式(4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

由式(1)～式(4)可知，垂直影像生產(chǎn)成果的平面中誤差為0.079 m，高程中誤差為0.069 m；五鏡頭影像生產(chǎn)成果的平面中誤差為0.068 m，高程中誤差為0.059 m，說(shuō)明兩種模式生產(chǎn)的成果精度均較高，五鏡頭影像可通過(guò)垂直、斜前、斜后、斜左、斜右等五個(gè)不同角度的影像組形成互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)平面和高程精度的最優(yōu)化，重疊度更大，重疊區(qū)域更多，空中三角測(cè)量時(shí)匹配的連接點(diǎn)更多，構(gòu)成的三角網(wǎng)更穩(wěn)固，成果的幾何精度略高，兩種方式均能滿足1∶1 000比例尺礦山遙感監(jiān)測(cè)精度要求(1∶1 000比例尺對(duì)山地地形的精度要求為平面中誤差限差0.8 m，高程中誤差限差0.7 m)。

2.2 表征質(zhì)量

1) 細(xì)節(jié)紋理比較。垂直影像由于受到投影差的影響，地物被遮擋的地方幾乎無(wú)法獲取其他信息，以礦山采場(chǎng)為例，基于垂直影像生產(chǎn)的DOM只能獲取采場(chǎng)頂面及少量的側(cè)面紋理信息，而五鏡頭影像從多角度對(duì)同一地物進(jìn)行攝影，五個(gè)鏡頭形成互補(bǔ)，生產(chǎn)的DOM成果能顯示更多的細(xì)節(jié)信息，且紋理更細(xì)膩、更清晰，更能精細(xì)展示地物細(xì)部特征，如圖4所示。在礦山地形陡峭之處，垂直影像因未捕捉到側(cè)面細(xì)節(jié)紋理，生產(chǎn)的三維模型出現(xiàn)拉花現(xiàn)象，而五鏡頭影像生產(chǎn)的三維模型能真實(shí)展示礦山大高差地物側(cè)面細(xì)部的實(shí)際開(kāi)采現(xiàn)狀，如圖5所示。

圖4 DOM細(xì)節(jié)對(duì)比Fig.4 Comparison of DOM detail

圖5 三維模型細(xì)節(jié)對(duì)比Fig.5 Comparison of 3D model detail

2) 完整性比較。實(shí)驗(yàn)選定的礦山存在大高差地形，同一架次內(nèi)，相比低矮處，原始影像在山頂?shù)闹丿B度銳減，導(dǎo)致采用垂直影像生產(chǎn)的DOM存在航攝漏洞，見(jiàn)圖6(a)，而采用五鏡頭影像重新生產(chǎn)后，能生產(chǎn)出較完整的DOM，見(jiàn)圖6(b)。

圖6 完整性對(duì)比Fig.6 Integrality comparison

原始影像重疊度和無(wú)人機(jī)相對(duì)航高(攝影中心相對(duì)實(shí)時(shí)拍攝區(qū)域高程基準(zhǔn)面的垂直距離)的關(guān)系可根據(jù)航空攝影測(cè)量原理推導(dǎo)出，見(jiàn)式(5)。

(5)

式中：a為任意航高下的影像航向/旁向重疊度；L為無(wú)人機(jī)航向/旁向相鄰兩幅影像攝站曝光點(diǎn)距離；f為相機(jī)焦距；H為任意點(diǎn)的相對(duì)航高；m為沿航向/旁向像幅的有效像素?cái)?shù)；u為相機(jī)單個(gè)成像單元的物理尺寸。以航向方向?yàn)槔?dāng)L為25 m，m為4 000個(gè)，u為3.92 μm，f為27 mm，H分別為200 m、100 m、50 m時(shí)，重疊度分別為78%、57%、14%，見(jiàn)表3。同一架次內(nèi)，L不變，相機(jī)參數(shù)f、m、u不變。由此可見(jiàn)，隨著地形高程增大，在山頂處相對(duì)航高減小，重疊度也會(huì)大幅減小，導(dǎo)致只采用垂直影像生產(chǎn)的成果可能出現(xiàn)航攝漏洞，而采用五鏡頭影像，從多視角拍攝山頂區(qū)域，增大了原始影像重疊度。可見(jiàn)，五鏡頭影像獲取了更多的側(cè)面紋理，將礦山開(kāi)采現(xiàn)狀細(xì)部特征展現(xiàn)得更加清晰，同時(shí)因影像重疊度的增加，在一定程度上可有效彌補(bǔ)同一架次內(nèi)，因大高差地形導(dǎo)致的航攝漏洞。

表3 不同相對(duì)航高對(duì)重疊度的影響Table 3 Effect of different relative altitudeon images overlap

2.3 生產(chǎn)效率

數(shù)據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中，采用同一軟件完成相同的處理任務(wù)時(shí)，原始影像的幅面大小與數(shù)量直接影響數(shù)據(jù)處理的生產(chǎn)效率。實(shí)驗(yàn)采用的五鏡頭相機(jī)的垂直影像與傾斜影像幅面大小相同，像素?cái)?shù)均為6 000×4 000，單個(gè)成像單元物理尺寸均為3.92 μm，而兩種處理方式下影像數(shù)量不同，采用垂直影像進(jìn)行內(nèi)業(yè)生產(chǎn)三維模型、DOM、DSM所需時(shí)間為0.82 d，采用五鏡頭影像生產(chǎn)時(shí)間為4.2 d，生產(chǎn)效率比約為5∶1。五鏡頭影像的影像數(shù)量是垂直影像的5倍，導(dǎo)致處理效率大幅降低，這在一定程度上降低了發(fā)現(xiàn)礦山違法開(kāi)采行為的時(shí)效性。

3 應(yīng)用方案

礦山遙感監(jiān)測(cè)主要任務(wù)在于為國(guó)家制定礦產(chǎn)資源規(guī)劃，保持礦產(chǎn)資源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用，維護(hù)礦業(yè)秩序，治理礦產(chǎn)地質(zhì)災(zāi)害及綜合治理礦區(qū)環(huán)境等提供技術(shù)支撐及決策依據(jù)。監(jiān)測(cè)需求不同，可優(yōu)先選用不同視角的影像。

當(dāng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)違法開(kāi)采線索，維護(hù)礦業(yè)開(kāi)采秩序時(shí)，對(duì)無(wú)人機(jī)航飛攝影成果的時(shí)效性要求較高，應(yīng)首選采用垂直影像生產(chǎn)模式，及時(shí)發(fā)現(xiàn)違法開(kāi)采行為，保障國(guó)家礦產(chǎn)資源所有權(quán)益，防止超越批準(zhǔn)礦區(qū)范圍采礦等引發(fā)安全事故。當(dāng)垂直影像生產(chǎn)模式出現(xiàn)航攝漏洞或拉花等現(xiàn)象影響研判時(shí)，可采用五鏡頭影像重新生產(chǎn)，較嚴(yán)重時(shí)考慮補(bǔ)飛或重測(cè)。

當(dāng)用于監(jiān)測(cè)礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題和礦產(chǎn)資源規(guī)劃，獲取客觀基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，形成綜合分析與評(píng)價(jià)報(bào)告時(shí)，可優(yōu)先采用五鏡頭影像生產(chǎn)實(shí)景三維模型、DOM和DSM等豐富的測(cè)繪地理信息數(shù)據(jù)，為國(guó)家制定礦產(chǎn)資源規(guī)劃，治理礦產(chǎn)地質(zhì)災(zāi)害及綜合治理礦區(qū)環(huán)境等提供技術(shù)支持及決策依據(jù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)可從多視角同時(shí)獲取地面影像信息，面向不同的礦山遙感監(jiān)測(cè)需求，從高效實(shí)用的角度，可優(yōu)先采用不同視角影像進(jìn)行生產(chǎn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，本文總結(jié)出了不同應(yīng)用方案，對(duì)后續(xù)無(wú)人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用有良好的借鑒、指導(dǎo)價(jià)值。