基于無人機傾斜攝影技術的礦山地質測繪數據精度分析系統設計

吳曉林

（山西省第一水文地質工程地質隊，山西 太原 030000）

無人機傾斜攝影技術在測繪時主要優勢有很多，是因為無人機傾斜測繪有很多優點，首先就是它可以從多個角度來進行區域拍攝和測量。也就是在多個角度來提供更高分辨率的影像技術信息[1]，從而能建立起三維模式的數字模型。在無人機技術不斷發展過程中，其傾斜攝影技能也被運用到多個領域。在進行城市建設、山地測繪中發揮著重要的作用，并且與傳統垂直攝影技術比較，通過無人機傾斜攝影在進行測圖工作過程中可以不再佩戴立體觀測眼鏡。對于工作人員而言有方便快捷。無人機使用傾斜攝影進行測量的過程是通過將各個攝影點進行前視、后視、右視、左視以垂直等五個角度進行測量，如此就能有效生成一個三維實景模型，通過分析整理、計算就能很快得到地理位置、地勢情況以及縱橫斷面等各方面地域特征。然而以往的測量方式和方法，僅僅將各攝站點中心投影影像進行整合處理，由此生成正射影像，但是在如何有效分析出地物具體情況方面還是非常有限的。兩者進行比較，無人機傾斜攝影測量可以有效生成正射影像，同時還能對于多個比例尺地形圖進行測制，建立事物三維圖像，對于地物有一個全面的展示，還可以計算出地物的縱橫斷面，為方便研究地物的各方面打下堅實的基礎，從而更好地發揮其測量作用。

1 硬件設計

1.1 采集設備

首先需要注意的是采集的設備均為視頻的影像輸出設備，其次，準備的設備全都需要具有DICOM 5.0插口。準備的設備包含三臺CCD相機，四臺Panosonic高速掃描儀，兩張型號為Avermedia的高清視頻采集卡，一臺GoPro Hero 7Black攝像機，一個PCIE采集卡，三臺Osmo Action攝像機，最后還需要兩個CCD攝像頭。

1.2 設計傳感器

由于方案需要很強的針對性，所以傳感器的組成還有傳感器的具體型號參數都需要清晰的了解，傳感器的具體信息如下表（表1）。

表1 傳感器組成型號和參數

由于現有無人機空中緊急情況調查和制圖系統的負載能力有限，它們通常僅攜帶光學攝像機和低精度耦合慣性導航，并且很少使用專業的集成支架。在緊急操作期間，它容易受到無人機振動和大氣湍流的影響。對于大多數傳感器而言必須滿足低溫耐受性設計，工作溫度通常為零下二十度或更高[2]。有人機的密封條件通常比較出色，所以有人駕駛飛機可以確保機艙溫度滿足傳感器的運行要求。然而，在冬季，高海拔地區和寒冷地區，可能會發生緊急情況。由于無人機主體的氣密性很差，所以改善集成傳感器設備的不能耐受低溫度特性的問題迫在眉睫。針對以上表達的這些觀點，設計了傳感器設備的結構、電氣、外部接口和內部通信。具體設計思路是將光學攝像機、SAR、位置和姿態系統都安裝在一體式安裝座中。光學攝像機的鏡頭和SAR收發器的天線，這兩個很重要的東西都要固定在滑環上。同時，滑環上還要牢固的安裝定位和姿勢系統，然后再將他們牢固地連接到集成式座椅框架上。從而確保所有測量設備的集成以及牢固的固定式安裝。這不僅確保了設備之間連接到位而且設備之間明確分開，而且將天線替換后也提高了集成解決方案的可擴展性。完整的電源適配器僅在任務傳感器系統的無人機中配有。四個電源通道分別用光學攝像頭SAR、位置和姿態系統以及通過電源適配器集成的安裝座所連接。無人機平臺想實現任務傳感器系統之間的數據傳遞，就必須先實現對無人機的工作狀態進行監控和成像。成像后將地面控制子系統實時返回，并統計傳感器系統的數據。定位姿態確定系統，就是通過接口將實時采集的位置姿態數據發送給航測控制器的系統。工作流程是將姿態數據與傳輸時間進行統計，保持盡可能穩定的原因就是要防止無人機震動對光學造成損害。攝像機和SAR獲得會產生影響的信息并接收實時姿態信息，然后將這些數據進行聯合空中計算的過程。

2 軟件設計

2.1 分析無人機傾斜攝影的參數

使用無人機進行礦山地質測繪需要首先由工作人員進行實地勘探，然后才能放出無人機航空攝影，最后在計算機中進行影像數據的內業處理。具體的測繪流程如圖1所示。如上圖所示，在使用無人機之前需要首先有工作人員去礦山進行野外地形勘探，并選擇像控點的地址。然后在選定的像控點實地布設并進行像控點的坐標測定。此時應同步計算像控點的攝影區間，判斷無人機的航測范圍是否大于攝影區間，若航測范圍確實大于攝影區間則可以進行下一步，若航測范圍小于攝影區間，則需要重新布設像控點。接著開始特征點和地物信息的補測，標定地物特征點，將電線桿、水井等不易判讀的影像人工拍攝下來并做好標記。此時就可以放出無人機進行礦山地質測繪，需要依據航測范圍的具體地形設定各項無人機飛行數據，調校相機參數，無人機在飛行過程中會自動開始攝影。無人機的飛行參數設置如表2所示。

表2 無人機飛行參數

無人機數據收集完畢之后，就可以開始內業工作。需要測繪內業工作人員利用ArcGis或者南方CASS等專業的繪圖軟件將無人機拍攝的影像資料拼接起來，生成一個完整的云數據正射影像圖。然后經過數字成圖處理，提取云數據并獲取布設點坐標，最后得到礦山地質測繪的地形圖。

2.2 實現高精度數據分析

在礦山地質測繪中，最需要注意的就是測出數據是否精確。三維數據建模是測繪時非常重要的一種建模方式，這種建模方式可以成功的提升測繪的精確程度，將分析數據做到最精確化。構建低質量的空間復合體是這種方式的特點，例如可以將整個大的區域劃分成為低質量的幾個小的層次，以此來將數據整合測繪，使測繪更精確。如圖1所示。

圖1 三維數據模型

3 實驗研究

3.1 實驗準備

必須將傳統測繪系統與本方法設計的測繪系統放在同樣的實驗環境中，只有這樣才能讓實驗的準確性最大化。將兩組系統的傳輸數據量進行調查，對比兩組實驗傳輸的速度，將實際應用效果展示的更具體。

3.2 實驗結果

試驗過程中，通過兩種不同的傳輸系統設計同時在相同環境中進行工作，分析其傳輸速度的變化。如圖2所示。

圖2 實驗對比圖

將實驗結果對比，得到了有效結論，即與傳統的礦山測繪相比，應用了無人機傾斜技術后設計出的新系統具有數據采集快，數據的精確度高等優點，可以成功解決測繪中的問題。

4 結語

綜上所述，人們對資源的需求隨著我國城市化進程的加快也在不斷的增加。這種資源需求加速了我國采礦事業的發展，所以對于采礦的質量和速率要求越來越高，在這種條件下就需要新的測繪系統方式來取代傳統的測繪方式。無人機傾斜系統就是在這種條件下發展而來的產物，這種測繪系統完美的解決了傳統測繪準確率和效率都低的缺點，提升了測繪的精確度，對測繪數據的要求更加精細。因此，采用無人機測繪系統進行測繪數據精度分析，為我國經濟發展作出了新的貢獻。