基于多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量的礦山開采區(qū)域三維形態(tài)研究

劉 陽

多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)主要是以多旋翼無人機(jī)作為的航攝平臺，在無人機(jī)上搭載出傳感器、相機(jī)、三維脈沖掃描儀，從多個(gè)方面角度同時(shí)入手，來獲得測區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像，這些數(shù)據(jù)和影像可用于光譜影像分析、正射影像制作、DSM制作、DLG制作等，從而形成立體三維的礦山模型，在開始開采、管理、治理等方面提供必要的支持和參考。和其他測量技術(shù)相比，多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，在測量效率、成本、效率、場景逼真等方面有非常顯著的優(yōu)勢?；诖?，開展基于多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量的礦山開采區(qū)域三維形態(tài)的研究分析就顯得尤為必要。

1 多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量的優(yōu)勢

多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)是目前測量領(lǐng)域用的測量技術(shù)，和傳統(tǒng)全站儀測量技術(shù)相比，多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)集合先進(jìn)的無人機(jī)技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、實(shí)時(shí)通信技術(shù)、GPS差分技術(shù)、POS定位技術(shù)以及自動化和數(shù)字化技術(shù)，而且擁有非常強(qiáng)大的后臺處理技術(shù)，多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量得到的數(shù)據(jù)，可用于構(gòu)建三維立體可視化模型，可大幅度提升測量數(shù)據(jù)的應(yīng)用效果，和早期的衛(wèi)星航天遙感技術(shù)，以及大飛機(jī)航空攝影測量技術(shù)相比，具有的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

第一，成本低，風(fēng)險(xiǎn)小。多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量中采取無人機(jī)，無人機(jī)組裝簡易，對起降平臺的要求比較小，測量成本低，而且具有非常可靠的實(shí)時(shí)性，可準(zhǔn)確定位測區(qū)的范圍和采取地物的位置。在整個(gè)多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量過程中，無人機(jī)的飛行路線，都前期設(shè)計(jì)好的，可按照設(shè)定的航線進(jìn)行自動飛行，自動測量。從而獲得更加所需的測量數(shù)據(jù)，并自動實(shí)時(shí)的傳輸?shù)降孛婵刂葡到y(tǒng)中，進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和存儲。此外，多旋翼無人機(jī)具有良好的穩(wěn)定性，在地形地貌復(fù)雜的測區(qū)、大風(fēng)等條件下，也可以很好的完成測量任務(wù)，即便是無人機(jī)發(fā)生損壞，也不會影響到操作人員和測量數(shù)據(jù)的安全性。

第二，分辨率比較高。無人機(jī)受到自重、動力等因素的影響，飛行的高度、距離通常是有限的，低空飛行能夠更加清楚的拍攝到地面地形地貌和景觀的特征。因此，通過多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)通?？傻玫礁臃直媛矢摺⒏尤嬖敿?xì)的地形地貌影像數(shù)據(jù)。目前很多多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量得到的影像分辨率可達(dá)到0.05m～0.5m，在1：500～1：5000的測圖比例尺精度要求下，可很好的滿足相關(guān)規(guī)定，得到的測量數(shù)據(jù)，可用制作和建立大比例尺的DOM和DLG以及三維立體化模型。

第三，靈活便捷。多旋翼無人機(jī)對起降的要求比較低，在復(fù)雜的地形環(huán)境下，也可以進(jìn)行很好的起降操作。在發(fā)射時(shí)由輔助設(shè)備進(jìn)行發(fā)射，常用發(fā)射輔助設(shè)備有彈射器、滑翔機(jī)等，回收時(shí)可利用自帶的懸停系統(tǒng)和跳傘進(jìn)行回收，因此，在具體測量中受到天氣變化和地形地貌的影響比較小，測量數(shù)據(jù)獲得的時(shí)效性也會大幅度提升。

2 多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量在礦山開采區(qū)域三維形態(tài)建設(shè)中的應(yīng)用

2.1 案例分析

某礦山開采項(xiàng)目，經(jīng)過地質(zhì)勘測，發(fā)現(xiàn)為銅鎳礦山，賦存量比較大，為準(zhǔn)確獲得該礦山的地形地貌和環(huán)境情況，采用多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量對礦山區(qū)域進(jìn)行三維形態(tài)測量和分析，測區(qū)總面積為14.25km2，利用一組217張帶有基于WGS-84坐標(biāo)系的GPS信息的航空攝影圖片進(jìn)行空氣區(qū)域三維形態(tài)重建，取得了良好效果，值得其他礦石在區(qū)域三維形態(tài)建設(shè)中借鑒和參考。

2.2 多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量設(shè)備選型

在本次礦石區(qū)域三維形態(tài)建設(shè)中，在天氣晴朗，微風(fēng)的天氣測量，空氣質(zhì)量好，周圍沒有輸配電系統(tǒng)和其他飛行系統(tǒng)的干擾，多旋翼無人機(jī)選擇了DJI Phantom3 Standard型號的無人機(jī)，相機(jī)選擇了FC300C相機(jī)，分辨率為4000×3000，焦距為3.61mm，像素類型為方形像素，單像素規(guī)格為1.56192×1.56192μm，F(xiàn)OV為94°。

2.3 航線和航點(diǎn)規(guī)劃設(shè)計(jì)

為獲得更加準(zhǔn)確的礦山區(qū)域三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，提升多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量效率和質(zhì)量，在航線和航點(diǎn)規(guī)劃設(shè)計(jì)中，先按照具體的要求，在礦山開采區(qū)域三維形態(tài)建模的區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記和劃線，以精確定位無人機(jī)的飛行方向，并在地形圖上清楚的顯示出來。案例礦山區(qū)域測量中的航線和航點(diǎn)規(guī)劃設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

2.4 圖像獲取方法

規(guī)劃設(shè)計(jì)好航線和航點(diǎn)和測量設(shè)備器具都準(zhǔn)備好之后，按照飛行任務(wù)和實(shí)際測量的要求，搭載上航空攝像機(jī)。就可以啟動無人機(jī)和傾斜攝影測量設(shè)備，按照提前規(guī)劃好的航線和要求進(jìn)行執(zhí)行飛行任務(wù)。飛行完成之后，就能得到多張帶有基于WGS-84坐標(biāo)系GPS信息的傾斜航空攝影圖片及圖像。

2.5 圖像處理

通過多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量可達(dá)到數(shù)以千萬張的影像和圖像，這些測量信息，有的是有價(jià)值，有用的信息，而有的則是毫無價(jià)值影像，為減輕三維形態(tài)建模的工作量，在正式使用之前，需要先進(jìn)行預(yù)處理。對多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量傳輸回來的圖片和影像進(jìn)行下載和質(zhì)量檢查。達(dá)標(biāo)礦山開采三維形態(tài)建模要求的圖片進(jìn)行畸變校正，畸變校正可利用專用的軟件系統(tǒng)來完成，無需人為干預(yù)，具有良好的自動化水平。畸變校正完成后，再進(jìn)行初步建模和建模質(zhì)量分析。但經(jīng)過畸變校正之后，會在一定程度上降低圖像邊緣細(xì)節(jié)質(zhì)量，所以，就需要對各個(gè)圖像在航向和旁向上都有大于30%左右的重合部分，以便彌補(bǔ)圖像校正所帶來的各個(gè)圖像邊緣在圖像校正過程中的精度損失。通常情況下，會采取軟件對圖像實(shí)際拍攝位置和計(jì)算拍攝位置差異的檢測，在案例礦山開采三維形態(tài)建模分析中，采取的檢測方法為通過專用的軟件對圖像進(jìn)行合理分類和匹配，就能得出最終位置差異的比較結(jié)果。案例礦山利用多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量獲得的實(shí)際拍攝位置及計(jì)算拍攝位置的差異情況如圖2所示。

圖2中原始位置為藍(lán)色小球，而計(jì)算獲得的圖像位置為綠色小球，二者的相差偏移量可通過重合度表示出來。圖2中的中間大圖就是頂視圖，也就是XY平面；下部圖片則為前視圖片，也就是XZ平面；右側(cè)的為側(cè)視圖，也就是YZ平面。通過頂視圖可以看出，在本次多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量中，攝影測量的位置精度比較高，實(shí)際拍攝位置和計(jì)算得到的位置差異比較小，也就表明最終礦山開采三維形態(tài)建模精度比較高。而從前視圖和側(cè)視圖中能夠看出，本次多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量飛行高度保持的比較好，各個(gè)圖片之間的相關(guān)性比較高，可有效保證建模的精度。在所需的建模區(qū)域，每個(gè)區(qū)域所能匹配的像素點(diǎn)都能被五張以上的圖片所包含，也可以有效保證建模的精度，再通過正射影像上的每個(gè)像素所包含的圖像數(shù)目數(shù)量檢測之后，就能形成點(diǎn)云加密前相應(yīng)的DSM模型。

2.6 三維重建和點(diǎn)云加密

三維重建和點(diǎn)云加密都是多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量在礦山開采區(qū)域三維形態(tài)建設(shè)中的關(guān)鍵步驟，而且都具有很強(qiáng)的復(fù)雜性，且難度比較大。本次測量中三維重建用專用的計(jì)算機(jī)軟件來自動識別和判別圖像之間的特點(diǎn)，再對這些特征點(diǎn)按照被圖像包含的數(shù)目多少賦予相應(yīng)的權(quán)重，就能形成特征點(diǎn)的匹配網(wǎng)絡(luò)圖，網(wǎng)路圖之間的連線就是兩幅圖像的關(guān)聯(lián)，按照網(wǎng)絡(luò)圖之間連線顏色的深淺，就能獲知相互之間關(guān)聯(lián)度的強(qiáng)弱情況。隨著網(wǎng)路技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)愈發(fā)先進(jìn)，可按照實(shí)際需求對圖像加入合適的人工標(biāo)識特征點(diǎn)，以更好的保障礦山開采區(qū)域三維形態(tài)建模的質(zhì)量和精度。通過人工增加特征點(diǎn)之后，就可以得到初步的生成關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)表。得到關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)表之后，就可以進(jìn)行初步的三維重建，以粗略的反映礦山開采區(qū)域三維形態(tài)模型的大致輪廓。然后再經(jīng)過點(diǎn)云加密處理，就能得到正式的三維模型。形成三維模型之后，通過計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，技能計(jì)算出每個(gè)點(diǎn)所對應(yīng)的高程和位置坐標(biāo)值，再通過計(jì)算分析，就能得到礦山開采區(qū)域三維形態(tài)的高程云圖。

案例礦山開采區(qū)域高程變化明顯，為提升礦山開采區(qū)域三維形態(tài)建模的立體化程度，需要由不同的顏色來代表不同的相對高程，并在帶有特征點(diǎn)的情況下，建設(shè)礦山開采區(qū)域三維形態(tài)模型，其精度會得到大幅度提升。再用插值算法對建立的模型進(jìn)行平滑處理，經(jīng)過系統(tǒng)的平滑處理之后，就能得到精確、清晰、立體化的三維高程模型。但會導(dǎo)致一些細(xì)節(jié)喪失，如：對礦山開采區(qū)域三維形態(tài)模型經(jīng)過平滑處理之后，地面的植被、細(xì)小砂石等會在模型圖上消失。但這并不會影響礦山開采區(qū)域三維形態(tài)建模的總體精度。通過三維建模和點(diǎn)云加密之后，就能得到整個(gè)建模區(qū)域的高精度三維模型，具體情況如圖3所示。

圖3 礦山開采區(qū)域三維形態(tài)的高精度模型圖

2.7 精度分析

多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量在礦山開采區(qū)域三維形態(tài)建設(shè)中應(yīng)用時(shí)，衡量應(yīng)用精度的指標(biāo)主要有兩個(gè)，一個(gè)是空三加密的檢查點(diǎn)精度，另一個(gè)是平面和高程精度。

2.7.1 空三加密的檢查點(diǎn)精度分析

通過多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)得到的礦山開采區(qū)域三維形態(tài)模型經(jīng)過空三加密調(diào)整之后，其檢查點(diǎn)的誤差為實(shí)測坐標(biāo)值和對應(yīng)圖像點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算加密坐標(biāo)值之差的一個(gè)具體數(shù)值。案例礦山經(jīng)過測量和計(jì)算，其殘差如表1所示。

表1 空三加密檢查點(diǎn)的方向殘差值表

根據(jù)空三加密檢查點(diǎn)的方向殘差值，推測出本次礦山開采區(qū)域檢查點(diǎn)平面中誤差的數(shù)值為0.105，最大誤差為±0.210。同理也可以計(jì)算出，高程坐標(biāo)中誤差為±0.128，最大的誤差值為±0.210?？杖用軝z查點(diǎn)誤差最大限差數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 空三加密檢查點(diǎn)誤差最大限差表

通過表2和表3的相互對比可知，本次礦山開采區(qū)域三維形態(tài)模型空三加密檢查點(diǎn)的精度符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求，精度比較高，真實(shí)可靠，可為礦山開采和管理提供必要的參考和指導(dǎo)。

2.7.2 平面和高程精度檢查

在本礦山開采區(qū)域三維形態(tài)建模中，外業(yè)測量的檢查點(diǎn)，主要是通過中海達(dá)V30接收機(jī)聯(lián)合GPS RTK測量技術(shù)進(jìn)行測量，測量數(shù)據(jù)和礦山開采區(qū)域三維形態(tài)模型中的相同點(diǎn)位坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，通過中誤差計(jì)算公式以及相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對三維模型的相關(guān)固定，要求礦山開采區(qū)域三維形態(tài)模型的平面精度不能表3中的規(guī)定，高程精度則不能低于表4中的規(guī)定。

表3 礦山開采區(qū)域三維形態(tài)模型的平面精度（m）

表4 礦山開采區(qū)域三維形態(tài)模型高程精度（m）

在礦山開采區(qū)域三維形態(tài)建模中，采取多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，可為礦山開采、規(guī)劃、治理、監(jiān)測、管理、環(huán)境保護(hù)等提供真實(shí)可靠的DOM數(shù)據(jù)、三維傾斜立體模型數(shù)據(jù)、DLG數(shù)據(jù)等。通過精度分析，礦山開采區(qū)域三維形態(tài)模型檢查點(diǎn)的精度，滿足要求相關(guān)規(guī)范的要求。

3 多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的發(fā)展趨勢分析

多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)具有很強(qiáng)的綜合性，融合了很多先進(jìn)的技術(shù)，將其應(yīng)用到礦山開采中具有兩個(gè)非常顯著的特點(diǎn)。

其一是數(shù)據(jù)分辨率非常高，多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量中攜帶了高分辨率的可見光相機(jī)，目前我國可見光數(shù)碼相機(jī)技術(shù)非常先進(jìn)，分辨率極高，在礦山開采測量中應(yīng)用時(shí)可獲得毫米級別的影像數(shù)據(jù)資料，能夠滿足各種比例尺和地形地貌變化的測量要求，成圖和三維重建的尺度以及比例可按照實(shí)際研究的需求進(jìn)行合理調(diào)整，這是傳統(tǒng)測量技術(shù)無法比擬的。

其二數(shù)據(jù)資料更新速度非常快。在礦山測量中應(yīng)用多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)可實(shí)現(xiàn)自動化測量和測繪，而且對空域的限制要求非常小，只要在適宜的天氣，就能開展測量工作，可大幅度提升數(shù)據(jù)資料采集、匯總、分析、整理的時(shí)效性。

基于此，多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)分辨率高、數(shù)據(jù)資料更新速度快的特點(diǎn)，其在礦山領(lǐng)域中應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

第一，通過多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)可為建設(shè)數(shù)字化礦山提供更加詳細(xì)的數(shù)據(jù)和資料。利用多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)可為礦山的開采管理和環(huán)境質(zhì)量，提供大量遙感影像、地形圖件、DSM模型、DEM模型等，從而為建設(shè)數(shù)字化礦山提供各種基礎(chǔ)信息。而且多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在應(yīng)用時(shí)，多以低空姿態(tài)飛行，可按照礦山的實(shí)際情況，自行劃定航行路線，可有效克服礦山地形地貌復(fù)雜，所處位置偏僻的缺點(diǎn)，減少野外測量工作量，減輕人為勞動量，避免發(fā)生安全風(fēng)險(xiǎn)。

第二，礦山開采比較自然會對周圍的生態(tài)環(huán)境，造成一定的影響和破壞。但礦山通常情況下都位于地形地貌惡劣、地質(zhì)條件復(fù)雜的偏遠(yuǎn)山區(qū)，使得環(huán)境保護(hù)和排土場的管理難度非常大。因此，生態(tài)環(huán)境保護(hù)和治理，長期以來都礦山開采的重難點(diǎn)，也是限制礦山事業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的關(guān)鍵。通過多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)可有效解決這一問題。此項(xiàng)技術(shù)數(shù)據(jù)采集過程簡單、安全、高效，可在很短的時(shí)間內(nèi)就獲得大量真實(shí)、有效的影像和數(shù)據(jù)，可快速完成礦山開采、排土、復(fù)墾方面的監(jiān)測和定位，從而在保證礦山開采效率和安全的基礎(chǔ)上，更好的保障生態(tài)環(huán)境，促使礦山事業(yè)和環(huán)境保護(hù)同起步共發(fā)展，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)語

綜上所述，結(jié)合理論實(shí)踐，分析了基于多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量的礦山開采區(qū)域三維形態(tài)，分析結(jié)果表明，礦山開采區(qū)域三維形態(tài)建模是當(dāng)代建設(shè)數(shù)字化礦山的關(guān)鍵。但數(shù)字化礦山對礦山區(qū)域的地形地貌測量數(shù)據(jù)有很高的要求，傳統(tǒng)的全站儀測量技術(shù)和遙感測量技術(shù)，在礦山開采測量中具有很大的局限性，難以為礦山開采區(qū)域三維形態(tài)建模提供準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、高分辨率的影像數(shù)據(jù)。而采用多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)就可以有效解決這一問題，為數(shù)字化礦山建設(shè)提供清楚、三維立體化的地形圖、數(shù)字正射影像、數(shù)值高程模型、三維可視化數(shù)據(jù)等，為礦山的開采、治理、環(huán)境保護(hù)等提供更加全面的數(shù)據(jù)，促使我國礦山事業(yè)實(shí)現(xiàn)健康持續(xù)的發(fā)展。