基于無人機遙感技術的露天礦邊坡測繪研究

黃震江，鄭禮翔

(1.浙江省測繪科學技術研究院，浙江 杭州 3100121； 2.浙江省國土勘測規劃有限公司，浙江 杭州 3100302)

1 引 言

由于露天礦邊坡失穩導致滑坡、泥石流等現象頻發，露天礦邊坡測繪是針對影響露天礦邊坡穩定性以及安全性的突發事件展開的測繪活動。通過測量露天礦邊坡地質特征，分析有關地質信息，可為突發事件應急措施提供可靠、準確的數據，從而減小邊坡突發帶來的經濟損失[1]。對露天礦邊坡測繪情況進行動態監測，對邊坡穩定性進行研究，為地質災害治理提供數據支持。在我國，目前針對露天礦邊坡測繪的研究普遍存在覆蓋范圍小、采樣點數量有限、測繪耗費時間長、測繪精度較低等問題，導致露天礦邊坡實際測繪效果較差，難以達到預期要求。無人機遙感技術具有高精度、高效率、高精細、全自動等優點，已經廣泛應用于工程測繪中[2]。

隨著數碼相機技術與無人機的發展、進步，遙感技術應用優勢越來越得到凸顯，目前無人機數字低空遙感已成為前沿技術。本文提出基于無人機數字低空遙感技術的新型露天礦邊坡測繪方法，以露天礦邊坡為研究對象，根據測繪任務要求，盡量縮短測繪時間，從而減小測繪工作量，得到準確、良好的測繪結果。

2 新型露天礦邊坡測繪方法

本文結合無人機數字低空遙感技術為露天礦邊坡測繪提供新型測繪方法。根據露天礦邊坡地形特點，設計基于無人機數字低空遙感技術的露天礦邊坡測繪方法具體流程如下：①選擇無人機飛行路線，利用無人機拍攝露天礦邊坡影像，獲取露天礦邊坡無人機影像數據；②通過幾何校正獲取高精度露天礦邊坡三維可視化圖像；③通過提取露天礦邊坡三維可視化圖像中的特征參數，顯示露天礦邊坡測繪信息。綜上所述，新型露天礦邊坡測繪方法主要基于數據獲取、信息處理、測繪工程測量信息顯示，通過開展基于無人機數字低空遙感技術的露天礦邊坡測繪，得到精度高、準確性高的露天礦邊坡測繪信息圖區。

2.1 露天礦邊坡無人機影像數據獲取

結合無人機數字低空遙感技術精度高等特點，為獲取露天礦邊坡測繪基礎數據，采用專業化數據獲取設備，拼接露天礦邊坡測繪得到的整體概況[3]。在邊坡滑坡區域內，通過手動遙控無人機進行低空飛行定焦，設置焦距為 5 mm，測量后得到不同角度高重疊度的航空影像。為保證測繪影像具有高清晰度與高分辨率，將像素設為 2 560×1 920(最大值)。根據多幅不同角度高重疊 度航空影像，對平面上設置的二維坐標進行矩形校正，建立露天礦邊坡三維立體模型，還原整體地質情況，并綜合分析采集影像與還原的地貌，通過紋理疊加法對邊坡區域進行細節化處理，考慮疊加影響對邊坡整體地質情況進行分析，對測量點進行文字、符號標注，提取邊坡測繪信息[4]。

同時將提取的信息數據域DEM(Digital Elevation Model)進行幾何對比，其中坐標正方向為比例尺以北方向，根據特征化圖像在信息中的位置，根據比例尺精準定位邊坡測繪區域。采用無人機進行航拍時，可能存在偏離軌道的情況，為此，在露天礦邊坡測繪信息提取過程中，為避免出現數據偏離，采用大數據處理技術，對偏離精度進行調試，并通過三維拍攝技術進行二次模擬成像，以便對無人機測繪進行動態監測，進而精準提取露天礦邊坡測繪信息。

2.2 露天礦邊坡無人機影像信息快速處理

基于上述進行的露天礦邊坡無人機影像數據獲取工作，由于無人機傾角較大，導致三維可視化影像中的邊坡巖體遮擋較嚴重。為此，進行數據篩查、去噪、提煉，即利用計算機視覺算法對獲取數據進行處理[5]。對獲取的露天礦邊坡無人機影像進行相機自校驗，即根據二維影像自動恢復得到場景三維點云模型，以便劃分露天礦邊坡區域，按覆蓋面積、嚴重程度將整體信息劃分為不同等級，利用“測繪影像解釋”識別邊坡地質類型，并計算不同區域不同地質類型所占面積，對多個區域進行整體評估[6]。

根據無人機數字低空遙感的特點，利用尺度不變特征變換提取算子，提取每幅無人機影像特征點，并將相對較低區域的數據刪除。對剩余數據進行二次整理，利用基于k-dimensional樹的近似最鄰近算法進行粗匹配，識別精準度，刪除精準度<0.1的數據集，對邊緣進行模糊化處理，對有價值的露天礦邊坡測繪信息進行提取。利用隨機抽取一致性框架的8點算法對基本矩陣進行計算，對誤匹配點進行剔除，利用人工解讀的方式對測繪信息的具體應用進行研判，既可提升數據處理準確性，又可為邊坡測繪提供基礎數據信息[7]。獲取測繪數據后，對數據信息進行提煉。利用正向映射技術對校正后的數據進行高程模型成像，經過多次數據對比后，將邊緣模糊的數據去除，從而建立與極幾何約束精匹配的特征點集，實現同名特征點匹配，完成對露天礦邊坡測繪數據的預處理。

根據上述露天礦邊坡無人機影像快速處理流程，為避免重投影誤差的影響，設重投影誤差平方和函數表達式如下：

(1)

式中：j為變量；m為場景稀疏點云；v為最小化投影點；f為觀測圖像點；P為誤匹配點；C為待求相機參數；X為空間點坐標；q為最佳相機位置。

進行稀疏光束法平差算法逐步迭代，不斷最小化投影點與觀測圖像點的重投影誤差，計算得到最佳露天礦邊坡無人機影像投影位置，實現高精度測繪圖像快速處理。

2.3 露天礦邊坡測繪工程信息顯示

結合無人機數字低空遙感技術，對露天礦邊坡測繪工程信息進行顯示[8]，具體流程如下：①將處理后的數據進行比例尺重復校正，得到DEM、熱紅外線等數據，為露天礦邊坡測繪信息后期成像提供多元化數據源[9]。通過使用圖像顯示設備，將DEM數據投至屏幕，采用人工翻譯技術對露天礦邊坡測繪信息進行分類。②結合部分潛在的露天礦邊坡測繪信息識別多元次露天礦邊坡測繪信息，根據成像結果對區域類型進行劃分，并通過定位的方式對圖像結果進行分析。為得到準確的測繪結果，提出對應的露天礦邊坡測繪計劃，通過無人機遙感技術指導露天礦邊坡測繪工作的順利開展[10]。③通過無人機數字低空遙感技術建立邊坡三維模型，對邊坡測繪信息地理位置進行二次注冊，最終實現露天礦邊坡整體測繪。

3 試驗驗證

3.1 試驗概況

測繪結果中誤差須小于大比例尺測圖中誤差，為驗證本文提出基于無人機數字低空遙感技術的新型露天礦邊坡測繪方法實用性，以某露天礦邊坡為試驗對象，在邊坡內布置2個測繪精度配準控制點與2個精度驗證點，精度要求如表1所示。

精度要求 表1

結合表1，分別應用傳統測繪方法與本文提出的測繪方法進行測繪，并對比中誤差，記錄試驗結果進行分析。

3.2 試驗結果分析

試驗結果如表2所示。

試驗結果 表2

續表2

由表2可知，本文提出的基于無人機數字低空遙感技術的新型露天礦邊坡測繪方法中誤差均較傳統測繪方法中誤差小，均符合相關規范要求，表明本文提出的方法具有較高的測繪精度。

4 結 語

基于無人機數字低空遙感技術對露天礦邊坡測繪進行研究，通過對比試驗驗證本文提出的基于無人機數字低空遙感技術的新型露天礦邊坡測繪方法的有效性。研究結果可更好地指導露天礦邊坡測繪工作，為露天礦邊坡測繪提供新的方法。在未來的研究工作中，可加大無人機低空遙感遙感技術應用力度研究，以該技術為核心技術，滿足后期露天礦邊坡測繪工作發展需要，促進露天礦邊坡測繪可持續發展。