論無人機三維傾斜攝影技術在露天礦山監測中的應用

程 曦

(中建材西南勘測設計有限公司，四川 成都 610000)

1 無人機三維傾斜攝影技術的優勢

無人機三維傾斜攝影技術歸屬于現代測繪技術的范疇，以無人機為載體，集成多種先進的技術，如傳感器技術、線速路由換技術(POS)、衛星導航系統(GPS)等，可快速完成數據處理，并根據所得的結果構建相關模型[1]。

1.1 真實性強

依托無人機傾斜攝影，能夠獲取到3D模型，通過該模型，可從不同的角度對地物、地貌等全面觀察，反映出的情況更加逼真。

1.2 性價比高

3D模型常用的構建方式有三種，即激光掃描儀、傳統測量結合紋理鑲嵌、無人機傾斜攝影。其中激光掃描儀的效率和精度較高，但造價比較昂貴；傳統測量方法的周期過長，效率偏低；無人機三維傾斜攝影不僅效率高，而且成本低，因而該技術具有較高的性價比。

1.3 易于共享

通過無人機三維傾斜攝影技術采集到相關數據，要比GIS系統獲取到的數據容量小，由此給數據的傳輸和資源共享提供了便利條件，更易于實現大眾化的應用。

2 無人機監測的露天礦山概況

本次選取某地區露天石灰巖礦區作為研究對象，無人機監測的礦區共有5個，分別用字母A～E表示。各礦區的基本情況如下。

2.1 A礦區

該礦區的地貌特征為巖溶槽，斜坡地形，西高東低，最高點的高程為418.56 m，最低點的高程為331.9 m，地形坡角的范圍為25°～40°。礦區多年平均降雨量為1 110.5 mm,每年的雨季集中在5～9月，礦區內的地表溪流不發育，無季節性沖溝和常年地表水體，所有地表水均為自然降雨補給。該礦區主要開采的是石灰巖礦，供建筑工程使用。

2.2 B礦區

該礦區呈現為單斜構造，整體的地質構造較為簡單，無斷裂，節理裂隙不發育，地層傾角約為9°。礦山開采的石灰巖厚度為120～140 m，灰巖層理較為發育，在層面上可見清晰的斑紋狀條帶。

2.3 C礦區

該礦區位于斜坡地帶，中山地貌，地形坡角的范圍在15°～45°。礦區年均氣溫為17.5℃，年均降雨量為1 162.5 mm,5～9月的降雨量較大，約占全年總降雨量的68.8%，經常有大暴雨。礦區內的斷層和節理裂隙均不發育，巖層的完整性比較好，地質構造較為簡單。

2.4 D礦區

該礦區內的斷裂構造不發育，背斜部的地層為二疊系和三疊系，翼部地層為侏羅系。礦區內的斷裂構造不發育，地層傾角為44°～46°，地質構造較為簡單，未見明顯的斷層。

2.5 E礦區

該礦區的地形為狹長嶺谷，南高北低，年均降雨量為1 136.8 mm,每年的5～8月降雨量較大，經常會出現大雨或暴雨。該礦區內的礦山主要以石灰巖開采為主。

3 基于無人機三維傾斜攝影的礦山監測

3.1 無人機傾斜攝影測量系統

本次露天礦山監測中，選用無人機傾斜攝影測量系統，根據鏡頭的數量不同，可將該測量系統分為以下4種類型：雙傾斜鏡頭、雙傾斜+一個正視鏡頭、四傾斜+一個正視鏡頭和八傾斜+一個正視鏡頭。鏡頭越多的測量系統，操作過程越復雜，對操作人員的技術水平要求越高，綜合考慮各種因素，本次研究中，采用雙鏡頭六旋翼UAV，對露天礦山開展傾斜攝影[2]。鏡頭的最大像素為4 240萬，在平原和低山丘陵地區的最高分辨率分別為2.0 cm和5.0～10 cm；兩個鏡頭全部可以多角度擺動，能夠獲取到同一個地物，不同視角的影像，進而構成3D模型；UAV最長續航時間為30 min，具備自動返航功能，六旋翼設計能夠抵抗6級風力。

3.2 測量要求

依據傾斜攝影測量的技術規范，本次露天礦山監測中，對無人機的航線設定、飛行、拍攝質量、航攝時間、精度及影像成果等，全部按照如下要求執行，以此來確保無人機傾斜攝影測量結果的準確性、可靠性[3]。

3.2.1 無人機航線設計

本次監測中，對無人機航線的飛行方向無要求，根據慣例選擇東西向，若是地形條件受限，則可改為南北向。通常情況下，可以按照圖幅中心線對無人機的飛行航線進行設計。

3.2.2 攝影質量

1)傾斜攝影的航向重疊應當控制在75%以內，旁向攝影的航向重疊應不小于65%。正射影像的無人機航向重疊應控制在60%～80%，最小不得低于55%，旁向則可控制在15%～60%，最小不得低于8%。可按照地物的特征及其分配情況，對重疊度適當調整。

2)相片的傾斜角度控制在2°以內，最大不超過4°；旋偏角控制在10°以內，最大不超過12°，接近最大旋偏角的相片連續不得超過3張；無人機航線的彎曲度控制在3%以內；當選用的鏡頭一定時，航高與影像的地面分辨率關系成反比，即無人機的航高越高，影像的地面分辨率就越低，本次實驗中使用的鏡頭為35 mm焦距，影像地面分辨率>10 cm，航高不低于777 m，實驗過程的航高控制在200 mm左右。

3.2.3 航拍時間

通常情況下，在選擇航拍季節時，可以拍攝區域內最有利的天氣條件作為主要依據，減少植被、覆蓋物對拍攝效果的影響。基于這一前提，實驗的航拍時間定在冬春季節，這個時間段測區的天氣條件較好，通過拍攝區域的太陽高度角及陰影的倍數對航攝時間合理選擇。

3.2.4 坐標及精度

平面坐標選用的是地理坐標系CGCS2000，高程為1985高程基準；航攝所得的正射與相鄰影像圖接邊的誤差應不超過2個像元，影像要清晰、層次豐富，能夠從中辨識細小的地物，并可以構建3D模型，影像中不得存在反光、污點、煙、云等缺陷；3D模型的接邊不得存在高差痕跡，模型的色彩要均勻。

3.3 傾斜攝影作業

3.3.1 前期準備

1)測量開始前，先對數字相機全面檢校，避免光學畸變影響拍攝效果。本次實驗中，選擇控制場法：在室外選擇一片比較空曠的場地建立控制場，并在相應的位置處布設控制點標志，利用精確測定的最標點與影像坐標點結合，檢校模型計算，由此可以獲取到精確度較高的數字相機檢校參數。

2)傾斜攝影測量由無人機來完成，飛行前需檢測電池的充電及電壓情況，保證電壓正常且充滿電方可使用，并對飛行過程中使用的工具全面清點、檢查并加固運輸箱；開始作業前，要仔細檢查無人機運輸時有無損壞，重點檢查螺旋槳、控制器等部件，看是否完好；上電檢測，校正磁羅盤。

3)對無人機的飛行場地現場踏勘，觀察飛行路線上空是否存在高壓線，確保路線遠離居民區、河湖、水庫、魚塘等；無人機執行飛行任務前，需要對航線合理規劃，在網絡地域上，對測區范圍準確定位，綜合考慮相關因素，如氣象、作業要求等，編制短期任務規劃，并在任務執行當天結合飛行情況，制定出可飛的航行路線。

3.3.2 外業數據采集

1)無人機傾斜航測的過程中，要對像控點合理布置，確保點位的數量充足，避免對后期數據處理的精度造成不利影響。

2)無人機傾斜航拍時，飛行高度為200 m左右，這個高度屬于低空范疇，由于本次監測的礦區面積都不是很大，基本上都在1.0 km2內。故此，可使用紅色布條制作像控點地面標志，拼接后固定在地面上，采用這樣的標志能夠使其與襯景間的亮度變大，可進一步增強影像的判讀性。

3)依據預先設定的無人機航線，利用無人機開展數據采集作業，整個過程要密切關注無人機的飛行軌跡，看是否與設定的軌跡相符。當無人機完成飛行任務后，及時將采集到的數據轉入計算機中，檢查數據采集成果，看是否滿足測區范圍及影像質量的要求，確認相符后，將數據存儲到專用的移動硬盤中，帶回實驗室做進一步處理。

4)在對無人機采集到的影像數據做內業處理前，要先檢查外業采集的影像數據質量，以此來為后續處理工作的順利開展提供有利條件。無人機傾斜航拍時，天氣、相機等因素會影響圖像的質量，圖像質量下降勢必造成后期三維建模的精度降低。所以采取有效的措施避免天氣和相機的影響尤為重要。

3.3.3 內業處理

本次實驗的內業處理工作選用一款功能強大的三維建模軟件，該軟件依托的是多視圖三維重建技術，能夠處理任意照片，將具有重疊率的數碼影像導入軟件后，可生成高分辨率的三維模型，整個過程不需要人為控制，軟件可自行完成，構建的模型精度可以達到毫米級。內業處理的工作流程如下。

1)將無人機航拍的影像數據導入到三維建模軟件當中，軟件會按照每張照片的位置信息及參數信息，對照片分組，給空三加密提供條件。

2)當影像數據全部導入后，可在三維建模軟件中，以自動或手動的方式完成空三加密。操作前，要為照片加入地面像控點坐標，數量不少于3個，以此來達到控制效果，并使加密點與地理坐標系相統一。具體計算時，三維建模軟件通過提取照片中特征點完成自動運算，匹配同名點，反算出每張照片的姿態角，據此對各張照片之間的關系加以確定。

3)利用的三維建模軟件，構建實景3D模型，利用空三加密點，軟件能自動計算出TIN，進而生成不具備任何紋理信息的3D模型，隨后從無人機航拍的照片中選取與模型形狀位置相對應的紋理，為模型著色，由此便可輸出實景3D模型。

3.4 解譯標志的建立

識別并解譯露天礦山建設中的各種要素是監測的主要目的，本次所選的研究對象為石灰巖礦山，下面依托無人機傾斜攝影技術構建的3D模型，對露天礦山解譯標志進行建立，具體如下。

3.4.1 野外識別標志

通過無人機航拍前對試驗區域的全面踏勘，以及地面像控點的布設，詳細了解研究區的條件，包括采場、工業廣場、固廢、復墾區、主干道硬化、排水溝等。

3.4.2 影像解譯標志

利用3D模型，從顏色、紋理等方面著手，建立影像解譯標志，具體如圖1所示。

圖1 露天礦山無人機傾斜攝影影像解譯標志

1)圖1(a)為采場，原始地貌并未發生過大的改變，無植被覆蓋，在該區域在影像上與周邊地區的紋理、色相均存在較為明顯的差異，低于周圍的地形，開采面與裸露在外的土地有所區別，邊坡的紋理呈現為環形，清晰并且較為密集。

2)圖1(b)為工業廣場，包括以下場地：礦石臨時堆場、加工場地、辦公場地等。影像中，石料堆場和廠房棚頂各有不同顏色以區分。

3)圖1(c)為固廢，主要是露天礦山開采產生各種固體

廢棄物，如廢土、廢渣、廢石料等，在影像中，紋理相對比較細膩，呈現為近似圓形的圖斑。

4)圖1(d)為復墾區，從影像中可以看出，這片區域的色調以灰色和灰綠色為主，復墾初期能夠看到礦山開采的痕跡，但無法看清開采作業面，從中可以看到人工種植的痕跡。

5)圖1(e)為主干道硬化，在影像中的顏色為灰白色，邊界有明顯的臺階，比較容易辨識。

3.5 影像解譯標志評價

根據上文建立的無人機傾斜航拍影像解譯標志，對本次所選研究區內的A～E五個礦山進行解譯，其中使用的方法為人機交互式解譯，依托非監督分類，完成礦區內的地物分類，隨后依據分類結果，解譯出相關的要素。為檢驗解譯精度是否達標，采取實地驗證的方法，對研究區內的5個礦山進行考察，分別在各個礦山上選取驗證點，數量均為10個，驗證率為100%，驗證結果如表1所示。

表1 無人機傾斜攝影影像解譯結果驗證情況

通過現場驗證，解譯結果的正確率達到94%以上。從表1中的結果可以看出，采場與固廢的解譯正確率均為100%，工業廣場次之，引起解譯誤差的主要原因是居民點與礦區距離過近，造成建筑物混淆；復墾區的解譯誤差是因為解譯時存在自然恢復的植被；排水溝的解譯誤差與居民活動有關。可見，本次應用無人機三維傾斜攝影技術建立的解譯標具有較高的精度，可以在露天礦山監測中使用。

4 結束語

露天礦山監測工作開展中，可對先進的無人機三維傾斜攝影技術加以合理應用，通過3D模型的構建和解譯標志的建立，為礦山生態環境監管提供可靠依據，確保礦山持續發展。未來一段時期，要加大無人機三維傾斜攝影技術的研究力度，通過改進使該技術逐步完善，更好地為礦山建設服務。

[ID:013400]