無人機傾斜攝影測量在礦山測繪中的應用研究

譚衛平

礦山測繪對后續工作部署有重要指導作用，而傳統測繪手段大多需要開展大量的外業調繪，不僅效率低下，而且精度不高。基于無人機飛行平臺的傾斜攝影測量技術為解決這一問題提供了有效舉措，而為了使這項技術的應用發揮出應有作用效果，還有必要結合項目實際情況，對技術應用進行分析探究。

1 項目概況

某礦山測區為典型的丘陵地形，其外業航空攝影采用四旋翼無人機進行，無人機上搭載微單相機，和垂直方向保持45°的夾角，在南北與東西方向分別飛行一次，以此得到地物側面紋理。在此基礎上實施垂直攝影，以得到地物頂部紋理。航線的設計航高為120m，旁向重疊度75%，航向重疊度80%，共21 條航線。此外，為了給數據處理提供輔助，按照區域網布點設置13 個像控點與檢查點。

2 無人機系統

無人機是航測遙感重要飛行平臺，在選擇具體類型時，要注意下列幾方面要點：

（1）明確無人機性能指標，設備要有良好安全性與可靠性。

（2）確定任務載荷能力，無人機應滿足任務執行提出的搭載要求及安裝需要。

（3）要有較高的控制精度，包括飛行航跡精度與航高控制精度等，都必須與相關規范提出的要求完全相符。

（4）對環境還要有良好的適應性，無人機性能應能良好適應測區氣候條件及地理環境，以免由于環境因素的影響導致測量精度下降或根本無法開展飛行測量。

（5）其它包含續航、速度、有效控制距離及操控便捷性等在內的技術指標。

目前常用的無人機類型主要包括以下幾種：

（1）旋翼無人機，其主要優勢包括：操作比較簡單，起飛與降落都相對便利，有很高的安全性；可實現低空飛行與空中懸停，可獲取分辨率很高的影像。缺點包括：多采用電動發動機，續航較短，且速度不快，有效飛行與控制距離將因此受到很大限制，不得不頻繁起飛與降落和更換場地，影響實際作業效率；飛行時容易受到氣流因素的影響，對飛行姿態的控制有很大難度。

（2）固定翼無人機，其主要優勢包括：搭載汽油發動機，可大幅延長續航，并提高飛行速度，從而提高航攝效率；飛行控制有很高的精度，能良好保證影像分辨率。缺點包括：需要有空曠且平整的起飛與降落場地，在部分人口分布較為密集的測區中使用會受到很大限制；實際飛行高度要達到一定水平，且速度很快，可能降低清晰度與分辨率。

（3）垂直起降固定翼無人機，它將以上兩種無人機各自優勢充分結合到一起，如起飛與降落均采用旋翼無人機的方式，則巡航飛行則采用固定翼無人機的方式，這樣能同時保證操作便利性及飛行速度，這是現階段研發及應用主要機型之一，然而，在續航方面還需要進一步的升級改進。

伴隨無人機技術不斷發展，必然會有更多新型無人機出現，為用戶提供更多選擇，比如DW-150W 型無人機與DM-X402H 型無人機，其主要技術參數為：DM-150W 型：翼展為3.29m，最大起飛質量為38kg，實用升限為6000m，續航時間為5h，機長2.2m，最大載荷10kg，巡航速度為100km/h，抗風能力為6 級；DMX402H 型：軸距為1200mm，最大起飛質量為18kg，實用升限為4500m，續航時間為40min，機高500mm，最大載荷6kg，巡航速度在1km/h ～36km/h 范圍內，抗風能力為5 級。

在實際應用過程中，要充分考慮測區所在范圍及環境確定適宜的無人機類型及型號，比如當測區范圍相對較大，人口不密集時，建議選擇固定翼無人機；而當測區范圍不大，且人口相對密集時，建議選擇旋翼無人機，以保證地物影像的清晰度和分辨率。

3 無人機傾斜攝影測量技術在礦山測繪中的應用優勢特點

3.1 具有非常高的靈活性

無人機傾斜攝影測量技術與航拍飛機對比分析后，無人機的體型相對比較輕巧，投入正式運行后的速度也比較快。運行過程中不需要安排駕駛員，可以適當減輕機體的重量，促使無人機運行狀態以及操作過程更加靈活。對無人機傾斜攝影技術的應用，可以對礦山不同區域內的環境信息等進行監測和分析，促使其可以維持在相對良好的監測狀態，保證礦山測繪精準度得到提升。

3.2 數據分辨率高

無人機傾斜攝影測量技術在應用時，主要以數碼傳感器、飛行器等組合而成，各種不同類型設備系統可以實現優化組合，促使無人機傾斜攝影技術的分辨率有所提升。與衛星影像分辨率對比分析后，無人機傾斜攝影技術在應用時可以超出目前的3倍，可以實現0.3m 的精準度。由此可以看出，無人機傾斜攝影測量技術在礦山測繪中的應用，具有非常高的數據分辨率。

3.3 具有非常高的監測效率

無人機傾斜攝影測量技術在應用時具有非常高的監測效率，所以目前在礦山測繪中的應用范圍比較廣，監測數據量比較大，如果監測效率過低，勢必會導致礦山測繪水平受到不良影響。所以無人機傾斜攝影技術與數碼傳感器、GPRS 技術等結合后，有利于提高礦山測繪效率，滿足礦山測繪在監測效率等各方面提出的高要求。

4 三維建模與地形圖測繪

該測區通過在無人機上搭載傾斜相機實現傾斜攝影，以此獲得測區范圍內影像數據，并借助自動建模方法建立模型；以建成的模型為基礎，采用三維立體量測方法，對測區地物地貌進行數據采集，再通過內業編輯形成地形圖，以此徹底省略外業調繪，實現快速測繪。

4.1 三維建模

傾斜攝影技術是國際測繪領域近年來發展起來的一項高新技術，顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從1 個垂直、4 個傾斜共5 個不同的角度采集影像，將用戶引入了符合人眼視覺的真實直觀世界。傾斜影像技術的引進和應用，使目前高昂的三維建模成本大大降低。該技術的推廣應用依賴軟件的強大處理能力和硬件的支持。目前世界上支持多視角影像三維實景建模的軟件有許多，諸如Context Capture、Pixel Factory、Pix4D、VirtuosoGrid、VirtuoZo、DP-Smart、PhotoScan 等軟件，其高度自動化和智能化給建模帶來極高的效率。在硬件方面也得到了國內外許多傾斜無人機的支撐，比如Harwar、MicroDrones、JOUAV、Dragon50等。軟件和硬件的支持給三維實景建模帶來改革性的變化，推動著三維實景建模飛速發展。

該項目測繪精度檢查依靠8 個像控點實施，建模工具為Smart 3D 軟件，具體步驟為：

（1）對影像數據進行加載，并設定各項相機參數，對pos 數據進行編輯，將檢查點和控制點的數據引入，完成工程構建。該項目測量所用無人機搭載2 個相機，為此需設置雙份文件，其影像數量分別為364 張與266 張。pos 數據采用WGS1984，并將其轉換至標準高程系統。按照局域網布點，檢查控制點與解算控制點分別為8 個、5 個。

（2）傾斜攝影空三測量。該項目按照區域網布點，在四周分別布置4 個控制點，然后在中心布置1 個控制點，以此為傾斜攝影空三測量創造良好條件；與此同時，通過設置檢查點對空三測量成果精度進行檢驗。經空三加密處理后，自由網精度可達1.82pix，像控點精度為：平面、高程中誤差分別為0.033m 和0.063m。

（3）模型生成。以空三測量成果為基礎實施模型分塊，然后基于分塊結果，從測區范圍內提取所有密集點云，以此建立三角網和三維模型；與此同時，根據多角度紋理通過自動拼貼獲取最終的三維模型。

建成的三維模型主要具有以下特點：①模型能對地物和地形進行一體化表示；②模型有良好的完整性，且位置準確度高，還有一定現勢性，和航空影像表現基本相同；③模型能準確反映出地物基本特征，當視點高度為200m 時，對模型進行瀏覽不會看到明顯的漏洞，且畫面清晰，無拉伸變形現象。

4.2 地形圖測繪

地形圖測繪需將EPS 作為基礎，充分利用模型具有的量測功能開展地形地物信息采集，其具體步驟為：

（1）采用EPS 對三維模型進行加載。在ESP 系統中通過模型轉換使模型格式從OSGB 變為DSM，之后通過對轉換完成后模型的加載，完成對目標模型的全面加載。

（2）然后模型加載后即可開始地形圖繪制，以三維模型為基礎進行，充分利用模型可提供的各項空間信息，完成空間量算與采集，并通過模型旋轉與多角度觀察進行自動房檐改正，以此省去外業工作，提高測繪。

5 現存問題與解決方法

在實踐應用過程中可以發現很多亟待研究解決的各方面技術問題，有些問題屬于基于無人機的傾斜攝影的普遍問題，當然也存在基于無人機的傾斜攝影的特有問題，這些問題主要包含以下兩個方面：

（1）在數據采集方面，主要存在以下問題：①當測區范圍內的地物分布較為密集時，會由于地物之間相互遮擋使影像多度重疊無法達到均勻，地物頂、底部在分辨率存在明顯差異，導致實際的模型建立效果較差，給最終的三模建模效果造成很大影響。針對這一問題，需在深入研究的基礎上進行數據采集與處理從根本上解決上述實際問題；②當前的傾斜攝影設備通常不超過5 個鏡頭，在這種情況下僅可以從5 個方向實施影像采集，無法全方位覆蓋整個地物，對模型建立效果造成影響。對此，亟需在無人機相機配置與飛行方式設計上進行必要的創新；③當前使用的無人機大多為小型無人機，其載荷能力相對較低，一般無法搭載重量較大的相機，這在部分對分辨率和精度有很高要求的項目中無法滿足要求。針對這一問題，需通過不斷研發性能更高的無人機來解決。

（2）在數據處理方面，要注重以下各項實際問題的分析和解決：①對原始影像中存在的顏色相對較暗的數據實施后期調色；②利用人工刪除或修改漂浮物之后，修改相應的三維模型，確保模型上不再存在任何漂浮物；③利用人工修改所有漏洞區域，確保建成的模型不存在任何漏洞；④利用人工修正所有結構扭曲；⑤為紋理拉花重新實施貼圖。

6 無人機傾斜攝影測量技術在礦山中的具體應用

無人機傾斜攝影測量技術的應用，為保證該技術的應用作用充分發揮出來，必須要對礦山周邊區域進行仔細感測，將監測到的諸多數據進行預處理和整合分析，盡可能避免出現冗余錯誤等情況。將經過預處理的數據信息全部都輸入到對應的計算機系統中，以此來保證測繪信息的準確性、可靠性。由此可以看出，這種具有高度自動化特征的測繪流程，有利于避免人為因素帶來干擾影響，同時還可以壓縮人力資源的過度投入，以此來保證測繪工作水平的提升。

6.1 無人機傾斜攝影測量技術在開采規劃中的應用

針對礦山進行開采之前，工作人員需要提前進入到現場內部，對礦山中涉及到的諸多數據信息進行全方位有效的采集以及勘察，這樣能夠對開采方案進行科學合理的編制和落實。工程項目在規劃和建設時，可以直接將無人機傾斜射攝影測量技術合理應用其中，在現階段的設計中，以無人機為基礎，可以對礦山區域范圍內的海拔高度以及地形地貌的相關數據進行全方位采集，保證現有諸多數據信息能夠及時傳輸到對應的計算機系統當中。通過對計算機系統的合理利用，可以對礦山地形圖進行科學合理的繪制和利用，以此來保證礦山測繪工作的高精度實施。在具體操作過程中要對CAD 軟件進行合理利用，將測量之后涉及到的諸多數據信息全部采集到對應系統中，包括礦山周邊環境以及方案數據等。同時要以現有諸多數據信息為基礎，對三維圖景進行科學合理的構建和利用，以更加直觀方式針對礦山以及周邊環境展開客觀合理分析。后續相關人員可以針對施工方案進行不斷完善和優化，對施工過程中面臨的諸多問題進行適當調整。在整個設計環節，結合傾斜攝影形成的數據庫，對礦山目前的設計結構特點等進行深入了解，這樣做的目的是為了保證工程建設與城市建設之間具有非常高的匹配性，保證整個礦山測繪工作在實施過程中具有一定科學性和合理性。在整個過程中要以傾斜攝影為基礎，從中獲取到礦區地表的具體影像，后續展開空中三角測量，在得到對應結果之后，可以針對有效數據進行客觀合理的檢索和分析。基于此，對礦區范圍內的三維模型進行合理構建，對礦山結構進行確定，同時對現有諸多數據進行客觀分析，對現有諸多因素條件進行掌握和了解之后，可以對其進行研發和設計，保證設計的針對性和有效性。以此為基礎，可以保證礦山測繪結果準確性得到提升，同時能夠保證測繪工作的實施效率以及質量得到提升。

6.2 無人機傾斜攝影測量技術在礦山施工中的應用

無人機傾斜攝影技術在礦山施工中的應用，能夠從多個角度著手，保證數據信息的全面有效采集，促使礦山能夠滿足人們日常質量檢測中提出的個性化需求，為檢測結果的準確性和可靠性提供保證。無人機傾斜攝影技術在應用時，能夠針對礦山周邊環境進行準確有效檢測，同時可以保證高效率實施，為礦山施工效果提供保證。同時避免受到外界的因素帶來的干擾影響，為安全排查工作的實施效果提供保證。無人機在整個飛行中可以實現低空拍攝的根本目的，以更加直觀方式為工作人員提供可靠數據信息作為支持，幫助工作人員能夠以更加合理的方式對現場進行及時有效的進入，將部分礦石直接安排在合理位置上，盡可能避免出現局部超載等問題，避免對地層造成嚴重危害影響。由此可以看出，無人機技術的合理利用，能夠滿足目前新時期背景下對礦山測繪提出的個性化要求，為測繪結果的準確性和可靠性提供保證。

6.3 無人機傾斜攝影測量技術在礦山驗收中的應用

通常在施工作業完成后，工程項目勢必會直接進入到最終的驗收環節。在該階段，必須要結合實際要求，將無人機傾斜攝影技術在其中的應用價值、作用最大化發揮出來。在實踐中的應用，主要是以無人機的測繪為基礎，結合礦山實際情況，對各種不同類型的數據信息進行大范圍的采集和利用，同時要將不同信息按照不同類別進行仔細錄入，以此來將礦山的現狀呈現出來。在現有軟件的合理應用基礎上，工作人員還可以結合礦山實際情況進行客觀分析，逐漸形成符合要求的三維模型，以更加直觀的方式對礦山現狀進行了解，為工作人員對模型更加詳細的分析提供參考。比如，通過數字攝影測量系統的合理利用，可以對礦山的整個比例進行科學合理的構建和利用，以相對比較豐富、直觀的方式，逐漸形成具體的模型。這種形勢下工作人員可以在現有數據模型的基礎上，對符合要求的工程建設方案進行設計和利用。除此之外，還可以對周邊的礦山進行仔細檢查，通過對無人機的合理利用，可以體現出其自身的飛行優勢特點，針對人工無法進行仔細勘察的區域可以展開有針對性的測繪，為礦山測繪工作的全方位有效推進打下良好基礎。

7 結語

綜上所述，基于無人機飛行平臺的傾斜攝影測量為礦山測繪提出了新的技術解決方案，能從根本上省去大量外業作業，并且還有很高的測量精度，測繪成果完全滿足地形圖測繪要求，值得在更多礦山測繪作業中廣泛推廣應用。