無人機傾斜攝影技術(shù)礦山地形精準(zhǔn)測量方法應(yīng)用探究

摘" 要：傳統(tǒng)測量方法效率低、勞動強度大、安全風(fēng)險高，已不能滿足現(xiàn)代化礦山管理的需求。無人機傾斜攝影測量技術(shù)以其高效率、高精度、低成本等優(yōu)勢，為礦山地形測量提供了新的解決方案。在闡述無人機傾斜攝影測量原理的基礎(chǔ)上，分析了該技術(shù)在礦山地形測量中的優(yōu)勢，并詳細(xì)介紹了技術(shù)應(yīng)用流程，包括飛行準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、成果輸出與應(yīng)用等環(huán)節(jié)，旨在推廣無人機傾斜攝影測量技術(shù)在礦山工程測量領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無人機 "傾斜攝影 "礦山地形 "三維模型

中圖分類號：TD17

Exploration on the Application of Precise Measurement Method for Mine Terrain Based on Drone Oblique Photography Technology

WANG Xiabing¹"" LI Linlin¹"" XUAN Yunhui^2*"" LIANG Jing¹"" LEI Shan¹

1.Henan College of Surveying and Mapping， Zhengzhou， He’nan Province， 450000 China; 2. Zhongyun International Engineering Co.， Ltd.， Zhengzhou， He’nan Province， 450000 China

Abstract： Traditional measurement methods have low efficiency， high labor intensity， and high safety risks， and can no longer meet the needs of modern mine management. The drone oblique photogrammetry technology provides a new solution for mining terrain measurement due to its advantages of high efficiency， high precision， and low cost. On the basis of explaining the principle of drone oblique photogrammetry， the advantages of this technology in mining terrain measurement are analyzed， and the technical application process is detailed， including flight preparation， data acquisition， data processing， output and application of results， aiming to promote the application of drone oblique photogrammetry technology in the field of mining engineering measurement.

Key Wwords： Unmanned aerial vehicleDrone; Oblique photography; Mine terraintopography; Three-dimensional model

礦山地形測量是礦山工程建設(shè)、資源開采、生態(tài)修復(fù)等工作的重要基礎(chǔ)性工作，準(zhǔn)確掌握礦區(qū)地形特征，對于優(yōu)化礦山開采設(shè)計、指導(dǎo)礦區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、評估開采對環(huán)境的影響、制訂生態(tài)恢復(fù)方案等具有重要意義。傳統(tǒng)的礦山地形測量主要采用全站儀、實時動態(tài)測量技術(shù)（Real-time kinematic）?等設(shè)備，通過測量散點獲取地形數(shù)據(jù)，這種方法作業(yè)效率低、野外工作量大，并且受到作業(yè)環(huán)境的限制，往往難以獲取陡崖、危險區(qū)等特殊地形的數(shù)據(jù)，已不能滿足數(shù)字化礦山建設(shè)對地形數(shù)據(jù)精度、時效性的要求。無人機傾斜攝影技術(shù)憑借其獨特的數(shù)據(jù)采集方式，為礦山地形測量效率的提升開辟了新的途徑。本文針對基于無人機傾斜攝影技術(shù)的礦山地形精準(zhǔn)測量方法進行了探究。""""""""""""""""""""""""""""""""""""nbsp;"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""

1" 礦山地形測量中無人機傾斜攝影技術(shù)的優(yōu)勢

1.1" 高效性

與傳統(tǒng)的人工地面測量相比，無人機傾斜攝影具有作業(yè)自動化程度高、獲取數(shù)據(jù)速度快等顯著優(yōu)勢。傳統(tǒng)測量模式下，測量人員需要背負(fù)重型儀器設(shè)備，在崎嶇復(fù)雜的礦區(qū)地形中穿梭往來，逐點采集地物坐標(biāo)信息，人力物力消耗大、工作強度高，并且點位布設(shè)受地形條件限制，數(shù)據(jù)采集進度緩慢。而采用無人機傾斜攝影技術(shù)，只需要在露天礦邊緣區(qū)域指定起降點，規(guī)劃飛行航線，操控?zé)o人機自主執(zhí)行數(shù)據(jù)采集任務(wù)，便可以對礦區(qū)及周邊地帶進行全覆蓋、高分辨率的影像獲取，并且飛行速度快、續(xù)航時間長，可以連續(xù)作業(yè)數(shù)小時乃至全天候，大幅度提高了外業(yè)測繪效率^[1]。

得益于無人機傾斜攝影系統(tǒng)的高度集成化與自動化，數(shù)據(jù)采集的工作流程得以精簡優(yōu)化：利用傾斜攝影相機的多鏡頭組合，可以實現(xiàn)對地物同步多角度、大范圍成像；搭配高精度POS系統(tǒng)，可以自動記錄飛行狀態(tài)參數(shù)，快速解算影像姿態(tài)信息；配合智能飛控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)自主飛行和自動曝光控制，減少了人工操作環(huán)節(jié)。如此一來，野外作業(yè)從繁重的跋涉探測，轉(zhuǎn)變?yōu)榧苫暮斤w控制，測繪人員從體力勞動中解放出來，將更多精力投入測量設(shè)計、質(zhì)量監(jiān)控等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，降低了人為失誤風(fēng)險，保障了數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。某露天礦的實際應(yīng)用表明，面對數(shù)百萬平方米的礦區(qū)，無人機傾斜攝影僅需要一天即可完成數(shù)據(jù)獲取，而處理數(shù)據(jù)、生成三維模型也在數(shù)日內(nèi)即可完成，效率遠(yuǎn)超傳統(tǒng)RTK測量，體現(xiàn)了無人機傾斜攝影的快速反應(yīng)與高效出圖能力，無人機傾斜攝影技術(shù)正以其卓越的效率優(yōu)勢，為礦山地形測繪領(lǐng)域帶來革命性變革，有力推動著礦區(qū)空間數(shù)據(jù)獲取方式的智能化、自動化發(fā)展。

1.2" 安全性

礦山環(huán)境復(fù)雜多變，地形地貌千姿百態(tài)，采空區(qū)、廢棄巷道、高陡邊坡等危險區(qū)域密布，給傳統(tǒng)人工地面測量作業(yè)帶來諸多安全隱患。測量人員為采集數(shù)據(jù)不得不進入礦區(qū)腹地，面臨塌方、落石、滑坡、中毒等多重威脅，時刻承受著生命危險，并且由于視野受限、站位角度局限等原因，難以對位置危險或視線盲區(qū)獲取完整、準(zhǔn)確的地形數(shù)據(jù)，測量成果質(zhì)量大打折扣^[2]。

無人機傾斜攝影技術(shù)克服了地面測量的諸多局限，實現(xiàn)了高安全性的非接觸式測繪作業(yè)，無人機體積小、重量輕、靈活性好，可以在高空中執(zhí)行預(yù)設(shè)航線，對地面目標(biāo)實施遠(yuǎn)距離、俯瞰式、全方位立體成像，杜絕了人員深入危險區(qū)域的需要。通過科學(xué)合理地規(guī)劃航線，優(yōu)選安全的起降場地，無人機可以對礦區(qū)開采平臺、采場邊坡、排土場等關(guān)鍵區(qū)域反復(fù)飛行拍攝，多視角、多層次、高分辨率地記錄地物信息，即便是陡峭邊坡、狹窄空隙也能輕松覆蓋到位，獲取全面完整的影像數(shù)據(jù)，如此一來，既排除了地面探測的人身安全隱患，又突破了視線阻隔對測量成果的局限，大幅度提高了數(shù)據(jù)獲取的安全系數(shù)和完備程度。

配備先進的飛控避障系統(tǒng)，無人機可以感知復(fù)雜環(huán)境，規(guī)避地形障礙物，降低飛行事故風(fēng)險，即便在狂風(fēng)、沙塵等惡劣條件下，也能夠穩(wěn)定執(zhí)行測繪任務(wù)，進一步確保了數(shù)據(jù)采集的安全可靠。無人機傾斜攝影以其靈活、智能、非接觸的技術(shù)優(yōu)勢，為礦山測繪人員撐起“空中安全傘”，極大改善了野外作業(yè)條件，為露天礦地形測量提供了高安全性保障。

1.3" 低成本

在礦山測繪領(lǐng)域，成本控制是一個永恒的話題，常規(guī)的礦山地形測量作業(yè)，需要組織多人團隊奔赴野外，攜帶各類高精度測量設(shè)備，在現(xiàn)場逐點采集數(shù)據(jù)，人力成本和設(shè)備投入費用高昂。由于礦區(qū)環(huán)境惡劣，測量儀器長期暴露在風(fēng)吹日曬、粉塵污染之下，損耗速度加快，維護保養(yǎng)支出不斷攀升，傳統(tǒng)測繪方式成本高企，已難以滿足現(xiàn)代化礦山管理對精細(xì)化、低成本測繪的需求^[3]。

無人機傾斜攝影技術(shù)為礦山地形測量成本控制帶來新的突破口，相比多人組團作業(yè)，無人機航測可以大幅度壓縮外業(yè)人員數(shù)量，通常一名飛手即可獨立完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)，節(jié)省大量人力成本。并且無人機體積小、重量輕、攜帶方便，可以就近選擇起降場地，減少人員車輛的長距離運輸投入，更為重要的是，在硬件設(shè)備購置和使用維護方面，無人機傾斜攝影系統(tǒng)較常規(guī)測量設(shè)備有明顯成本優(yōu)勢。一套標(biāo)準(zhǔn)的傾斜攝影無人機，價格僅為高端全站儀、RTK等設(shè)備的幾分之一，并且設(shè)備輕便耐用，便于分解運輸和長期存儲，可以重復(fù)利用數(shù)百次，平攤到單次作業(yè)的成本更為低廉。

以某露天煤礦為例，該礦采用無人機傾斜攝影開展地形測量，單位面積成本較采用激光雷達降低80%，較采用全站儀降低90%，經(jīng)濟效益十分顯著。由此可見，憑借作業(yè)人員少、硬件投入低、設(shè)備利用率高等優(yōu)點，無人機傾斜攝影大幅度拉低了礦山地形測繪門檻，單位面積成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)測繪模式，為礦山企業(yè)擴大測繪規(guī)模、提高測繪頻次、實現(xiàn)測繪增效提供了低成本解決方案，在礦業(yè)測繪市場掀起了一場“低成本革命”。

2" 無人機傾斜攝影在礦山測量中的應(yīng)用

2.1" 飛行準(zhǔn)備

在開展無人機傾斜攝影測量工作前，需要做好飛行準(zhǔn)備工作，包括現(xiàn)場踏勘、制訂飛行計劃、布設(shè)相控點等。需要對礦區(qū)及周邊環(huán)境進行實地考察，了解地形起伏、地表覆被、通視條件等情況，確定最佳起降位置和飛行路線，根據(jù)礦區(qū)面積、地形特點、測量精度等要求，合理設(shè)計航線參數(shù)，包括飛行高度、航向重疊度、旁向重疊度等，確保影像數(shù)據(jù)完整覆蓋待測區(qū)域。在自動航線規(guī)劃軟件中，導(dǎo)入礦區(qū)邊界范圍，設(shè)置航線參數(shù)，自動生成航線，并結(jié)合實際情況進行優(yōu)化調(diào)整，避開高壓線、通信塔等障礙物，確保飛行安全。為提高空中加密精度，需要在測區(qū)內(nèi)布設(shè)一定數(shù)量的像控點，利用RTK、全站儀等高精度測量設(shè)備獲取像控點坐標(biāo)，布點應(yīng)均勻分布、數(shù)量適中，覆蓋礦區(qū)四周和中心區(qū)域，并且選址應(yīng)選擇地形開闊、圖像清晰、穩(wěn)定性好的硬化地面^[4]。

2.2" 數(shù)據(jù)獲取

無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取是測繪工作的核心環(huán)節(jié)，其質(zhì)量直接決定最終三維模型的精度和真實性，為確保數(shù)據(jù)采集萬無一失，在正式起飛前，需要對各子系統(tǒng)進行全面檢查。將經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的航線導(dǎo)入飛控系統(tǒng)，并核實各項參數(shù)設(shè)置無誤，對無人機的機身、螺旋槳、航電設(shè)備等進行仔細(xì)檢查，排除硬件隱患，啟動POS系統(tǒng)和傾斜相機，檢測設(shè)備工作狀態(tài)，確保供電、通信存儲、快門等功能正常運轉(zhuǎn)，通過試飛測試，模擬各項操作流程，及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，為順利執(zhí)行飛行任務(wù)掃清障礙。數(shù)據(jù)采集任務(wù)啟動后，操控?zé)o人機沿預(yù)設(shè)航線飛行，通過多鏡頭傾斜相機從垂直、傾斜等5個視角對地面目標(biāo)進行自動成像，空中POS系統(tǒng)實時記錄無人機的位置和姿態(tài)信息。為保證影像數(shù)據(jù)質(zhì)量，應(yīng)綜合考慮天氣、風(fēng)速、光照等環(huán)境因素。

2.3" 數(shù)據(jù)處理

無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取完成后，需要對海量影像數(shù)據(jù)進行處理分析，生成三維實景模型。對原始影像數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，主要包括圖像畸變校正、光照平衡、噪點去除等，提高圖像質(zhì)量，解算POS數(shù)據(jù)，獲取各幅影像的外方位元素，預(yù)處理后，采用智能化空中三角測量技術(shù)，通過特征匹配、聯(lián)合平差等步驟，解算各影像坐標(biāo)系與地面坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，獲得影像的空間定位信息^[5]。在此基礎(chǔ)上，進行多視影像密集匹配，提取影像間的同名點，構(gòu)建三維點云模型，利用點云數(shù)據(jù)生成高精度的數(shù)字表面模型（Digital Surface Model）和數(shù)字正射影像圖（Digital Orthophoto Map），真實再現(xiàn)測區(qū)地形地貌，為消除模型紋理的畸變和縫隙，需要開展DSM與DOM的糾正與融合，獲取高質(zhì)量的實景三維模型，根據(jù)需求對模型進行簡化、壓縮，生成適用于快速瀏覽、分析的多分辨率三維模型數(shù)據(jù)。

3" 成果輸出與應(yīng)用

通過無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)處理，可以獲得多種測繪成果，包括高分辨率正射影像、高精度點云、三維實景模型等，可以直接服務(wù)于礦山開采各環(huán)節(jié)。基于傾斜攝影DOM，可以直觀反映礦區(qū)地物分布、地類覆被等情況，制作大比例尺礦區(qū)真實感地圖，為礦區(qū)規(guī)劃設(shè)計、環(huán)境監(jiān)測等提供基礎(chǔ)地理信息，基于傾斜攝影DSM，可以精確描述礦區(qū)地形起伏，開展地形斷面分析、壓平工程量計算等，優(yōu)化開采方案，指導(dǎo)采場、排土場、運輸?shù)缆返仍O(shè)計。利用三維點云數(shù)據(jù)，可以獲取采場邊坡、廢石堆體等地形的精確坐標(biāo)，進行穩(wěn)定性分析、形變監(jiān)測等，預(yù)警地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險。

4 "結(jié)語

在礦山地形測量領(lǐng)域，無人機傾斜攝影技術(shù)以其高效率、高精度、低成本、非接觸式作業(yè)等優(yōu)勢，該技術(shù)通過無人機搭載多視角傳感器獲取高分辨率影像，結(jié)合智能化攝影測量方法生成三維實景模型，可以快速、真實地再現(xiàn)礦區(qū)地形地貌，為礦山開采規(guī)劃設(shè)計、安全監(jiān)測預(yù)警、生態(tài)保護修復(fù)等提供翔實的空間信息支持。 當(dāng)前，在智能化礦山、數(shù)字化礦山建設(shè)的大背景下，需要引入先進的空間信息獲取技術(shù)，提高礦山管理的精細(xì)化、信息化水平。

參考文獻

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