吴卓蕾，栾进华，程 军，谢洪斌，杨 雪，戚伟迅，刘成均

(外生成矿与矿山环境重庆市重点实验室(重庆地质矿产研究院)，重庆 401120)

矿产资源是国民经济发展的重要基础，为有效促进矿产资源科学、绿色、可持续开发利用，把“绿水青山就是金山银山”理念更好地融入矿产资源开发利用管理全过程，遥感监测以其特有优势成为矿山监管必不可少的技术手段。倾斜摄影技术是国际遥感领域近年发展起来的一项高新技术，融合了传统的航空摄影、近景摄影测量、计算机视觉技术，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器(本文采用常见的五镜头相机)，同时从垂直、斜前、斜后、斜左、斜右等五个不同角度采集影像[1-2]，快速获取矿山地表详细信息，为矿山监测提供精细实景三维模型、DOM、DSM等丰富的测绘地理信息数据，准确反映矿山开发利用现状，可为矿山监管提供真实详尽的数据支撑。

本文通过实验分析了五镜头无人机倾斜摄影系统获取的原始影像数据中，垂直影像(即下视相机获取的影像)和五镜头影像(即一个下视相机和四个倾斜相机获取的影像)分别生成的三维模型、DOM、DSM等成果在几何精度、表征质量、生产效率等方面的差别，研究提出了两种影像在矿山遥感监测中面向不同需求的应用。

1 倾斜摄影关键技术

1.1 垂直摄影与倾斜摄影

五镜头相机从五个不同角度同时对地表进行影像获取。垂直地面角度拍摄方式称为垂直摄影，镜头朝向与地面成一定夹角(一般为15°～45°)拍摄称为倾斜摄影，两种拍摄方式如图1所示。垂直影像是传统的正射投影，可以很好地观测到矿山开采台阶平面和建筑物屋顶特征，但缺少大高差地形侧面信息，整幅影像具有固定的比例尺；而倾斜影像可以观测到矿山开采台阶或高陡边坡的侧面纹理细节特征，影像中不同地方的比例尺也不一样，垂直摄影与倾斜摄影的区别见表1。

图1 垂直摄影和倾斜摄影方式Fig.1 Vertical photogrammetry and oblique photogrammetry ways

表1 垂直摄影与倾斜摄影的区别Table 1 Difference of vertical photogrammetry andoblique photogrammetry

1.2 技术流程

前期做好资料收集、实地踏勘、设备检查、航线规划等准备工作，在像控点布设及测量后，操作无人机按设定航线进行倾斜摄影，外业数据经检查合格后，进入内业处理阶段。空三加密利用POS辅助平差，像点的坐标、GPS摄站的坐标及IMU姿态角为测量值，地物点地面坐标、影像外方位元素和各种系统误差的修正参数为待定参数，根据像点的坐标、POS系统提供的摄影中心线元素、角元素的精确度，设定三类测量值不同的权重，使用最小二乘平差的方法得到地物点的三维地面坐标和影像外方位元素的最或然值[3]。空三加密满足精度要求后，进行密集点云匹配，基于点云构TIN，三维模型自动构建及纹理映射，生成实景三维模型[4-6]，并生成DOM和DSM，最后进行成果质量检查，技术流程如图2所示。

图2 无人机倾斜摄影技术流程Fig.2 Technical flow of UAV oblique photogrammetry

在摄影测量数据处理中，自动可靠地获取精确且均匀分布的连接点，并进行区域网平差解算是高精度测绘的关键。一般常使用尺度不变特征变换SIFT算法获取特征点，进行影像间的两两匹配[7]，再利用RANSAC算法剔除错误的匹配点[8]。但在倾斜摄影数据处理中，由于采用倾斜摄影的方式获取影像，影像遮挡非常多、尺度变化大且几何变形严重，在影像匹配需充分考虑影像间的几何变形，采用完全仿射不变图像特征匹配ASIFT算法和基于窗口的多角度多视影像匹配模型[9]，使用由粗到细的多分辨率分层匹配策略完成连接点的自动提取，再进行区域网平差。

2 试验与分析

以某露天石灰岩矿山为例，测区地形类别为山地，面积约为0.8 km2，采用六旋翼大疆无人机，搭载睿铂五镜头倾斜相机进行低空摄影，共获取影像6 525张，地面分辨率为4.1 cm，航向重叠为80%，旁向重叠为70%，相对飞行高度为300 m，按照低空摄影相关规范要求，结合测区实际情况合理布设地面控制点[10]，利用GPS RTK接收机连接城市CORS服务系统，实地测量像控点坐标，坐标成果采用2000国家大地坐标系，高斯-克吕格3度分带投影和1985国家高程基准。由Context Capture软件分别对垂直影像和五镜头影像进行空中三角测量、三维模型的构建及DOM、DSM生成。此外，航飞前采用与控制点同样的测量方法，实测26个检核点用于对内业成果进行精度评定。

2.1 几何精度

为验证并比较两种生产模式下成果的几何精度，在无人机航空摄影之前，在航摄范围内人工合理布设了26个检核点(图3)，采用GPS RTK进行坐标采集，然后与成果对应点的量测坐标进行对比，计算X方向、Y方向、H方向的较差，并根据中误差以及点位中误差求得检核点的平面中误差和高程中误差。同名点的平面坐标在DOM成果上直接量测，高程值通过平面坐标在DSM成果上量测[11]，检核数据精度统计见表2。

图3 检核点布设图Fig.3 Distribution of check points

表2 检核数据精度统计表Table 2 Precision statistics of check datas 单位：m

根据中误差以及点位中误差的计算可得式(1)～式(4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

由式(1)～式(4)可知，垂直影像生产成果的平面中误差为0.079 m，高程中误差为0.069 m；五镜头影像生产成果的平面中误差为0.068 m，高程中误差为0.059 m，说明两种模式生产的成果精度均较高，五镜头影像可通过垂直、斜前、斜后、斜左、斜右等五个不同角度的影像组形成互补，实现平面和高程精度的最优化，重叠度更大，重叠区域更多，空中三角测量时匹配的连接点更多，构成的三角网更稳固，成果的几何精度略高，两种方式均能满足1∶1 000比例尺矿山遥感监测精度要求(1∶1 000比例尺对山地地形的精度要求为平面中误差限差0.8 m，高程中误差限差0.7 m)。

2.2 表征质量

1) 细节纹理比较。垂直影像由于受到投影差的影响，地物被遮挡的地方几乎无法获取其他信息，以矿山采场为例，基于垂直影像生产的DOM只能获取采场顶面及少量的侧面纹理信息，而五镜头影像从多角度对同一地物进行摄影，五个镜头形成互补，生产的DOM成果能显示更多的细节信息，且纹理更细腻、更清晰，更能精细展示地物细部特征，如图4所示。在矿山地形陡峭之处，垂直影像因未捕捉到侧面细节纹理，生产的三维模型出现拉花现象，而五镜头影像生产的三维模型能真实展示矿山大高差地物侧面细部的实际开采现状，如图5所示。

图4 DOM细节对比Fig.4 Comparison of DOM detail

图5 三维模型细节对比Fig.5 Comparison of 3D model detail

2) 完整性比较。实验选定的矿山存在大高差地形，同一架次内，相比低矮处，原始影像在山顶的重叠度锐减，导致采用垂直影像生产的DOM存在航摄漏洞，见图6(a)，而采用五镜头影像重新生产后，能生产出较完整的DOM，见图6(b)。

图6 完整性对比Fig.6 Integrality comparison

原始影像重叠度和无人机相对航高(摄影中心相对实时拍摄区域高程基准面的垂直距离)的关系可根据航空摄影测量原理推导出，见式(5)。

(5)

式中：a为任意航高下的影像航向/旁向重叠度；L为无人机航向/旁向相邻两幅影像摄站曝光点距离；f为相机焦距；H为任意点的相对航高；m为沿航向/旁向像幅的有效像素数；u为相机单个成像单元的物理尺寸。以航向方向为例，当L为25 m，m为4 000个，u为3.92 μm，f为27 mm，H分别为200 m、100 m、50 m时，重叠度分别为78%、57%、14%，见表3。同一架次内，L不变，相机参数f、m、u不变。由此可见，随着地形高程增大，在山顶处相对航高减小，重叠度也会大幅减小，导致只采用垂直影像生产的成果可能出现航摄漏洞，而采用五镜头影像，从多视角拍摄山顶区域，增大了原始影像重叠度。可见，五镜头影像获取了更多的侧面纹理，将矿山开采现状细部特征展现得更加清晰，同时因影像重叠度的增加，在一定程度上可有效弥补同一架次内，因大高差地形导致的航摄漏洞。

表3 不同相对航高对重叠度的影响Table 3 Effect of different relative altitudeon images overlap

2.3 生产效率

数据生产过程中，采用同一软件完成相同的处理任务时，原始影像的幅面大小与数量直接影响数据处理的生产效率。实验采用的五镜头相机的垂直影像与倾斜影像幅面大小相同，像素数均为6 000×4 000，单个成像单元物理尺寸均为3.92 μm，而两种处理方式下影像数量不同，采用垂直影像进行内业生产三维模型、DOM、DSM所需时间为0.82 d，采用五镜头影像生产时间为4.2 d，生产效率比约为5∶1。五镜头影像的影像数量是垂直影像的5倍，导致处理效率大幅降低，这在一定程度上降低了发现矿山违法开采行为的时效性。

3 应用方案

矿山遥感监测主要任务在于为国家制定矿产资源规划，保持矿产资源的可持续开发利用，维护矿业秩序，治理矿产地质灾害及综合治理矿区环境等提供技术支撑及决策依据。监测需求不同，可优先选用不同视角的影像。

当用于实时监测矿产资源开发利用状况，及时发现违法开采线索，维护矿业开采秩序时，对无人机航飞摄影成果的时效性要求较高，应首选采用垂直影像生产模式，及时发现违法开采行为，保障国家矿产资源所有权益，防止超越批准矿区范围采矿等引发安全事故。当垂直影像生产模式出现航摄漏洞或拉花等现象影响研判时，可采用五镜头影像重新生产，较严重时考虑补飞或重测。

当用于监测矿山地质环境问题和矿产资源规划，获取客观基础数据，形成综合分析与评价报告时，可优先采用五镜头影像生产实景三维模型、DOM和DSM等丰富的测绘地理信息数据，为国家制定矿产资源规划，治理矿产地质灾害及综合治理矿区环境等提供技术支持及决策依据。

4 结 语

倾斜摄影测量系统可从多视角同时获取地面影像信息，面向不同的矿山遥感监测需求，从高效实用的角度，可优先采用不同视角影像进行生产，通过实验分析，本文总结出了不同应用方案，对后续无人机倾斜摄影数据处理及应用有良好的借鉴、指导价值。