无人机倾斜摄影测量在矿山测绘中的应用研究

2022-11-22谭卫平

中国金属通报 2022年10期

谭卫平

矿山测绘对后续工作部署有重要指导作用，而传统测绘手段大多需要开展大量的外业调绘，不仅效率低下，而且精度不高。基于无人机飞行平台的倾斜摄影测量技术为解决这一问题提供了有效举措，而为了使这项技术的应用发挥出应有作用效果，还有必要结合项目实际情况，对技术应用进行分析探究。

1 项目概况

某矿山测区为典型的丘陵地形，其外业航空摄影采用四旋翼无人机进行，无人机上搭载微单相机，和垂直方向保持45°的夹角，在南北与东西方向分别飞行一次，以此得到地物侧面纹理。在此基础上实施垂直摄影，以得到地物顶部纹理。航线的设计航高为120m，旁向重叠度75%，航向重叠度80%，共21 条航线。此外，为了给数据处理提供辅助，按照区域网布点设置13 个像控点与检查点。

2 无人机系统

无人机是航测遥感重要飞行平台，在选择具体类型时，要注意下列几方面要点：

（1）明确无人机性能指标，设备要有良好安全性与可靠性。

（2）确定任务载荷能力，无人机应满足任务执行提出的搭载要求及安装需要。

（3）要有较高的控制精度，包括飞行航迹精度与航高控制精度等，都必须与相关规范提出的要求完全相符。

（4）对环境还要有良好的适应性，无人机性能应能良好适应测区气候条件及地理环境，以免由于环境因素的影响导致测量精度下降或根本无法开展飞行测量。

（5）其它包含续航、速度、有效控制距离及操控便捷性等在内的技术指标。

目前常用的无人机类型主要包括以下几种：

（1）旋翼无人机，其主要优势包括：操作比较简单，起飞与降落都相对便利，有很高的安全性；可实现低空飞行与空中悬停，可获取分辨率很高的影像。缺点包括：多采用电动发动机，续航较短，且速度不快，有效飞行与控制距离将因此受到很大限制，不得不频繁起飞与降落和更换场地，影响实际作业效率；飞行时容易受到气流因素的影响，对飞行姿态的控制有很大难度。

（2）固定翼无人机，其主要优势包括：搭载汽油发动机，可大幅延长续航，并提高飞行速度，从而提高航摄效率；飞行控制有很高的精度，能良好保证影像分辨率。缺点包括：需要有空旷且平整的起飞与降落场地，在部分人口分布较为密集的测区中使用会受到很大限制；实际飞行高度要达到一定水平，且速度很快，可能降低清晰度与分辨率。

（3）垂直起降固定翼无人机，它将以上两种无人机各自优势充分结合到一起，如起飞与降落均采用旋翼无人机的方式，则巡航飞行则采用固定翼无人机的方式，这样能同时保证操作便利性及飞行速度，这是现阶段研发及应用主要机型之一，然而，在续航方面还需要进一步的升级改进。

伴随无人机技术不断发展，必然会有更多新型无人机出现，为用户提供更多选择，比如DW-150W 型无人机与DM-X402H 型无人机，其主要技术参数为：DM-150W 型：翼展为3.29m，最大起飞质量为38kg，实用升限为6000m，续航时间为5h，机长2.2m，最大载荷10kg，巡航速度为100km/h，抗风能力为6 级；DMX402H 型：轴距为1200mm，最大起飞质量为18kg，实用升限为4500m，续航时间为40min，机高500mm，最大载荷6kg，巡航速度在1km/h ～36km/h 范围内，抗风能力为5 级。

在实际应用过程中，要充分考虑测区所在范围及环境确定适宜的无人机类型及型号，比如当测区范围相对较大，人口不密集时，建议选择固定翼无人机；而当测区范围不大，且人口相对密集时，建议选择旋翼无人机，以保证地物影像的清晰度和分辨率。

3 无人机倾斜摄影测量技术在矿山测绘中的应用优势特点

3.1 具有非常高的灵活性

无人机倾斜摄影测量技术与航拍飞机对比分析后，无人机的体型相对比较轻巧，投入正式运行后的速度也比较快。运行过程中不需要安排驾驶员，可以适当减轻机体的重量，促使无人机运行状态以及操作过程更加灵活。对无人机倾斜摄影技术的应用，可以对矿山不同区域内的环境信息等进行监测和分析，促使其可以维持在相对良好的监测状态，保证矿山测绘精准度得到提升。

3.2 数据分辨率高

无人机倾斜摄影测量技术在应用时，主要以数码传感器、飞行器等组合而成，各种不同类型设备系统可以实现优化组合，促使无人机倾斜摄影技术的分辨率有所提升。与卫星影像分辨率对比分析后，无人机倾斜摄影技术在应用时可以超出目前的3倍，可以实现0.3m 的精准度。由此可以看出，无人机倾斜摄影测量技术在矿山测绘中的应用，具有非常高的数据分辨率。

3.3 具有非常高的监测效率

无人机倾斜摄影测量技术在应用时具有非常高的监测效率，所以目前在矿山测绘中的应用范围比较广，监测数据量比较大，如果监测效率过低，势必会导致矿山测绘水平受到不良影响。所以无人机倾斜摄影技术与数码传感器、GPRS 技术等结合后，有利于提高矿山测绘效率，满足矿山测绘在监测效率等各方面提出的高要求。

4 三维建模与地形图测绘

该测区通过在无人机上搭载倾斜相机实现倾斜摄影，以此获得测区范围内影像数据，并借助自动建模方法建立模型；以建成的模型为基础，采用三维立体量测方法，对测区地物地貌进行数据采集，再通过内业编辑形成地形图，以此彻底省略外业调绘，实现快速测绘。

4.1 三维建模

倾斜摄影技术是国际测绘领域近年来发展起来的一项高新技术，颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从1 个垂直、4 个倾斜共5 个不同的角度采集影像，将用户引入了符合人眼视觉的真实直观世界。倾斜影像技术的引进和应用，使目前高昂的三维建模成本大大降低。该技术的推广应用依赖软件的强大处理能力和硬件的支持。目前世界上支持多视角影像三维实景建模的软件有许多，诸如Context Capture、Pixel Factory、Pix4D、VirtuosoGrid、VirtuoZo、DP-Smart、PhotoScan 等软件，其高度自动化和智能化给建模带来极高的效率。在硬件方面也得到了国内外许多倾斜无人机的支撑，比如Harwar、MicroDrones、JOUAV、Dragon50等。软件和硬件的支持给三维实景建模带来改革性的变化，推动着三维实景建模飞速发展。

该项目测绘精度检查依靠8 个像控点实施，建模工具为Smart 3D 软件，具体步骤为：

（1）对影像数据进行加载，并设定各项相机参数，对pos 数据进行编辑，将检查点和控制点的数据引入，完成工程构建。该项目测量所用无人机搭载2 个相机，为此需设置双份文件，其影像数量分别为364 张与266 张。pos 数据采用WGS1984，并将其转换至标准高程系统。按照局域网布点，检查控制点与解算控制点分别为8 个、5 个。

（2）倾斜摄影空三测量。该项目按照区域网布点，在四周分别布置4 个控制点，然后在中心布置1 个控制点，以此为倾斜摄影空三测量创造良好条件；与此同时，通过设置检查点对空三测量成果精度进行检验。经空三加密处理后，自由网精度可达1.82pix，像控点精度为：平面、高程中误差分别为0.033m 和0.063m。

（3）模型生成。以空三测量成果为基础实施模型分块，然后基于分块结果，从测区范围内提取所有密集点云，以此建立三角网和三维模型；与此同时，根据多角度纹理通过自动拼贴获取最终的三维模型。

建成的三维模型主要具有以下特点：①模型能对地物和地形进行一体化表示；②模型有良好的完整性，且位置准确度高，还有一定现势性，和航空影像表现基本相同；③模型能准确反映出地物基本特征，当视点高度为200m 时，对模型进行浏览不会看到明显的漏洞，且画面清晰，无拉伸变形现象。

4.2 地形图测绘

地形图测绘需将EPS 作为基础，充分利用模型具有的量测功能开展地形地物信息采集，其具体步骤为：

（1）采用EPS 对三维模型进行加载。在ESP 系统中通过模型转换使模型格式从OSGB 变为DSM，之后通过对转换完成后模型的加载，完成对目标模型的全面加载。

（2）然后模型加载后即可开始地形图绘制，以三维模型为基础进行，充分利用模型可提供的各项空间信息，完成空间量算与采集，并通过模型旋转与多角度观察进行自动房檐改正，以此省去外业工作，提高测绘。

5 现存问题与解决方法

在实践应用过程中可以发现很多亟待研究解决的各方面技术问题，有些问题属于基于无人机的倾斜摄影的普遍问题，当然也存在基于无人机的倾斜摄影的特有问题，这些问题主要包含以下两个方面：

（1）在数据采集方面，主要存在以下问题：①当测区范围内的地物分布较为密集时，会由于地物之间相互遮挡使影像多度重叠无法达到均匀，地物顶、底部在分辨率存在明显差异，导致实际的模型建立效果较差，给最终的三模建模效果造成很大影响。针对这一问题，需在深入研究的基础上进行数据采集与处理从根本上解决上述实际问题；②当前的倾斜摄影设备通常不超过5 个镜头，在这种情况下仅可以从5 个方向实施影像采集，无法全方位覆盖整个地物，对模型建立效果造成影响。对此，亟需在无人机相机配置与飞行方式设计上进行必要的创新；③当前使用的无人机大多为小型无人机，其载荷能力相对较低，一般无法搭载重量较大的相机，这在部分对分辨率和精度有很高要求的项目中无法满足要求。针对这一问题，需通过不断研发性能更高的无人机来解决。

（2）在数据处理方面，要注重以下各项实际问题的分析和解决：①对原始影像中存在的颜色相对较暗的数据实施后期调色；②利用人工删除或修改漂浮物之后，修改相应的三维模型，确保模型上不再存在任何漂浮物；③利用人工修改所有漏洞区域，确保建成的模型不存在任何漏洞；④利用人工修正所有结构扭曲；⑤为纹理拉花重新实施贴图。

6 无人机倾斜摄影测量技术在矿山中的具体应用

无人机倾斜摄影测量技术的应用，为保证该技术的应用作用充分发挥出来，必须要对矿山周边区域进行仔细感测，将监测到的诸多数据进行预处理和整合分析，尽可能避免出现冗余错误等情况。将经过预处理的数据信息全部都输入到对应的计算机系统中，以此来保证测绘信息的准确性、可靠性。由此可以看出，这种具有高度自动化特征的测绘流程，有利于避免人为因素带来干扰影响，同时还可以压缩人力资源的过度投入，以此来保证测绘工作水平的提升。

6.1 无人机倾斜摄影测量技术在开采规划中的应用

针对矿山进行开采之前，工作人员需要提前进入到现场内部，对矿山中涉及到的诸多数据信息进行全方位有效的采集以及勘察，这样能够对开采方案进行科学合理的编制和落实。工程项目在规划和建设时，可以直接将无人机倾斜射摄影测量技术合理应用其中，在现阶段的设计中，以无人机为基础，可以对矿山区域范围内的海拔高度以及地形地貌的相关数据进行全方位采集，保证现有诸多数据信息能够及时传输到对应的计算机系统当中。通过对计算机系统的合理利用，可以对矿山地形图进行科学合理的绘制和利用，以此来保证矿山测绘工作的高精度实施。在具体操作过程中要对CAD 软件进行合理利用，将测量之后涉及到的诸多数据信息全部采集到对应系统中，包括矿山周边环境以及方案数据等。同时要以现有诸多数据信息为基础，对三维图景进行科学合理的构建和利用，以更加直观方式针对矿山以及周边环境展开客观合理分析。后续相关人员可以针对施工方案进行不断完善和优化，对施工过程中面临的诸多问题进行适当调整。在整个设计环节，结合倾斜摄影形成的数据库，对矿山目前的设计结构特点等进行深入了解，这样做的目的是为了保证工程建设与城市建设之间具有非常高的匹配性，保证整个矿山测绘工作在实施过程中具有一定科学性和合理性。在整个过程中要以倾斜摄影为基础，从中获取到矿区地表的具体影像，后续展开空中三角测量，在得到对应结果之后，可以针对有效数据进行客观合理的检索和分析。基于此，对矿区范围内的三维模型进行合理构建，对矿山结构进行确定，同时对现有诸多数据进行客观分析，对现有诸多因素条件进行掌握和了解之后，可以对其进行研发和设计，保证设计的针对性和有效性。以此为基础，可以保证矿山测绘结果准确性得到提升，同时能够保证测绘工作的实施效率以及质量得到提升。

6.2 无人机倾斜摄影测量技术在矿山施工中的应用

无人机倾斜摄影技术在矿山施工中的应用，能够从多个角度着手，保证数据信息的全面有效采集，促使矿山能够满足人们日常质量检测中提出的个性化需求，为检测结果的准确性和可靠性提供保证。无人机倾斜摄影技术在应用时，能够针对矿山周边环境进行准确有效检测，同时可以保证高效率实施，为矿山施工效果提供保证。同时避免受到外界的因素带来的干扰影响，为安全排查工作的实施效果提供保证。无人机在整个飞行中可以实现低空拍摄的根本目的，以更加直观方式为工作人员提供可靠数据信息作为支持，帮助工作人员能够以更加合理的方式对现场进行及时有效的进入，将部分矿石直接安排在合理位置上，尽可能避免出现局部超载等问题，避免对地层造成严重危害影响。由此可以看出，无人机技术的合理利用，能够满足目前新时期背景下对矿山测绘提出的个性化要求，为测绘结果的准确性和可靠性提供保证。

6.3 无人机倾斜摄影测量技术在矿山验收中的应用

通常在施工作业完成后，工程项目势必会直接进入到最终的验收环节。在该阶段，必须要结合实际要求，将无人机倾斜摄影技术在其中的应用价值、作用最大化发挥出来。在实践中的应用，主要是以无人机的测绘为基础，结合矿山实际情况，对各种不同类型的数据信息进行大范围的采集和利用，同时要将不同信息按照不同类别进行仔细录入，以此来将矿山的现状呈现出来。在现有软件的合理应用基础上，工作人员还可以结合矿山实际情况进行客观分析，逐渐形成符合要求的三维模型，以更加直观的方式对矿山现状进行了解，为工作人员对模型更加详细的分析提供参考。比如，通过数字摄影测量系统的合理利用，可以对矿山的整个比例进行科学合理的构建和利用，以相对比较丰富、直观的方式，逐渐形成具体的模型。这种形势下工作人员可以在现有数据模型的基础上，对符合要求的工程建设方案进行设计和利用。除此之外，还可以对周边的矿山进行仔细检查，通过对无人机的合理利用，可以体现出其自身的飞行优势特点，针对人工无法进行仔细勘察的区域可以展开有针对性的测绘，为矿山测绘工作的全方位有效推进打下良好基础。