基于倾斜摄影实景三维模型的矿山地形图测绘技术分析

贺新慧

（河北省地矿局第四地质大队，河北 承德 067000）

矿山开采的安全一直都是社会和相关领域研究人员重点关注的问题，因此我国各级相关的管理部门对于矿山的安全生产也高度重视。但是在目前的实际工作中，对于矿山地形图的测绘工作来说，对建立的模型进行数字化能够突破传统地形图绘制时需要实地调绘的限制，且不需要借助立体眼镜来观测模拟立体模型，打破了在绘制过程中的局限[1]。近年来倾斜摄影测量技术飞速发展，在矿山数字三维建模方面的应用更加广泛，目前对于矿山的视景三维模型进行矢量数字化具有重大的意义。传统测绘技术中，模型由于一些原因会产生一些误差，导致测绘精度较低，因此本文设计一种基于倾斜摄影实景三维模型的矿山地形图测绘技术。

1 基于倾斜摄影实景三维模型的矿山地形图测绘技术分析

1.1 倾斜摄影实景三维建模

与传统的摄影测量相比，倾斜摄影实景三维建模的生产成本更低，建模速度快，能够达到野外测量无法到达的区域。在倾斜摄影建模过程中，首先建立不同像片之间的连接关系，使用SIFT特征匹配算法，检测图像，生成SIFT特征描述符，完成SIF特征向量的匹配。在数据处理过程中，倾斜摄影测量得到的内业数据一般会采用光束法，在区域网之间使用不同观测手段得到的两种数据进行联合平差，通过前方交会和后方交会，通过控制点的坐标求解像片外方位元素和加密点地面坐标近似值，逐点建立误差方程的法方程，求解像片外方位元素，前方交会计算加密点坐标，完成空中三角测量[2]。通过多视影像密集匹配技术生成密集点云，并构建不规则三角网，将矿山的每个物体通过构建的三角网完成真个模型的构建。当矿山的地物比较复杂时，为了真实还原模型与地面之间的相似度，可以增加三角网的密集程度来达到反应真实地物结构的目的。在完成三维建模后，通过纹理映射进行表面的纹理赋予，就是将三维物体表面映射二维空间点对应的颜色，得到复合人眼视觉的真实色彩模型。

1.2 纠正畸变差

图1 倾斜摄影相机畸变模型

在三维建模的过程中，一些步骤中会出现误差，影像预处理能够控制图像噪声，减少误差的传播，也是倾斜摄影图像处理的重要步骤。畸变差主要分为系统性误差和随机性误差，系统性误差一般是由于光学畸变和相机内部的产生的机械误差，可以概括为径向畸变误差、切向畸变误差和机械畸变误差；随机性误差一般是由于相机内部的电荷藕原件和电信号不稳定引起的，可以概括为视频信号转化为数字影像时产生的错动误差、影像的奇数行和偶数行之间的错位误差和时钟频率不稳导致的采样间隔误差。相机镜头产生的误差一般都为非线性，畸变的发生模型如图所示。

上图中，虚线表示没有发生畸变的情况下的理论模型，实线为产生畸变后的实际模型。上图中的图（1）表示桶型畸变模型，表明除了主点没有变动，其余所有的点均向主点靠拢；图（2）表示枕型畸变模型，表明除了主点没有变动，其余所有的点均远离主点进行扩张。为了避免倾斜摄影相机镜头畸变产生误差，误差导致传播后期图像处理精度过低，需要通过相机校检获取相机的内方位元素、光学畸变参数和面阵变形参数，并通过修改参数值等方法完成镜头畸变差的纠正。

1.3 布设像控点

在矿山地形测绘的过程中，测区内的测量控制点会参与到后期的空中三角测量中。并利用控制点的坐标进行光束法区域网的平差计算。因此像控点的布设位置、布设数量以及平面位置的高程测量会直接影响空中的三角测量，间接影响测绘的精度。像控点的布设方案需要根据测试的实际情况来具体问题具体分析，遵守均匀布设控制点的原则，传统的测绘方法中，控制点在控制网中的密度越大，生成的测绘产品精度就越高。但是本文使用的是光束法区域网的平差，就大大减少了对像控点数量上的依赖。如果测区内的控制方案设置为3个角点时，区域网的平差精度能够达到一个较高的水平，进一步增加像控点的数量对于提高精度来说，效果并不明显。因此在确保精度较高的情况下，尽可能降低外业工作量，这样才能够提高无人机倾斜摄影测量的工作效率，并不会降低测绘精度。

因此能够对像控点布设原则和布设方案做出以下要求：①控制点的布设位置尽量考虑到覆盖每张像片；②在平高控制点布设过程中，需要将控制点的航向间隔设置为4条航飞基线以下；③在测区的平行相邻范围内，控制点基线跨度应小于或等于2条基线；控制点布设在合理的成图范围内，并且清晰可见，在像片刺点时清晰可见。在本文的测绘技术中，控制点测量使用的是RTK测量方法，并需要测量控制点坐标。在布设控制点的过程中，需要均匀布设在村庄的平坦道路上，覆盖整个测区。像片刺点主要是指人工准确的输入野外测量控制点坐标，并与相应的像片地物完全对应，这些控制点坐标需要参与后续空中三角测量，能够有效避免刺点粗差，提高测绘的准确度。至此完成基于倾斜摄影实景三维模型的矿山地形图测绘技术的研究。

2 实验

2.1 实验测区概况

为了验证本文设计的基于倾斜摄影实景三维模型的矿山地形图测绘技术的有效性，需要行进对比实验。本文实验测区选择了某丘陵地貌的矿区，测区的总体地势为南高北低，属于中温带半干旱型气候，测区内无严重遮挡。在像控点的布设方案中，相控点的大地坐标如下表所示：

表1 测区相控点大地坐标

本文选取的倾斜摄影无人机为多旋翼无人机，飞行高度为80m，地面分辨率为0.0219，航摄比例尺为1:1000，像元大小为13.2mm＊8.8mm。在上述的实验条件下，对本文设计的测绘技术和传统的测绘技术进行精度对比，对检查点的残差进行统计分析。

2.2 实验结果对比与分析

在上述的实验条件下，得到本文测绘技术和传统测绘技术的检查点残差，如下表所示：

表2 测区检查点精度对比分析

根据上表的数据经过计算，能够得到本文测绘技术检查点的平面中误差为0.03m，高程中误差为0.12m，传统测绘方法中检查点的平面中误差为0.11m，高程中误差为0.13m.由此可以看出，本文设计的测绘方法具有更高的精度。

3 结束语

科技的高速发展推动了矿山企业的重大改革，但是由于矿山地形图测绘技术体系的不完整，导致矿山地形图在测绘的过程中出现一定的精度误差。针对这种情况，本文设计了一种基于倾斜摄影实景三维模型的矿山地形图测绘技术，对建模和测绘过程中容易出现误差的环节进行了修正，通过实验结果表明，设计的测绘技术具有更高的精度。