基于无人机倾斜摄影的大比例尺矿山地形测量研究

罗坤

摘  要：具有高精度地理坐标的实景三维模型为大比例尺地形图制作奠定了基础。该文通过小型无人机搭载5镜头相机的倾斜摄影测量系统，对某矿区（约1.7 km2）进行倾斜摄影测量，获取高精度的三维实景模型，并在三维实景模型上进行地形地貌采集，快速制作了大比例尺地形图，获得了满足1∶1000精度要求的矿山地形测绘成果。基于实景三维模型的大比例尺地形图的生产，较之传统外业实测地形图，将减少外业成本;而较之常规摄影测量立体测图，人工干预较少，提高了作业效率。

关键词：无人机  倾斜摄影测量  三维  矿山  地形测量

中图分类号：P231          文献标识码：A            文章编号：1672-3791（2021）02（a）-0074-03

Large Scale Mine Topographic Survey Based on UAV Tilt Photography

LUO Kun

（Geological Survey Brigade of Guizhou Coalfield Geology Bureau， Guiyang， Guizhou Province， 520100 China）

Abstract： The real 3D model with high-precision geographic coordinates lays a foundation for large-scale topographic map making. In this paper， a small UAV equipped with 5 lens camera tilt photogrammetry system is used to measure the tilt of a mining area （about 1.7 km2）， to obtain a high-precision three-dimensional real model， and collect the terrain and landform on the three-dimensional real model. A large-scale topographic map is quickly produced， and the mine topographic mapping results meeting the accuracy requirements of 1∶1000 are obtained. The production of large-scale topographic map based on real scene 3D model will reduce the field cost compared with the traditional field measured topographic map， while compared with the conventional photogrammetric stereo mapping， the manual intervention is less and the operation efficiency is improved.

Key Words： UAV; Tilt photogrammetry; 3D; Mine; Topographic survey

隨着矿山开采对环境的破坏，为对矿山环境进行及时修复，对大比例尺地形图的快速获取和更新有着迫切的需求[1]。

但传统的大比例尺地形图生产，都需要外业工作人员到实地测量或者调绘，存在作业效率低、出图时间长、成本高、安全保障差等缺点[2]。随着无人机倾斜摄影及实景三维建模软件的发展，三维模型的获取更快速、更便捷。

具有高精度地理坐标的实景三维模型为大比例尺地形图制作奠定了基础。该文通过小型无人机搭载5镜头相机的倾斜摄影测量系统，对某矿区（约1.7 km2）进行倾斜摄影测量，获取高精度的三维实景模型，并在三维实景模型上进行地形地貌采集，快速制作了大比例尺地形图，获得了满足1∶1 000精度要求的矿山地形测绘成果。

1  无人机倾斜摄影系统

倾斜摄影测量技术通过集成飞行平台、导航系统和倾斜摄影测量系统，从而获取地表物体多视角影像，为三维建模提供丰富纹理信息[3]。同时，通过先进的定位技术赋予影像精确的地理位置信息，在倾斜影像上真正实现“非现场”的量测与分析。其中，飞行平台为无人机，GNSS导航和惯性导航系统用于获取位置和姿态信息，倾斜摄影系统则获取地表物体多角度的影像信息[4]。

此次采用青蜓5S多旋翼无人机，45min飞行时长（含最大任务载荷）。搭载青蜓航空摄影仪，航摄仪具体参数见表1。

2  工作流程

基于无人机倾斜摄影实景三维模型的矿山地形图测绘作业流程如下[5]。

（1）技术方案设计（包括航摄设计）;（2）在测区选择特征点进行像片控制测量，无特征点区域先布设地面标识;（3）无人机航空倾斜摄影;（4）多视影像联合平差及密集匹配;（5）三维TIN及白模建立;（6）纹理映射实景三维模型生成;（7）基于实景三维模型进行矿山大比例尺地形图要素采集生产;（8）矿区大比例尺地形图成果。

具体作业流程见图1。

3  应用实例分析

3.1 测区概况及成图要求

测区为某矿区废弃矿山，为进行废弃矿山地质环境治理，制作该矿山实景三维模型及地形图。测区为不规则多边形，测区面积约1.7km2。测区海拔约30～110m，高差约80m，地形为丘陵，无高山，无高大建筑物，飞行空域良好。

测图比例尺为1∶1000，地形为丘陵，精度要求平面位置中誤差为±0.6m，等高距为1m，等高线插求点中误差为±0.5m。

3.2 像片控制测量

此次像控点采用区域网布点方式，像控点基本按照400～500m间距布设1个像控点，共布置14个像控点，其中10个控制点参与平差计算，4个控制点用做空三检查点。

像控点施测采用基于网络CORS站的网络RTK测量方法，每个控制点独立观测2次，平面坐标系统采用“2000国家大地坐标系”，高程基准为“1985国家高程基准”。

通过检查及计算，像控点平面中误差0.023m，高程中误差0.034m，满足像片控制点相对于最近基础控制点的平面位置中误差，平地、丘陵地不超过0.12m，高程中误差，平地、丘陵不超过0.1m的要求。

3.3 倾斜摄影航飞

航摄设计以青蜓无人机配套的地面监控软件青蜓1系列航空摄影系统，以谷歌影像数据为基础背景图，确定任务区域范围，依据设计的地面分辨率、相对航高、基线、航线间隔等信息，完成航线设计（见图2）。

此次设计相对航高368m，航向重叠度80%，旁向重叠度60%，航线间间距198m，航向拍照间距74m，像片地面分辨率8cm，该测区共飞行4架次，获取0.08 m分辨率的倾斜摄影影像1015张。

3.4 实景三维模型制作

此次应用实验采用ContextCapture软件，该软件是基于图形运算单元GPU的快速三维场景运算软件，无需人工干预从简单连续影像中生成最逼真的实景真三维场景模型[6]。实景三维模型包括以下过程，首先为多视影像联合平差，此次10个像控点参与平差计算，4个像控点进行空三检查，检查结果为检查点平面误差4.1cm，高程误差22.5cm，参照《数字摄影测量空中三角测量》规范，满足1∶1000空三规范要求;其次多视影像联合平差及密集匹配后，生成三维TIN及白模，最后通过纹理映射后生成实景三维模型。

3.5 矿山地形要素采集

此次基于实景三维模型的矿山地形要素采集，使用清华山维EPS三维测图软件模块。基于实景三维模型的EPS的DLG测绘数据采集，采用二三维一体化，实现测量外业工作的内业化，二三维符号一致、二三维编辑联动，快速简易的采集方法。

该测区矿山地物主要为地形地貌，另外包含道路、水系、少许简单房屋建筑物等，所以侧重于地形要素的采集。通过EPS软件加载实景三维模型osgb格式数据，无须佩戴立体眼镜，直接在带有真实地理坐标信息的实景三维模型上进行地形要素采集。此次参照《工程测量规范》中，1∶1000地形点采集间隔，此次在实景三维模型上共采集地形点14210个，通过地形点生成等高线（等高距1m），图2为该次在实景三维模型上采集地理要素形成的矿区地形图。

3.6 精度分析

此次矿区主要侧重于地形要素的采集，通过在实景三维模型上直接采集高程点，然后通过采集的高程点生产等高线。

通过实地采集地形高程点，与生成的等高线高程进行对比，进行等高线精度统计。通过实地采集20个特征点包括房屋角点、道路交叉点等，计算出平面精度29.2cm（见表2），通过实地采集40个高程点，计算得出等高线插求点的高程精度为42.8cm，满足1∶1000丘陵地区地物点平面位置点位中误差60cm及等高线插求点高程中误差50cm的精度要求（注：1∶1000丘陵等高距1m，等高线插求点中误差为1/2等高距）。

4  结语

此次应用实验采用小型无人机搭载5镜头倾斜相机，获取矿区8cm高分辨率原始影像，快速建立实景三维模型，基于实景三维模型，对矿区进行了地理要素采集。

其中在地形地貌要素采集中，通过在实景模型上直接采集地面点的高程数据，生产矿区等高线，通过精度验证，能够满足1∶1000比例尺成图精度要求。

基于实景三维模型的大比例尺地形图的生产，较之传统外业实测地形图，将减少外业成本;而较之常规摄影测量立体测图，人工干预较少，另外可减少了外业调绘工作量及内业成图编辑工作量，大大降低了生产成本，提高了作业效率。

参考文献

[1] 王凤艳，赵明宇，王明常，等.无人机摄影测量在矿山地质环境调查中的应用[J].吉林大学学报：地球科学版，2020，50（3）：866-874.

[2] 王文晖.旋翼无人机航测在矿山测量中的应用[J].测绘技术装备，2017，19（4）：93-94.

[3] 杨青山，范彬彬，魏显龙，等.无人机摄影测量技术在新疆矿山储量动态监测中的应用[J].测绘通报， 2015（5）：91-94.

[4] 曹宁.无人机倾斜摄影测量技术在大比例尺测图中的应用及精度评价[J].测绘与空间地理信息， 2020，43（8）：174-176.

[5] 陈明杰.无人机倾斜摄影测量三维建模及模型可视化研究[D].西安科技大学，2019.

[6] 赵元务.无人机倾斜摄影测量在农村房地一体测量中的应用研究[D].西安科技大学，2018.