矿山监测中无人机三维倾斜摄影技术应用研究

冯 文

（湖南省第二测绘院，湖南 长沙 410000）

最近几年，随着我国社会经济不断发展，矿山工程开采工作受到了越来越多的重视。矿山工程是我国经济发展的重要支撑，开采过程是否顺利直接影响整个矿山工程的经济效益。因此，在矿山开采中，需要注重环境监测工作，充分利用现代化科学技术，实现精准地质定位和高度信息采集。无人机三维倾斜摄影技术，属于当下较为先进的技术手段，在多个领域中得到广泛应用，该技术可以持续、不间断的监测地表，便于相关人员对矿山地质背景的了解与掌握，能够对地层岩性进行判断，对地层构造进行了解等等，便于相关人员对矿山地质情况进行科学化管理。因此，在实际工作中，相关人员可以结合实际情况，通过科学合理的手段，利用无人机三维倾斜摄影技术，不断提升矿山监测水平。

1 无人机三维倾斜摄影技术及其特点

在同一飞行平台中，对5台传感器进行搭载，且同时从一个垂直、四个倾斜角度，对影像进行采集。在对相片拍摄的同时，对航高、航速、航向、旁向重叠、坐标等参数进行记录，然后分析与整理倾斜影像[1]。在一个时段，无人机线路对几组影像重叠的照片进行拍摄，在3张照片中可以找到同一地物，便于相关人员分析结构，且可以挑选较为清晰的一张制作纹理，把直观、真实的实景信息提供给用户。影像数据不仅可以对地物情况进行真实反应，还可以利用先进的行为技术，对地理信息、影像信息进行嵌入，获得更高的用户体验，能够对遥感影像的应用范围进行拓展。

无人机三维倾斜摄影技术主要有以下几个特点：第一，能够对地物真实情况进行反映，能够对地物进行量测。无人机三维倾斜摄影测量，可以获取三维数据，对地物的外观、高度、位置等属性进行真实反映，提升三维数据的真实感，有效弥补以往人工模型仿真度低的问题[2]。第二，性价比较高。无人机三维倾斜摄影测量数据中带有空间位置信息，能够对DSM、DOM、DLG等数据成果进行同时输出，可以满足传统航空摄影测量需求的同时，获得更多的数据信息；并且利用该技术可以批量提取和贴纹理，能够降低三维建模的成本。第三，测量效率较高。无人机三维倾斜摄影测量技术，利用无人机飞行载体，可以对影像数据进行快速采集，实现全自动化三维建模。根据相关研究显示，人工建模需要1~2年完成的工作，利用该技术只需要3~5个月。

2 无人机三维倾斜摄影的关键技术

2.1 多视影像联合平差

在无人机三维倾斜摄影技术中，该项技术是非常重要的，其中包括诸多数据，如倾斜摄影数据、垂直摄影数据。在以往测量系统中，并没有对倾斜摄影数据进行有效处理，而通过该技术，可以全面考虑到影像之间的遮挡、几何变形等因素[3]。在实际工作中，利用该技术，在POS系统中，通过多视影像外方位元素，坚持从粗到精的匹配原则，利用自动配偶和自由网光束法平差的手段，在每级影像中获取匹配结果。与此同时，对连接点、连接线进行创建，利用GPU/IMU辅助数据，以及控制点坐标的多视影像自检校区域网平差的误差方程，经过联合结算，能够获得准确的平差结果。

2.2 多视影像密度匹配

在实际工作中，影像匹配属于基础工作，通过多视影像密度匹配，不仅可以覆盖较广的范围，且分辨率也相对较高。因此，怎样在匹配时对冗余信息进行全面考虑，快速精确的获得同名点坐标，进而明确地物三维信息，已经成为了多视影像匹配的关键内容。在以往工作中，工作人员仅仅通过一种匹配基元，或者是仅仅通过一种匹配策略，这样是很难对建模需要的同名点进行获取的，所以最近几年多基元、多视影像匹配成为了研究重点内容[4]。根据相关调查显示，目前该领域研究进展良好，例如可以实现自动识别与提取地物的侧面，通过对多视影像中的特点进行搜索，如纹理等，工作人员可以明确地物的二维矢量数据集，在影像中工作人员可以结合不同的视角二维特点，转变成为三维特点，工作人员在确定墙面时，可以设置相关因子，且进行权值设定，把墙面分为相应的类型，开展平面扫描工作且对地物各个面进行分隔，进而可以获取建筑物侧面结果，最后对侧面进行重构，获取地物的轮廓与高度。

2.3 数字表面模型生成与正射影像纠正

在影像密集匹配期间，相关人员要制作具备较高分辨率的数字化模型，全方位展现地物起伏具体特征，此种方式也发展为空间获取设备信息的主要内容。由于多个视角下进行倾斜影像分析要思考到尺度的差异，再者对应遮挡和阴影问题比较显著，如倾斜影像得到数字化模型过程比较繁琐，结合自动空三解研究多个影像的方位元素，给予合适的模块单元进行科学选择，进行特征配置和密集配置，同时纳入并行算法，促使计算成效可以提升[5]。另外得到高密度数字化模型之后，通过滤波对不同单元模块进行处理，保障数字化模型的设置具备统一性。需要注意的是，影像正射纠正要思考物方持续数字模型以及地物对象的离散分布情况，赋予影像纠正典型信息密集特点。

3 矿山监测中无人机三维倾斜摄影技术应用

3.1 数据获取和处理

首先，像片控制点布设和测量。在矿山监测中，利用无人机三维倾斜摄影技术进行数据获取与处理是非常重要的环节，其是后期计算矿山储量和监测开采范围的基础。在像片控制点布设中，利用区域网布点法，结合测区面积大小和地形地貌特点，在矿区布设相应数量的平高控制点，如图1。为了保证坐标基准一致，无人机航摄影片控制点测量时，可以利用全野外地形测量的形式，利用测绘基准服务平台转换测量成果，把像控点高程成果转变成为国家高程[6]。其次，原始航片采集、无人机低空航摄，利用电动固定翼无人机，相机搭载倾斜航空镜头组。由于部分矿山地形起伏较大，因此应适当提升航摄重叠度，以防发生航摄漏洞。与此同时，需要保证在完全包括矿区范围的基础上，对矿区周边区域实施航摄，在完成无人机航摄任务设置后，应开展飞前检查，保证飞机与气象条件都满足航摄要求，才可以准备起飞。最后，业内处理。因为无人机带的相机并不是专业量测的相机，存在较大的镜头畸变，因此在后期应通过畸变改正参数，利用计算机软件，修正航飞原始数据。

图1 无人机三维倾斜摄影图

3.2 开采范围监测

矿山监测，主要是为了对矿坑采矿区和是否超过矿区进行监测。在无人机三维倾斜摄影测量中，可以获得具有较高分辨率的真实投影图像数据、三维现实模型数据，如图2。在真实投影图像取得的成果中，可以利用开采矿边界线的开采，直接对项目区域、地形整个范围进行直接观看，还需要比较采矿权证书矿区的拐点坐标的附件叠加，对是否跨境开采进行确定。若越界，在软件中可以平面量测越界部分，对越出开采面积等数据进行量算，进而提供给矿山开采范围监测提供可靠的数据支撑。现阶段，无人机三维倾斜摄影测量技术测量平面精度可以达到厘米，能够可以有效提升矿区监测精准度。

3.3 动态储量监测

首先，在本文中，利用三维扫描软件测量软件中的垂直三维模型，且进行计算。在三维模型中实施倾斜测量，动态监测矿山开采过程，提供给露天矿管理及时、直观、准确、有效的数据支撑[7]。其次，可以结合两次无人机三维倾斜摄影测量获得的矿山DEM数据，如图3，利用GIS软件，通过网络区域统计工具，对不同参数进行计算，监测矿山动态储量。无人机三维倾斜摄影测量获得的DEM具有较高的精度，且点云密度相对较大，能够对矿山开采情况进行反映，具有较高计算精度，能够对矿山动态储量监测要求进行满足。

图2 矿坑采矿区监测范围图

图3 矿山动态储量监测图

4 结语

总而言之，在新时代背景下，在矿山监测中应用无人机三维倾斜摄影技术是非常重要的，不仅可以有效提升矿山监测质量和水平，还可以保证矿上监测精准度，减少劳动成本的投入。因此，在实际工作中，相关人员可以结合实际情况，灵活利用无人机三维倾斜摄影技术，不持续、不间断的监测地表，对矿山地质进行定位和采集信息，深入了解和掌握矿山地质背景，准确判断地层岩性和了解地层构造，进而为矿山开采工作提供可靠的数据支撑和技术支持，有效提升矿山监测质量和准确性，保证矿山工程可以顺利开采，促进我国社会经济不断发展。