多旋翼无人机倾斜摄影技术在露天矿山实地核实中的应用

谭煜 徐亚强 杜文鑫 任春雷

四川省化工地质勘查院，四川 彭州 611930

无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)是利用自备的程序和无线电遥控设备控制装置操纵的不载人飞机，由无人机机体、发射回收系统、机载信息传输系统、飞行平台系统、地面信息传输系统、任务载荷系统组成[1]。多旋翼无人机具有机动灵活、高效快速、精细准确、作业成本低、适用范围广、生产周期短等优点，在露天矿山等面积较小、高差大区域具有明显优势。倾斜摄影测量技术是国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、倾斜等不同的角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息[2-3]。倾斜摄影较传统普通下视摄影更适于获取矿山开采立面的信息，弥补了卫星遥感影像只反映平面信息的不足，能更生动直观的展示矿山开发利用现状[4]。露天矿山实地核实工作是避免矿山越界开采造成国家矿产资源损失，消除安全隐患的重要手段，及时客观地掌握矿山开发利用现状，提升采矿权科学管理水平是矿政管理部门最主要任务之一[5]。随着信息化、数字化技术的不断发展，露天矿山管理迫切需要精准、真实的三维地理信息。倾斜摄影三维精细化建模技术可以有效快速获取露天矿山高分辨率实景三维模型，全面了解矿山开发利用现状，实现矿区全方位动态监测，可以有效预防各种矿山事故的发生，及时发现越界开采等违法行为，确保矿山管理工作的顺利开展[6]。

四川省绵竹市多数露天矿山所处地区高差大，多云雾、多雨水，地质灾害频发。传统的露天矿山实地核实工作以RTK测量为主，效率低下、精度低、周期长、安全性差，借助于先进的无人机测绘技术才能保障核实工作的时效性与安全性。本文应用多旋翼无人机倾斜摄影技术对绵竹市露天矿山进行了航空摄影测量，生产出实景三维模型、DOM 以及地形地质图等成果，分析其在矿山实地核实中的应用效果。

1 项目概况

2020年，绵竹市自然资源和规划局在矿山调研时发现，多数矿山企业提供的地质地形图件与矿山开发利用现状不符，所使用的地质地形图比例尺过小，或大比例尺地形图揭示的地形地貌与矿山实际位置标志物不一致，其储量计算成果明显存在不吻合。为进一步核实矿业权开采范围的客观地质地形现状，核准采矿权人实际开采位置，为储量动态监测与露天矿山综合整治工作打下坚实基础，不断提升采矿权科学管理水平，该市自然资源和规划局启动辖区内露天矿山实地核实工作。

该工作要求对辖区内所有露天开采矿山全面开展实地测量工作，提交矿区范围地形图、正射影像图、实景三维模型等数据成果。完善露天开采矿山范围界桩，每一个拐点都应埋桩，视线被遮挡的地方，可以增设界桩，保障相邻界桩的可辨别性。界桩一旦埋设后不得随意移动。利用成果数据与采矿许可证上的开采范围进行对比，核实矿业权人实际开采范围，对核查中发现的采矿权交叉、重叠、漂移等问题及时处理或形成处理建议。属矿业权人越界采矿的，必须依法处理并及时纠正；属采矿许可证登记有误的，应按照相关文件要求据实纠正；对坐标系转换造成的误差，据实修正；对实际位置与采矿许可证标定位置变动较大的，要分析原因，提出解决问题的建议意见，属市级发证的，经由各县（市、区）自然资源管理部门、各分局会议审定后报市局审定、据实纠正。经审查认可的成果作为今后企业办理各项业务的依据。

2 倾斜摄影技术流程

2.1 设备

本次工作使用的无人机型号为深圳飞马机器人科技有限公司生产的D200S多旋翼无人机，5镜头，4个倾斜相机，1个正射相机，1.2亿有效像素。无人机负载续航时间约为 48min，带有低电量报警、失联自动返航和精准变高飞行功能，抗风性能高达5级，测控半径5km，支持RTK、PPK及其融合作业模式，提供厘米级定位精度。

2.2 技术路线

收集测区资料，采用飞马无人机管家软件“智航线”模块进行航线设计，利用飞马D200S多旋翼无人机挂载OP310五镜头获取影像及POS数据，采用ContextCapture Center Master软件输出OSGB格式实景三维模型及DOM，在此基础上利用EPS三维测图软件输出DLG并辅助完成矿区埋桩定界工作。具体技术路线流程见图1。

图1 技术路线流程图Fig.1 Technical route flow chart

2.3 方案实施

2.3.1 布设像控点

像控点布设方案可以采取两种像控点布设方式：一种是航飞前先到实地布设像控标志同时采集部分特征点，待航飞之后再根据影像中的特征点到实地采集其它像控点。该方法对于无明显特征地物、人类活动较少以及森林比较茂密的测区有不错的效果，在实际的生产过程中应用较为广泛。另一种是航飞之后先根据影像确定特征点，再到实地进行像控点的采集。该方法对于特征明显的地物，高差较平坦的区域比较有效，且在一定程度上可以节省时间成本和生产成本。研究区属无人类活动山区，植被茂密，无明显地物，因此采用事前布点方式,所有点均为平高控制点[7]。

2.3.2 图根控制测量

研究区内有“四川省卫星定位连续运行基准服务平台（SCGNSS）”，采用网络RTK技术做RTK图根平面控制测量，在稳定的岩石上埋设十字钉，十字钉上印“四川省化工地质勘查院、测量标志、法律保护”等字样[8]。图根点高程利用网络RTK技术测得，所测高程经四川省第一测绘工程院转换得到1985国家高程。每次高程测量测回数为2，各测回测量高程限差满足要求，取中数作为最后高程成果。图根控制点按矿山简称进行编号。

2.3.3 像片控制测量

为满足精度需求，需要布设像控点，同时布设部分检查点检查成果精度，像控点一般布设在旁向大于100m且航向基线不少于1条的区域[9]。由于测绘区域的地形地貌变化相对较大且植被茂盛，故本次采用的像控点密度为5点/km2，尽可能避开植被发育的区域。由于像控点应用于后期数据校正处理，其测量精度应该尽可能高，一般需要多次平滑测量取均值，使测量精度优于2cm。

使用RTK连接四川省网CORS，并采用平滑采点功能测量像控点点位坐标值，为保证精度控制在2cm以内，每组像控点采集3个测回，每个测回采集10个点，最后计算平均值。每组像控点进行拍照记录，要求照片能够反映像控点的地形特征，并做好像控点整理工作。

将露天矿山采矿权证范围线 KML文件导入飞马无人机管家“智航线”模块，根据矿区的地形起伏和精度要求，结合矿区踏勘的情况及技术参数，适当扩大航飞范围，生成最佳航线，地形起伏较大的区域，则应根据地形变高飞行，保证矿区内地物的分辨率满足要求，以此来保证实景三维模型和正射影像图的效果及精度。航线设计如图2。

图2 航线设计图Fig.2 Air route design map

2.3.4 外业航拍

外业航拍进行时，为保障航拍的全覆盖性，此次飞行平台搭载五镜头倾斜摄影模块，从不同角度来进行影像采集与获取。在相片拍摄的同时，专业人员需要记录详细的参数，比如要包含航高、航速、航向、旁向重叠等多种信息，随后在航测和记录的基础上进行全部倾斜影像的处理[10]。

严格按规范规定的太阳高度角要求选择航飞时间，尽量选在光线充足的时间飞行。现场航飞作业时，飞机组装完成后，要多人次进行一系列严格的检查，在确保安全的情况下才能升空作业。飞机升空作业后，飞手在地面站对飞机工作状态进行实时监控，时刻关注电池电量、飞机的飞行姿态、航高、电台信号及航速等指标。

2.3.5 飞行质量控制

外业航拍完成后在现场下载 POS数据并对航摄影像进行初步整理与检查，检查影像的重叠度、倾角、旋角和弯曲度，检查POS数据与像片数是否对应，航拍区域是否有漏洞，影像是否清晰，当获取数据不满足要求时，安排补飞工作。

2.3.6 差分解算及空三加密

内业数据处理时，空三角加密是最为关键的处理环节，当获得了相应的测量数据以后，专业人员可以采用光束法区域网联合平差的方式，来获得最终的结果[11]。本次工作采用的主要软件ContextCapture Center Master是基于图形运算单元的快速三维场景运算软件，仅需少量人工干预，依靠连续的二维影像就能还原出达到原始影像像素分辨率的实景三维模型。利用该软件生产三维模型具有工作量小、效率高、成果效果好等优点[12]。

采用飞马无人机管家“智理图”模块，对获取的差分POS观测数据进行融合差分GPS解算，得到五组相机的高精度 POS数据。利用ContextCapture Center Master软件，设置好影像与POS数据的对应关系后，对每张影像进行特征点检测和匹配，对解算后的高精度POS进行空三加密。加入控制点，手动调整控制点位置，将控制点与空三网联合平差，优化至合格数值。空三完成后，ContextCapture Center Master软件进行自动化建模作业。

3 倾斜摄影技术应用

3.1 实景三维模型生产

ContextCapture Center Master软件经过格网切块、构建 TIN网白模、自动纹理映射等流程，生产出矿区高精度实景三维模型成果。常规的三维测图方式是基于实景三维模型进行的地物采集，若几何精度有问题则后续测图成果很难满足精度要求，因此三维成果的效果及精度检查至关重要。三维模型成果生成后，要求纹理清晰才能保证后期进入测图软件采集的点位准确。然后采用布设的检查点进行三维模型精度检查，精度满足规范要求则进行下一步作业（图3）。

图3 实景三维模型细节展示图Fig.3 Detail display picture with real 3D mode

3.2 数字正射影像图制作

数字正射影像图采用 ContextCapture Center Master软件生成。影像应清晰，片与片之间影像尽量保持色调均匀，反差适中，当色调不一致时应作色调调整。最小密度大于0.4，最大密度1.4～1.8，图面上不得有图像处理所留下的缺陷。在屏幕上具有良好的视觉效果，展示如图4。

图4 正射影像图Fig.4 Orthophoto map

3.3 地形图制作

采用清华山维 EPS5.0全数字摄影测量系统进行地形图制作，将矿区高精度实景三维模型导入软件，制作工程文件，由作业员通过三维模型及多视角倾斜影像进行水系、交通、房屋及高程等地理信息的采集绘制，并按照国标要求赋予要素属性信息。完成数字线划图DLG的生产后，采用RTK实测检查点的方式对成果精度进行检验，结果见表1。

表1 成果检验表Table 1 Achievement inspection form

3.4 埋桩定界

传统埋桩定界方式主要为参考奥维地图，利用RTK点放样，在不熟悉矿山地形的情况下，极易发生陡崖、河沟阻挡行进路线而绕路的情况，大大延长了野外放点的时间。而实景三维模型的直观性、现实性、高精度性极大地降低了野外放点的难度。

采用 EPS三维测图软件打开实景三维模型，导入采矿权拐点坐标，识别界桩埋设位置，对所处位置特殊(如位于水体、陡崖、公路、房屋等)无法设置或不能设置的，可以不设置或采取移位设置的方法。利用实景三维模型确定界桩实际埋设位置后，采用EPS软件设计野外行进路线（图5），按照设计路线到达实际位置后，将界桩埋设到施放位置。

图5 行进路线图Fig.5 Routine map for travel

3.5 实际开采范围核查

采用采矿权人法定证书确定的矿区界址点（拐点）作为越界监管分析基准，利用倾斜摄影测量成果矿山开采现状实景三维模型与矿区界址点坐标进行套合（图6），分析矿山开采范围是否越界、移位。相比于传统二维平面图的叠加分析，实景三维模型不仅作业时间短，效果也更加简单、直观和明了，为主管部门的决策提供了丰富高效的数据。

图6 矿山开采分析图Fig.6 Mining analysis map

3.6 其他应用

多旋翼无人机倾斜摄影技术在矿山工作中的应用远远不止于此。将输出的实景三维模型作为基础地理信息数据，可应用到矿山勘查的全过程，包括野外地质调查的行进路线设计、地质钻孔的三维施放、矿区道路的三维设计、野外驻地的选址等，不仅降低了野外工作人员的劳动强度，保障了野外工作人员的安全，还大大降低了成本。多旋翼无人机倾斜摄影技术在矿山工作中的应用必将更广泛。

4 结论

绵竹市自然资源和规划局将多旋翼无人机倾斜摄影技术首次引入到露天矿山实地核实工作领域，改变了全市传统的露天矿山监管模式，由原来的二维管理模式转变为实景三维管理模式，由原来的单一地形图成果模式转变为地形图、影像、三维模型的综合成果模式，为后续数据更新和露天矿山科学管理指明了道路。通过实景三维模型，能够及时发现越界开采等违法活动，可以对界桩埋设位置进行预判，如是否需要移位设置，是否无法设置等。本文涉及的12个露天矿山，虽然每一个矿山的实际情况差异较大，但是多旋翼无人机灵活、高效的特点都能很好地获取到满足精度要求的实景三维模型、DOM、DLG等各类丰富的地理信息数据，可真实、客观、精细反映矿山开采利用现状，满足矿山埋桩定界、监测越界开采、储量变化等矿政管理和技术管理的需求，便于管理者正确决策。