论无人机三维倾斜摄影技术在露天矿山监测中的应用

程 曦

(中建材西南勘测设计有限公司，四川 成都 610000)

1 无人机三维倾斜摄影技术的优势

无人机三维倾斜摄影技术归属于现代测绘技术的范畴，以无人机为载体，集成多种先进的技术，如传感器技术、线速路由换技术(POS)、卫星导航系统(GPS)等，可快速完成数据处理，并根据所得的结果构建相关模型[1]。

1.1 真实性强

依托无人机倾斜摄影，能够获取到3D模型，通过该模型，可从不同的角度对地物、地貌等全面观察，反映出的情况更加逼真。

1.2 性价比高

3D模型常用的构建方式有三种，即激光扫描仪、传统测量结合纹理镶嵌、无人机倾斜摄影。其中激光扫描仪的效率和精度较高，但造价比较昂贵；传统测量方法的周期过长，效率偏低；无人机三维倾斜摄影不仅效率高，而且成本低，因而该技术具有较高的性价比。

1.3 易于共享

通过无人机三维倾斜摄影技术采集到相关数据，要比GIS系统获取到的数据容量小，由此给数据的传输和资源共享提供了便利条件，更易于实现大众化的应用。

2 无人机监测的露天矿山概况

本次选取某地区露天石灰岩矿区作为研究对象，无人机监测的矿区共有5个，分别用字母A～E表示。各矿区的基本情况如下。

2.1 A矿区

该矿区的地貌特征为岩溶槽，斜坡地形，西高东低，最高点的高程为418.56 m，最低点的高程为331.9 m，地形坡角的范围为25°～40°。矿区多年平均降雨量为1 110.5 mm,每年的雨季集中在5～9月，矿区内的地表溪流不发育，无季节性冲沟和常年地表水体，所有地表水均为自然降雨补给。该矿区主要开采的是石灰岩矿，供建筑工程使用。

2.2 B矿区

该矿区呈现为单斜构造，整体的地质构造较为简单，无断裂，节理裂隙不发育，地层倾角约为9°。矿山开采的石灰岩厚度为120～140 m，灰岩层理较为发育，在层面上可见清晰的斑纹状条带。

2.3 C矿区

该矿区位于斜坡地带，中山地貌，地形坡角的范围在15°～45°。矿区年均气温为17.5℃，年均降雨量为1 162.5 mm,5～9月的降雨量较大，约占全年总降雨量的68.8%，经常有大暴雨。矿区内的断层和节理裂隙均不发育，岩层的完整性比较好，地质构造较为简单。

2.4 D矿区

该矿区内的断裂构造不发育，背斜部的地层为二叠系和三叠系，翼部地层为侏罗系。矿区内的断裂构造不发育，地层倾角为44°～46°，地质构造较为简单，未见明显的断层。

2.5 E矿区

该矿区的地形为狭长岭谷，南高北低，年均降雨量为1 136.8 mm,每年的5～8月降雨量较大，经常会出现大雨或暴雨。该矿区内的矿山主要以石灰岩开采为主。

3 基于无人机三维倾斜摄影的矿山监测

3.1 无人机倾斜摄影测量系统

本次露天矿山监测中，选用无人机倾斜摄影测量系统，根据镜头的数量不同，可将该测量系统分为以下4种类型：双倾斜镜头、双倾斜+一个正视镜头、四倾斜+一个正视镜头和八倾斜+一个正视镜头。镜头越多的测量系统，操作过程越复杂，对操作人员的技术水平要求越高，综合考虑各种因素，本次研究中，采用双镜头六旋翼UAV，对露天矿山开展倾斜摄影[2]。镜头的最大像素为4 240万，在平原和低山丘陵地区的最高分辨率分别为2.0 cm和5.0～10 cm；两个镜头全部可以多角度摆动，能够获取到同一个地物，不同视角的影像，进而构成3D模型；UAV最长续航时间为30 min，具备自动返航功能，六旋翼设计能够抵抗6级风力。

3.2 测量要求

依据倾斜摄影测量的技术规范，本次露天矿山监测中，对无人机的航线设定、飞行、拍摄质量、航摄时间、精度及影像成果等，全部按照如下要求执行，以此来确保无人机倾斜摄影测量结果的准确性、可靠性[3]。

3.2.1 无人机航线设计

本次监测中，对无人机航线的飞行方向无要求，根据惯例选择东西向，若是地形条件受限，则可改为南北向。通常情况下，可以按照图幅中心线对无人机的飞行航线进行设计。

3.2.2 摄影质量

1)倾斜摄影的航向重叠应当控制在75%以内，旁向摄影的航向重叠应不小于65%。正射影像的无人机航向重叠应控制在60%～80%，最小不得低于55%，旁向则可控制在15%～60%，最小不得低于8%。可按照地物的特征及其分配情况，对重叠度适当调整。

2)相片的倾斜角度控制在2°以内，最大不超过4°；旋偏角控制在10°以内，最大不超过12°，接近最大旋偏角的相片连续不得超过3张；无人机航线的弯曲度控制在3%以内；当选用的镜头一定时，航高与影像的地面分辨率关系成反比，即无人机的航高越高，影像的地面分辨率就越低，本次实验中使用的镜头为35 mm焦距，影像地面分辨率>10 cm，航高不低于777 m，实验过程的航高控制在200 mm左右。

3.2.3 航拍时间

通常情况下，在选择航拍季节时，可以拍摄区域内最有利的天气条件作为主要依据，减少植被、覆盖物对拍摄效果的影响。基于这一前提，实验的航拍时间定在冬春季节，这个时间段测区的天气条件较好，通过拍摄区域的太阳高度角及阴影的倍数对航摄时间合理选择。

3.2.4 坐标及精度

平面坐标选用的是地理坐标系CGCS2000，高程为1985高程基准；航摄所得的正射与相邻影像图接边的误差应不超过2个像元，影像要清晰、层次丰富，能够从中辨识细小的地物，并可以构建3D模型，影像中不得存在反光、污点、烟、云等缺陷；3D模型的接边不得存在高差痕迹，模型的色彩要均匀。

3.3 倾斜摄影作业

3.3.1 前期准备

1)测量开始前，先对数字相机全面检校，避免光学畸变影响拍摄效果。本次实验中，选择控制场法：在室外选择一片比较空旷的场地建立控制场，并在相应的位置处布设控制点标志，利用精确测定的最标点与影像坐标点结合，检校模型计算，由此可以获取到精确度较高的数字相机检校参数。

2)倾斜摄影测量由无人机来完成，飞行前需检测电池的充电及电压情况，保证电压正常且充满电方可使用，并对飞行过程中使用的工具全面清点、检查并加固运输箱；开始作业前，要仔细检查无人机运输时有无损坏，重点检查螺旋桨、控制器等部件，看是否完好；上电检测，校正磁罗盘。

3)对无人机的飞行场地现场踏勘，观察飞行路线上空是否存在高压线，确保路线远离居民区、河湖、水库、鱼塘等；无人机执行飞行任务前，需要对航线合理规划，在网络地域上，对测区范围准确定位，综合考虑相关因素，如气象、作业要求等，编制短期任务规划，并在任务执行当天结合飞行情况，制定出可飞的航行路线。

3.3.2 外业数据采集

1)无人机倾斜航测的过程中，要对像控点合理布置，确保点位的数量充足，避免对后期数据处理的精度造成不利影响。

2)无人机倾斜航拍时，飞行高度为200 m左右，这个高度属于低空范畴，由于本次监测的矿区面积都不是很大，基本上都在1.0 km2内。故此，可使用红色布条制作像控点地面标志，拼接后固定在地面上，采用这样的标志能够使其与衬景间的亮度变大，可进一步增强影像的判读性。

3)依据预先设定的无人机航线，利用无人机开展数据采集作业，整个过程要密切关注无人机的飞行轨迹，看是否与设定的轨迹相符。当无人机完成飞行任务后，及时将采集到的数据转入计算机中，检查数据采集成果，看是否满足测区范围及影像质量的要求，确认相符后，将数据存储到专用的移动硬盘中，带回实验室做进一步处理。

4)在对无人机采集到的影像数据做内业处理前，要先检查外业采集的影像数据质量，以此来为后续处理工作的顺利开展提供有利条件。无人机倾斜航拍时，天气、相机等因素会影响图像的质量，图像质量下降势必造成后期三维建模的精度降低。所以采取有效的措施避免天气和相机的影响尤为重要。

3.3.3 内业处理

本次实验的内业处理工作选用一款功能强大的三维建模软件，该软件依托的是多视图三维重建技术，能够处理任意照片，将具有重叠率的数码影像导入软件后，可生成高分辨率的三维模型，整个过程不需要人为控制，软件可自行完成，构建的模型精度可以达到毫米级。内业处理的工作流程如下。

1)将无人机航拍的影像数据导入到三维建模软件当中，软件会按照每张照片的位置信息及参数信息，对照片分组，给空三加密提供条件。

2)当影像数据全部导入后，可在三维建模软件中，以自动或手动的方式完成空三加密。操作前，要为照片加入地面像控点坐标，数量不少于3个，以此来达到控制效果，并使加密点与地理坐标系相统一。具体计算时，三维建模软件通过提取照片中特征点完成自动运算，匹配同名点，反算出每张照片的姿态角，据此对各张照片之间的关系加以确定。

3)利用的三维建模软件，构建实景3D模型，利用空三加密点，软件能自动计算出TIN，进而生成不具备任何纹理信息的3D模型，随后从无人机航拍的照片中选取与模型形状位置相对应的纹理，为模型着色，由此便可输出实景3D模型。

3.4 解译标志的建立

识别并解译露天矿山建设中的各种要素是监测的主要目的，本次所选的研究对象为石灰岩矿山，下面依托无人机倾斜摄影技术构建的3D模型，对露天矿山解译标志进行建立，具体如下。

3.4.1 野外识别标志

通过无人机航拍前对试验区域的全面踏勘，以及地面像控点的布设，详细了解研究区的条件，包括采场、工业广场、固废、复垦区、主干道硬化、排水沟等。

3.4.2 影像解译标志

利用3D模型，从颜色、纹理等方面着手，建立影像解译标志，具体如图1所示。

图1 露天矿山无人机倾斜摄影影像解译标志

1)图1(a)为采场，原始地貌并未发生过大的改变，无植被覆盖，在该区域在影像上与周边地区的纹理、色相均存在较为明显的差异，低于周围的地形，开采面与裸露在外的土地有所区别，边坡的纹理呈现为环形，清晰并且较为密集。

2)图1(b)为工业广场，包括以下场地：矿石临时堆场、加工场地、办公场地等。影像中，石料堆场和厂房棚顶各有不同颜色以区分。

3)图1(c)为固废，主要是露天矿山开采产生各种固体

废弃物，如废土、废渣、废石料等，在影像中，纹理相对比较细腻，呈现为近似圆形的图斑。

4)图1(d)为复垦区，从影像中可以看出，这片区域的色调以灰色和灰绿色为主，复垦初期能够看到矿山开采的痕迹，但无法看清开采作业面，从中可以看到人工种植的痕迹。

5)图1(e)为主干道硬化，在影像中的颜色为灰白色，边界有明显的台阶，比较容易辨识。

3.5 影像解译标志评价

根据上文建立的无人机倾斜航拍影像解译标志，对本次所选研究区内的A～E五个矿山进行解译，其中使用的方法为人机交互式解译，依托非监督分类，完成矿区内的地物分类，随后依据分类结果，解译出相关的要素。为检验解译精度是否达标，采取实地验证的方法，对研究区内的5个矿山进行考察，分别在各个矿山上选取验证点，数量均为10个，验证率为100%，验证结果如表1所示。

表1 无人机倾斜摄影影像解译结果验证情况

通过现场验证，解译结果的正确率达到94%以上。从表1中的结果可以看出，采场与固废的解译正确率均为100%，工业广场次之，引起解译误差的主要原因是居民点与矿区距离过近，造成建筑物混淆；复垦区的解译误差是因为解译时存在自然恢复的植被；排水沟的解译误差与居民活动有关。可见，本次应用无人机三维倾斜摄影技术建立的解译标具有较高的精度，可以在露天矿山监测中使用。

4 结束语

露天矿山监测工作开展中，可对先进的无人机三维倾斜摄影技术加以合理应用，通过3D模型的构建和解译标志的建立，为矿山生态环境监管提供可靠依据，确保矿山持续发展。未来一段时期，要加大无人机三维倾斜摄影技术的研究力度，通过改进使该技术逐步完善，更好地为矿山建设服务。

[ID:013400]