基于无人机倾斜摄影技术矿山地形精准测量方法分析

2022-11-22刘虎，郭鹏，杜冲

中国金属通报 2022年10期

刘虎，郭鹏，杜冲

矿山测绘是对矿山进行建设及资源利用过程中的基础工作，传统矿山测绘过程所需测绘周期时间较长，并不能满足当下矿企对成图速率的基本要求，这对矿山开采效率造成了普遍影响，而伴随人工智能、卫星定位、移动通讯等技术的不断发展，无人机倾斜摄影测量技术，在进行矿山大比例尺地形图绘制过程中，开始得到越来越广泛的应用。

1 无人机倾斜摄影测量技术概述

在矿山资源开采过程中，在开采前即需展开全面的矿山测绘工作，以便获取尽可能精确的地质参数，对开采效率及开采质量的提升意义重大，也能够推动矿山开采工作的数字化及专业化发展。过往矿山测绘时，大量应用手工测绘技术，这样一种测绘方式难以保证效率和准确度。无人机倾斜摄影测量技术随之被大量应用，这一技术是指在传统无人机摄影技术基础上，从多个角度进行摄影测量。该技术最早在建筑垂直面纹路信息获取中被应用，而伴随无人机技术、图像匹配技术、北斗卫星导航技术的同步发展，当下无人机倾斜摄影测量技术已被普遍应用于公路及矿山测绘的各个领域，利用这一技术具有的大范围视角及对数据的高效处理能力，能够实现区域网络联合平差处理及多视角拍摄匹配等技术间的相互融合。

2 无人机倾斜摄影技术的测绘流程

相比于传统摄影技术，无人机倾斜摄影技术摄影角度及摄影范围更大，故而能从多个角度获取矿山的真实地形地貌，也能实现人力物力投入的大幅缩减，应用该技术时，需首先在测绘前期进行实地考察，工作人员需对大体的矿山测量范围进行确定，再以无人机实拍的方式，来调节拍摄分辨率，以达到最佳的分辨率效果，而为规避矿山信息不全问题，矿山拍摄范围相较于实际范围常常更大一些。其次应对航拍路线进行确定，在无人机控制软件中进行拍摄分辨率、航拍高度等信息的录入，在结合考察信息进行综合计算后，再具体确定航拍路线。而在展开具体测绘工作时工作人员需分别在无人机上搭载倾斜角度、垂直角度的传感器，并对收集而来的飞行方向、拍摄方向、拍摄角度、具体图像等数据展开记录及整理，并在测绘技术后，由专业人员对航拍信息进行具体处理，以绘制三维模型的方式，为后续具体分析做好工作。

3 基于无人机倾斜摄影技术矿山地形精准测量方法分析

3.1 充分了解测绘区域状况，合理确定测绘时段及测绘轨迹

获取完无人机的拍摄信息后，工作人员需对测量结果展开评价与分析，而检查点结果的是否准确很大程度上决定了评价的准确性，故而在应用无人机展开航拍工作时，获取的所有数据均需借助检测检查点合格及完成程度来展开筛选，在检查点位置同要求相符，航拍完成情况同预期符合时，相关数据才能得到具体应用。而相比于传统直拍方式，无人机倾斜摄影拍摄能够将需要进行测量的矿山地质信息，以数据及图像相结合的方式展开呈现，并能够建构矿山的相应三维模型，这对后续矿山开采技术的应用及矿山开采主义事项的具体确定，裨益颇大。除此之外，无人机航拍测绘还能显示矿山的面积、长度、宽度及可以进行施工的范围，这将推动开采团队施工效率的大幅提升，实现人力物力资源投入的大幅降低。而传统直拍测绘方式只能获得矿山的二维数据，应用无人机倾斜摄影技术后，一方面能获得更多种类、更为精确的矿山二维数据，另一方面能够以三维模型的方式，帮助工作人员更为精确地展开分析、更为全面地制定矿山开采方案。

借助无人机倾斜摄影技术带来的高清图像及多类型数据，管理人员能够更为清晰地掌握矿山地形及地势特点，进而能够获得更为完善的矿山开采程度、范围资料，这对矿山自然环境保护、矿山土地开垦工作均意义重大。应用该技术，同样能让工作人员有效规避矿山开采存在的安全隐患，能让安全风险及测量成本同步降低。而该技术也存在着后期信息同图像契合程度不高的问题，这要求工作人员促进数据分析准确性的提升。而在三维建模存在局部缺失的情况，工作人员可以二次航拍对位置信息进一步获取或是手工拍摄的方式，对相关内容展开填充。无人机倾斜摄影技术的硬件设施也在不断发展，其现今存在的电池续航能力不足问题，正在迅速得到完善。对无人机倾斜摄影技术进行实际应用过程中，该技术对气候环境条件要求较高，需选在气候温和、晴空万里的天气，而无人机起飞降落区域，应当确保在主要机场区域15km 以外，以避免对飞机起降造成干扰。

在无人机任务开始前，应当对测绘区域状况充分予以了解，并依照无人机的相关参数指标，科学化、合理化确定飞行时段及飞行轨迹，以便展开更为有效的倾斜摄影工作，在制定好的拍摄控制点、加密点坐标，展开智能拍摄，以确保能够获取对应的倾斜影像资料。同时应当保证数据准确在测绘区域内完成采集，再展开测绘预处理工作，工作人员应当将选取拍摄而得的倾斜影像，在虚拟影像中进行反投影，以最大程度上降低地面突出物的重影问题。工作人员可通过对测量相片进行控制的方式，确保矿山测绘精确程度的提升，例如应依照有关规范，对布设控点严格进行控制。这时应对下述几方面事例予以重视，首先应依照测绘区域的实质地形地貌，将测绘区域划分为若干测绘分区，像控点应当在图轮廓线之外进行布置，在常规情况下航空基线应当在1条以上，旁向应当大于100m，在航线两段控制点间偏离半径长度应当在1 条基线的一半以下。同时应当基于测绘区域的地形地貌特质，对像控点位置进行选取，应当保证选取容易识别、不具有争议的位置，例如具有明显标识性的房角及建筑物等，如若像控点在山头进行选择，则应当选取平头山或是地形不发生起伏变化的位置，以实现测量精准度的提升，如若像控点高度变化较小，也能促进测量精准度的大幅加强。在对像控点进行布设时，不应选取存在植被区域或是在高大建筑物的拐角位置，在这些位置进行布控容易发生视线遮挡问题，进而使得测绘精度发生下降，也不应在大面积水域位置布置像控点，而应当选取交通便利的位置，以实现对数据的更好保存。

3.2 做好拍摄盲区的补测工作，构建完备信息管理系统

而从整体层面来看，在进行测绘时，外界环境对测绘的影响某种程度上是不可避免的，例如植被等相关因素，这些因素使得实际倾斜摄影过程中，无人机的摄影质量难以符应地面控制点测量的实质需要，同时亦会有测绘盲区的出现，这会导致测绘预想效果的难以实现，这一过程中，可应用空中三角加密及校正技术、应用三角加密进行处理及校正，能够对测绘精度不达标的问题有效进行处理，这一技术的特点是，能够对影响元素进行准确预算，再通过各软件的互相配合，有效剔除干扰因素，来一方面促进测量精确度的提升，一方面对地形条件不好情况下，对区域航测结果有效予以改善，在做好空中三角加密处理工作的前提下，可依照矿山测绘的输出需求，输出DSM、DEM、DOM 等相关模型。

而三维数据模型及采集数据体系的建立，则依托于对多角度倾斜影像进行处理的一系列操作，这些操作主要包括联合平差、几何校正、多视匹配等，并在最后将三维倾斜模型展开可视化处理。在对三维数模型可视化建立后，以软件处理可对测绘区域的相关地形特征，准确予以获得。信息采集工作的进行，应从下述三个方面着手，首先应以人工方式手动完成相关基本测绘任务，例如建筑物、像控点等，均需手动进行影像拍摄，以尽可能提升测量精确度，对于地貌三维信息等内容应以自动提取方式进行，并需落实好高程注记点、测绘区域等高线等有关数据采集工作，这些工作可依靠平台处理软件进行，但还需测绘人员在后期进行人工整饰及调整，以便更好投入使用。而为实现测量数据精准度的提升，应当对要素遮挡问题进行处理，为此应补充测量相片资料信息内的遮挡区域。同时应落实好调绘及补测工作，利用无人机进行倾斜摄影时，难免存在拍摄盲区问题，这些拍摄盲区大多数存在于植物茂盛、建筑物遮挡区域，故而应在进行后期图像处理时，标注好建筑物及植被遮挡区域，以便及时进行调回及补测工作，在这一前提下，在确认地物、高程标准过程中，也应对不确定区域或复杂区域进行标注，再展开进一步的补测及调绘工作，以促进测绘精准度的大幅提升。

在无人机倾斜摄影技术的支持下，可建构起完备的信息管理系统，并将矿山地质条件、地理位置、气候条件等相关信息纳入其中，以此形成具备庞大数据存量的信息库，通过建立信息管理系统，可进一步为矿山开采工作的进行提供相应信息参照，以实现开采思路的优化，常规来说，矿山具有复杂的地理环境，故而在进行信息采集时难度较大，无人机倾斜摄影实现了对这一问题的良好规避，借助无人机倾斜摄影技术的支持，工作人员只需以技术为依托，对高清遥感影像进行传输，便可实现对矿山地形地貌的深刻分析，并可建立起科学相的数据模型，以供决策人员更好展开相关事项的决策。矿山开采人员同样可依托数据模型，对各开采事项进行明确，同时建立针对性的预防及解决措施，以对各种潜在风险进行规避，确保矿山开采的基本安全。将无人机倾斜摄影技术应用在矿山地形信息检测的过程中，应当对检测矿山区域的各信息，进行完备且真实的收集工作，对矿山区域面积、矿山建筑物分布、矿山植被覆盖情况等内容，充分予以了解，在掌握实际情况后，再依照航测要求进行航测图设计，合理规划无人机的航测路线。进行无人机倾斜摄影时，航线的合理性至关重要。为此应从航图着手，具体细化航测线路、航测方向、航测分辨率等内容，以为无人机航测工作的进行保驾护航。而为确保无人机航测数据具备可信度，还应当对数据统计工作充分予以重视，并应确保航线图设计的合理科学，同时需注重对其他技术予以辅助应用，例如应用GPS 技术进行精确定位等。在进行航线设计时，应当严格依照航拍区域规划、现场勘测、航线规划、数据勘测、数据汇总、数据处理、数据分析的基本流程，以确保航测工作的循序有效开展。

3.3 注重依地形地貌调整像控点布控，做好畸变参数修正工作

而在完成无人机倾斜摄影工作后，也应对测量结果展开加密处理，在进行具体操作时，主要应用空间三角测量技术，这一技术在数码摄影、控制点较小的情况下被普遍应用。在空间三角测量技术的应用下，对矿山地形数据构成影响的外部元素及所有加密点的地面坐标，均可良好进行处理，而在对数据进行采集及计算分析的情况下，可通过粗差检测及平差计算功能，促进无人机倾斜摄影数据精确性的提升。相比于传统摄影方式，无人机倾斜摄影具备尺寸小、机动灵活、对起降场地要求低、飞行审批手续简单等特质，在数字矿山构建、环境监测治理、灾害监测预防、地理国情普查、应急指挥等工作上被广泛应用，无人机倾斜摄影技术能够从多角度出发，对地物顶部信息及侧面信息进行同时采集，能够取得完整的纹理数据及定位数据。而其相比于无人机垂直摄影，在技术优势上主要体现在下述几方面，首先是实现了多角度、多方位进行实时动态拍摄的目的，使得矿山测绘工作能够由二维转向三维，进而为智能化矿山的实现提供了可能。其次是分辨率较高，无人机倾斜摄影技术应用多个无棱镜头，达成了多角度多方位拍摄目的，促进了影像资料分辨率、精确度的进一步提升。其三在于促进了测绘盲区出现概率的降低，同时因其能在短时间内获取大面积影像资料，实现了测绘人员外业作业工作量的减少和测绘周期的缩短、测绘成本的降低，具有突出的经济优势。

而在进行像控点的布设时，应注重依照地形地貌变化展开调整，在地形地貌较为复杂的情况下，应当提升像控点密度，在平坦区域及幅度较小区域，则可适当降低密度。如若测绘区域需划分子区，则像控点一般在图轮廓线外进行布置。在对矿山测绘区域图像数据进行获取后，应当加强对图像数据的预处理工作，对图像数据展开失真校正、旋转、增强亮度、均匀光等系列处理工作。并进行航拍三角加密测量，以将航拍过程自动存储的POS数据用于解决问题，并得到更为准确的测量结果。在完成数据处理工作后，可以生成对应的DEM、DOM、DSM 等相关产品，但由于遮挡等其他因素影响，为进一步对数据质量进行确定，应当进行现场调查及补充调查工作，这一工作通常应用全站仪进行，在对摄影区域的空白及争议部分进行标记后，再及时开展现场补充绘图及调整工作，对于不确定区域及复杂区域应进行分类及标记，并结合现场情况进行核查。而在部分情况下，地形图的测量及制图进度会有偏差情况出现，故而需应用有效精度检测方法，来对地形图进行检查及测量，故而，展开无人机倾斜摄影工作时，应当设置好多重散射检测精度，并应对不存在摄影差异的测量区域，灵活予以选择，也只有通过多次的误差测量及校正工作，才能保证地形及测量图的准确性，以规避较大偏差的出现。完成无人机摄影工作后，需要对摄影数据进行处理，以为后续工作做好铺垫。

相比于传统摄影技术，倾斜摄影能够基于多个角度，取得待测目标的相关信息，而这一特点也使得数据处理工作规模扩大，多角度数据则能够向数据处理工作提供更多参照。倾斜摄影通常具有预处理机制，这一机制可在完成拍摄后对数据进行简单处理，并可对捕获到的无效数据进行清除，实现了POS 后数据处理难度的有效降低，促进了数据处理速度、处理准确性的提升。测绘工程水平的关键点在于数据质量，在完成无人机拍照工作后，需要对POS 捕获数据进行处理并对GPS 数据进行分析，以促进数据不连续部分的完成。倾斜摄影获得的数据，在不连续部分上更少，也具有更高的信息密度。而倾斜摄影过程中，为保证坐标具有一致基准，可通过对测绘基准服务平台进行应用，实现测量成果的转化，促进像控点高程向国家高程转变，而原始航片采集过程中，通常应用电动固定翼无人机，并对倾斜航空镜头组予以搭载，而因为部分矿山，具有地形起伏较大的特点，故而应当促进航摄重叠度的适当提升，以便减少航摄漏洞的发生，还需在确保矿区范围被完全包括的情况下，落实好对周边区域的航摄工作。而在无人机航摄任务设置完成后，应保证做好飞前检查，确定飞机状况、气象条件都满足起飞航摄要求，再进行起飞事项。而由于无人机携带相机，通常并非专业量测相机，故而常常有较大镜头畸变发生，故而应当应用计算机软件，在后期通过畸变改正参数进行处理，对航飞原始数据进行修正。