无人机三维摄影技术在矿山地质勘查中的应用探究

张玉刚，吕忠良，毛洪辉，任晓轩，晏继君

中国整体经济建设的发展促使中国各产业发展得很快。近年来由于技术的进步，尤其是电子计算器的快速发展，使得大型民用无人机空中航拍控制系统在中国的方方面面都得以应用，而且无人机航拍控制系统的测量结果表现出了很多的技术优势，通过加快无人机航拍测量系统的技术的进展，可以将它迅速的运用于地质、矿区灾害处理等应用领域。

1 无人机摄影测量的特点

1.1 操作简单、成本也相对低廉

相比于一些传统航空检测仪器，在无人机摄影检测中投入的成本也相对低，而且人为操作较为简单，也不需要经过过量的训练就可以完成操作。

1.2 图像清晰度

在摄影检测项目中，无人驾驶飞行器占有了重要的优势，它可以获取较高清晰度的图像，相对于传统的遥感检测方法，它不受云层的束缚。由于无人机能够随意的在云彩下飞翔，所以获取的图片并不会因为被云彩挡住而影响到清晰度，同时，由于无人机还能够从不同视角进行拍摄，从而有效的提高了数据信息的准确度，从而弥补了传统遥感检测科技的不足。

1.3 精度高

由于无人机在行驶过程中能够全方位转换，而且飞行高度都在一公里之内，自身所配备的摄像机都是高清的，其摄像的精确度也可以做到亚米级水平，所以，通过无人驾驶的飞行器来完成测量工作，可以在一定程度上提高工作的水平。在我国的当前矿山勘探作业中，无人机除了满足其高精度需求，也可以被应用到中低空摄影测量领域，同时适应高精确度测量需求。

1.4 安全与灵活

总的来说，由于无人机本身重量比较轻，所以人工操纵也相对简单，在稳定性和灵敏度等方面都要优于常规测绘技术，同时在真实的无人机操控过程中，由于外部的自然条件因素对无人机干扰甚少，所以即使出现了不良的气象，也不会干扰到无人机正常的行驶。在实际试飞过程中，也不会无人机发生了故障，也不会危害到操作人员的安全，这也就解决了生命安全这一关键性问题，同时增强了矿山勘查工作的稳定性。

2 无人机倾斜摄影测量概述

2.1 倾斜摄影技术

近年来，倾斜摄影是在我国科学技术应用领域蓬勃发展出来的摄影测量技术手段，利用技术手段在垂直和水平四种视角倾斜五个不同的方向同步采集图像的视角，可以在建筑的顶部和高分辨率的纹理等方面更加丰富。它不但能精确地表现地面物体的运动状况，同时还能更精确地得到地面物体的纹理信息。它还能够利用先进的定位、融合、建模，以及其他技术手段来制作逼真的3D 建模。

2.2 无人机倾斜摄影测量系统组成

2.2.1 自驾及惯导系统

航飞自驾及惯导控制系统，简称飞控。主体包含，陀螺仪，加速度计、地磁感应、GPS 模块和控制电路，主要用途是自动感应无人机设备的飞行姿态，并监控飞机路径。

2.2.2 倾针摄影相机

倾斜摄影镜头通常是由一个垂直或者四个倾斜五个左右的全视角高像素面阵数码相机头构成，在特定角度下放置于云台上。斜置相机包含一个更小的相机、一个前视相机、一个后视摄像头、一个左镜头和一个右镜头，相机是垂直的，前装相机、后置镜头、左相机和右镜头也是倾斜的。用来拍摄地的侧面纹理影像，倾斜范围在15°～45°之间。

2.2.3 云台

云台是安置、稳定照相机的基础装置，能够降低航拍过程中的无人机飞行姿势对照相机拍摄角度影响。

2.2.4 地面控制系统

地面系统，一般分为计算机、信息传送控制系统和地面自动控制系统。

2.2.5 其他设备

包括发射架，车辆，降落系统等。

3 无人机倾斜摄影技术的测绘方式

无人机倾斜式拍摄技术具有国际领先水平，可以提将数据信息的表现得更为直接和精准，在测绘矿山的地貌时候能够同时从多种视角加以观测，将矿山的地质状况更为逼真地表现出来，同时也可以大幅节约人力物力以及财力，使地质的地形特征更为全面，更为完善地表现出来。对地形的测量传统方法在正射影像当中所出现的缺陷通过无人机设备可以加以克服，从而代替了原来传统单一方式的测量方法。通过无人机设备还可以对矿井的高程距离及各类相关信息在影像当中进行检测，把传统无人机设备的拍摄技术优点发挥出来，可以实现更大面积的高空摄影，从而可以把矿井地质纹理用立体模拟的方法表现出来，从而得出高度相关的数据。

3.1 前期考察调研

在无人机航拍进行前，首先要对矿山摄影的区域加以判断，对拍摄画面的清晰度加以判断和调节，为防止发生意外的情形，适当对摄影区域增加一些噪点。

3.2 拍摄航线的确定

将前期调查中所获得的所有资料和数据，都加以综合的整理并对之加以分析，并将这些调查所得的所有资料都以大数据的方式展示出来，同时配合无人机的控制软件，可以调节的分辨率，以及把航拍的高度、画面的所有数据都添加到其中，把航拍的道路规划好。

3.3 内外业的航拍与处理阶段

在飞机的平台上搭载了斜面视角和垂直于视角的感应器，同时在采用无人机倾斜技术拍照的同时要把矿山的相关的所有数据都完成相应的录入，并统一完成数据分析和汇总。比如航拍的方位、镜头的视角，以及画面大小等信息。当对矿井地质的无人驾驶飞机倾斜摄影摄像技术都完成以后，要由专门的人员利用一些软件对摄影信息来完成数据处理和解析，最后可以获取一个三维立体的模型。而无人驾驶直升机的倾斜摄像技术，不仅能够直接把取景地的现场状况信息带给技术人员，还可以显示出矿井的实际地理位置，从而显示更多的相关数据，以便得到更加完善的矿井地质。

3.4 对测量结果进行评价

对矿山地形的测定结果的确定，取决于检查点的结果是否精确。所以，对采矿地质项目的所有检测结果，都必须采用检查点法来进行仔细的检验，以检查项目的合格程度和完整程度，而对于采矿地质的摄影画面当中有无明显的拼接痕迹都要进行仔细的检验，以保证所拍摄资料的准确性。

4 无人机航空测量技术在采矿地质中的运用

4.1 航测技术在矿山测绘中的应用

采矿测量图是在采矿的开采过程之前规划测量和绘制，将地表现有的地表特点和界线利用测量手段，得到表现在地面现状上的图像和位置信号，供矿山工程的规划设计时使用，主要运用了无人机摄影画面清晰的特点。在确定开采有色金属矿工程后首先确定开采区域，以确定的采矿区域的地图图像为航空勘测的依据，设置坐标方位和飞行轨道。接着，从所有计算机中选择横纵双向的交叉布线方法。检查预设的自动航测控制参数和飞行状况，并检测无人驾驶飞行器的蓄电池容量状况能否适应整个飞行测试的流程，以保证各项管理工作顺利完成。内部布点的情况为地面监控外业技术人员在野外刺点，测绘图是按照《1：500，1：1000，1：2000 区域地形图航空摄影测量外业技术规范》中所规定的地区网点图执行的，在绘制过程中依据矿山地区中的地形地貌，标示出了地面区域死角。设定好无人机数据后就可以完成航拍功能，将无人机在行驶时获取的图片与数据分别上传到了电脑中，由系统完成了数据处理，将图片进行等比还原后制造出了目标区域矿产的测绘地图，并说明区域内的矿区所在具体位置、危险地带内的情况，以及地标间的相对位置等。用航测技术的高精确性结合数字化处理图形的智能化，在提高测绘图形准确率的基础上减少了图形绘制的困难。

4.2 空中三角加密测量

在获得矿山记录的摄影数据信息时，必须做好摄影资料的预处理，如摄影数据信息的畸变校正、转换、增光匀光等处理。经过了上述运算之后完成了高空三角加密测量，这主要是基于无人机设备的倾角拍摄测量技术，虽然有效的改变了传统无人机拍摄设备垂直拍摄技术只可以获得垂直方位图像资料的不足，从而达到了多角度、全方位地拍摄监测区图像数据的目的，同时得到的图像数据资料也比较完整，从而减少了测量区测绘盲点的几率，但由于无人机拍摄设备倾角拍摄技术不可避免的受到周围高大林木、建筑结构等因素干扰而会产生拍摄盲点，所以此时就必须通过高空三角加密测量，才可以通过在航拍流程中手动保存的POS 数据信息加以解算，从而制造出准确率较高的矿区成果资料。

外部的环境因素对地面测量过程产生的影响也是不可避免的，比如植被影响，正是这种外部影响造成了无人驾驶飞行器在实际的倾斜拍摄过程中往往达不到对地面控制区域测量的实际条件，甚至是存在着测量区域盲区问题等，最后仍然达不到地面测量期望的结果。在这种时刻空间三角加密与校准的主要工作的特性就凸现起来了，通过采用空间三角加密数据处理与校准就能够很高效的克服地面测量准确度不达标的问题。而空间三角形加密处理的主要优点就是可以建立在精确估计出地面影像外的方位元素上，然后再利用一些软件的相互配合把影响因素全部去除掉，这么做不但能够很高效的改善地面测量的准确性，同时也可以很有效率的提高地质条件较差的地区航测结果。在实现地空中三角形加密处理工作的基础上，还能够根据矿山测量中的输出要求将DOM、DEM、DSM 等模块输出。

4.3 倾斜影像获取及预处理

在开展实施无人机航拍任务前必须做好航线的设计，在掌握测量区域基本状况的基础上，充分考虑无人驾驶飞行器的性能参数选择适当的试飞日期和飞越时间，进而才能开展外业的倾斜摄影工作。在航空摄影过程中可获得多角度拍照影像资料，在相关的摄像控制器和加密点范围内自动获取，并得到相关的倾斜影像资源。在对已测量区域内的数据信息收集完毕后通过对测绘数据的预处理，将获取的倾斜影像，将其反投影至新创建的虚拟映像中，目的是为降低突出于地面竖直物体上的重影现象。

4.4 数据采集

三维空间资料模式的建设，是指通过对多视点倾角影像采用几何校准、联合平差、多视对应等各种运算，最后得到可视化的三维空间倾斜模式的流程。在三维空间资料模式建设完成后，就能够通过信息处理软件得到测量范围内的地物、地貌等数据。数据处理的收集工作，一般包括以下三方面的内容：①地物要素的收集工作，一般由监测任务人员自动完成，如通过捕捉影片中的像控点、构筑物等，有助于提升监测的准确度；②地貌要素三维信息的自动获取，基本上涵盖了对监测地区等高线、高程注记点等的收集工作，虽然能够通过现代化的信息处理软件平台实现，但必须通过后期监测人员的人工整饰和取舍，才能够投入实际使用；③地物等自然要素遮蔽问题的解决上，对相片资料中的遮蔽地区予以补充检测，将有助于提升最终的检测准确度。在获取飞机图像数据信息的技术基础上，先通过图像数据信息预处理并对其执行空间三角加密数据处理，完成后执行校正、平差、镶嵌等数据处理，再通过MapMatrix 全数码摄影测量技术收集地形数据信息，并自动生成出1：2000 地形曲线，对得到的产品执行测试，如出现了问题，则需要再执行对检查数据的修正，直到位置图确定无误为止。

4.5 匹配生成密集点云

在对影像数据分析实现多视点联合空间三角加密测量的技术基础上，进而生成出测绘区内密集点云数据分析，对密集点云数据分析通过点云数据抽取、整合、优化等处理过程，并通过POS 数据处理中所涉及的外位置元素，以及特征信息匹配等方法生成出高密度的DSM 数据分析等，从而为建立矿山三维空间地理环境提供了技术基础。

4.6 数据处理以及成像

（1）解析了空间三角测量后，在实际工作中，有关人员就可以直接通过全数码摄影测量工作站，然后再通过其他的各种过程，具体如像控点测量、像点连接等过程，对DOM 的合成和空间三角测量的自动化进行。至于相机数据和控制点部分，则需要加以测试，当确定其没有什么错误以后，再进行像控点检测。

（2）对于外业调绘法，在具体的流程上，首先需要对全野外调绘法做出分析，然后再利用航空影像技术，对DEM 数据做出整合。

（3）对于地形图数据的收集和管理，也要通过全数码摄影监测工作站，直接对数据信息加以采集，而所采用的模拟对象：自动恢复模式，可以实现立体化、全面的图形检测，从根本上避免了二次误差问题，为测图的精度提供了保证。在采集工作真正开始以前，一般需要先完成空三精度检测工作，然后再通过像控点开始测量，当确定其满足了相应的精度条件之后，再陆续开始后面的作业。

（4）同时制造DOM 和DEM，在此流程中，重点是借助相关软件对DEM 完成制造，同时需要保证其制造精度可以与经过处理和剪辑后的地形图数值保持一致，在完成了以上的全部步骤以后，还需要继续借助于专用软件，对真正摄影影像完成制造，在这一过程中，还必须妥善做好技术把控工作，以避免产生误差的问题。

4.7 对影像的特征进行利用

运用遥感等地质勘查技术能够对不同的地理映像特点加以分析，从而正确的对所勘察地区的与地层或柱形图相对的地层和岩浆等进行分类。而运用地理影像特征进行地区或是单元分类，是对某一地区进行遥感研究的主要前提条件，同时也是对所研究地区的地层和岩浆等物质活动特征进行比较的主要基础。由于在同一个地区的同种地理特征在映像上显示的影纹和颜色等物质特点都是相同的，从而能够利用对已检查出的某些物质的活动特点进行追索解译和对比解译。同时利用对典型地区岩层结构的分类，可以分析该地区岩层构成时的地层、岩浆等的活动表现。在运用遥感技术开展地域内的地理岩石研究工作时，对于某地对地物质信息的获取，应当以影片作为最基础的根据，客观准确逼真地展示辖区内的地质地物的影子，并尽量减少对传统“专家工作经验”的运用。

5 结语

综上所述，无人机倾角照相检测技术在矿山大尺度地形图测量工作中有着突出的优越性，明显的降低了测量员外业工作量，大大提高了检测工作效率，也降低了检测生产成本。将无人机倾角拍摄检测技术运用到矿井监测，明显的提升了检测准确度，为矿井施工打下了基础。另外，倾角拍摄技术得到的影像数据包括三维空间信号，为建立三维矿井和智能采矿打下了基础。