无人机倾斜摄影测量在矿山地质中的应用研究

朱磊

摘    要：中国是矿产大国，矿物种类多，分布广，开采及治理水平参差不齐。处理不当会引起资源浪费、环境污染等问题，甚至导致地质灾害，威胁生命财产安全。为了监督合理开发，检查私挖乱采，保护环境杜绝灾害的发生，需要摸清中国现阶段矿山地质情况，类如计算储量、定边定界等工作成为重中之重。矿山地质测量无疑为该项工作提供了基础数据保障。

关键词：无人机倾斜摄影测量;矿山地质;应用

1  倾斜摄影测量

1.1  定位原理

众所周知，测量的本质是定位，定位的本质是获取坐标。传统测量通过人工定位，直接接触目标获取坐标;而摄影测量则通过影像定位、同名光线交会计算坐标。使光线交会则需要满足一定条件，如图1所示。图中，A为物方点，a1、a2为物方点投影在两个像片上的像点，S1、S2为两个像片的摄影中心。从图1可以看出，想要通过光线交汇完成定位，需要知道像片的实时姿态，即恢复外方位元素Xs、Ys、Zs、φ、ω、κ（Xs、Ys、Zs为线元素，φ、ω、κ为角元素）6个参数，且须知内方位元素x0、y0、f的数值。

1.2  优势提升

（1）定位精度。众所周知，测量数据都存在误差，在必要观测条件下无法对误差进行消除和减弱，因此需要进行多余观测，倾斜摄影测量在相同条件下的数据量是竖直摄影的2～5倍，大大增加了多余观测，提高了精度。另外，阿贝比长原理规定：量测长度时尺子与目标平行则结果最优，角度越大则误差越大。而对摄影测量而言，O1、O2为两个不同角度的摄影中心，其摄影基线与目标越接近平行即光轴与目标尽可能垂直，则测量精度越高。传统摄影测量只从竖直方向观测，其基线平行于XY平面，因此该模式下的目标在XY方向精度最高，而与XZ、YZ平面角度过大使在Z方向的精度成为传统摄影的短板。倾斜摄影测量增加了大角度影像观测，其摄影基线与XZ、YZ平面的夹角大幅度减小，对某些特殊侧面甚至接近平行，由此不仅提高了Z方向精度，而且进一步减小了X、Y方向的误差。同时多方位的拍摄更好地获取了目标侧面的纹理，实现了不同角度信息的互补，对轮廓的还原效果更优。

（2）成果质量。传统竖直摄影测量生成的基本都是二维平面数据，分析起来较为困难，对技术经验要求较高，某些盲區还需要后期现场补测调绘。而倾斜摄影测量的成果以三维模型为主，在高精度的数字表面模型DSM基础上进行纹理映射，直观性强，使用者能够方便地在模型上对矿山地质的剖面、沟坎、坡向线进行分析，对不同种类的区域例如采矿区、找矿区、废弃物堆积区等区域的判读率也提高了很多，此外还可以在模型上绘制传统竖直摄影测量生成的数据成果。因此，倾斜摄影测量为从业者提供了更加全面的基础数据。

1.3  技术流程

1.3.1  外业采集

由于建模对精细度要求很高，而旋翼机较固定翼飞行高度低，速度慢，能够很好地拍摄目标纹理，因此在飞行平台的选取上以旋翼机为主。相机应搭载多镜头，即1个下视镜头和数个倾斜镜头，通常以5镜头为主。根据测区地形规划航线，重叠度应在70%以上，分辨率应设定在5cm以内，并以此定义航高。若测区面积较大，单个架次无法完成时，应当在架次之间保留1～2条航线的重叠，以便后期能准确拼接。设定完毕后，飞机按航线飞行进行拍摄，其后检查像片是否有大量曝光、云烟遮挡现象，有无漏拍、序号与POS信息是否对应等情况，合格后便可进行下一步的处理。

1.3.2  内业处理

由于现今倾斜相机还不能计算自身POS，只有下视镜头具有位置姿态信息，因此只能通过下视镜头和倾斜镜头的位置关系计算所有像片。将像片加载进相关建模软件，分别进行空中三角测量（简称空三）、点云匹配、DSM生成、表面重建、纹理映射等，生成最终的三维立体模型。同时，在该模型基础上，利用第3方软件，生成传统竖直摄影常出的数字正射影像DOM和数字线划图DLG，可谓是一模多用。

2  实践操作

2.1  测区概况

本次实验测区选在某石料矿区，欲通过后期所测数据，圈定目标区域矿界、了解开采情况、描绘实地地形以及后期合理规划等。该矿区范围为东经112.60～112.62°，北纬38.17～38.18°，面积约1km2。测区内以山地为主，海拔多在1100m～1400m，相对高差100m～400m，且部分遮挡较多，传统竖直摄影测量无法完全覆盖拍摄，故采用倾斜摄影方法采集数据。

2.2  处理流程

2.2.1  飞行平台及相机

本次飞行平台选用哈瓦MEGA-V8Ⅱ旋翼无人机，该飞机采用全碳纤维材料一体成型技术、配合航空专用镁合金、钛合金等尖端材料和工业级传感器芯片技术，机身826mm×1050mm×578mm，最大起飞重量12kg，飞行半径可达14km，续航时间30min，抗风能力达到7级，且具有后差分解算系统。该平台搭载的相机是定做的HARWAR-YT-5POPCⅢ5镜头倾斜航摄仪，其中1个下视镜头，4个倾斜镜头，倾角为45°，像素达到1亿级，该相机5个镜头同时曝光，曝光时间为1/4000s，最小曝光间隔为2s。

2.2.2  控制点布设及航线规划

测区内山地较多，地形条件差，大部分区域人工无法到达，因此选择较为平缓的地方布设像控点，以便将模型纳入到目标坐标系下，并且起到精确的控制作用。由于飞机自带后差分解算系统，一定程度上精化了POS数据，故能够保证测量精度满足要求。飞行时间段选在上午十一点左右，期间光照适中。为了防止出现漏拍等信息不完整的情况、保证模型精细程度，本次地面采集分辨率设定为5cm，相对飞行高度相应为250m，航向重叠度设置为80%、旁向重叠度设为75%，航线为南北方向，共分2个架次，架次之间有2条航线的重叠区，以便后期拼接。本次飞行有50条航线，共计3700张像片，POS数据完整，影像质量正常。

2.2.3  内业处理

（1）空中三角测量。空三是恢复像片实时位置和姿态的过程，恢复了位置姿态，就能通过影像进行定位，因此空三是整个过程中决定精度的环节，可以说是重中之重。先导入所有像片，加载相应POS文件后提交空三。软件以其强大的倾斜影像匹配算法，准确找出各个像片间的同名点，完成相对定向，并通过刺像控点、平差计算，得出最终的坐标信息。空三结束后，整体的精度也就确定了。

（2）模型重建。空三后进行模型重建。点击重建以后，软件首先通过恢复姿态的多个影像同名光线相交，得出物方密集点云;然后在密集点云基础上建立不规则三角网，形成一个个面片，完成表面重建;最后通过泊松融合方法将像素赋予所形成的面片，使复杂的图形场景呈现出真实感。

参考文献：

[1] 方忠平.基于无人机倾斜摄影测量技术的三维建模和精度分析[J].工程建设与设计，2019（10）：247.