无人机倾斜摄影测量在矿山测绘中的应用

刘法军

（山东省地质矿产勘查开发局第五地质大队，山东 泰安 271000）

矿山建设离不开大比例尺矿山地形图的测量工作，矿山测绘伴随着矿产资源勘查、开采以及矿山恢复治理等整个过程中。因此，如何提高矿山测绘效率和提高矿山测绘质量成为限制矿山企业发展的一个环节之一[1]。随着现代化矿山建设需求，传统的矿山测绘技术在测绘周期、精度等方面无法满足现代矿山测绘周期短、精度高的基本要求，因此矿山测绘中逐渐引入了更多的现代化测绘技术，如无人机倾斜摄影测量技术等，并取得了良好的应用效果。

1 无人机倾斜摄影测量技术概况

倾斜摄影测量技术的应用较早，早期阶段主要应用于有人飞机上，以通过摄影影像获取建筑物立面的纹理信息为主，并未应用于地形测绘等领域，即应用领域极为局限。随着无人机技术的快速发展，结合现代化动态GPS定位技术、图像融合处理技术的快速革新，逐渐将倾斜摄影测量技术与无人机技术相结合，实现了大比例尺地形测绘等，也逐渐的应用于矿山测绘、工程测绘等领域，扩大了社会服务范围，提高了测绘精度和缩短了测绘周期[2]。现阶段常用的无人机倾斜摄影测量技术应用流程示意见图1。

2 无人机倾斜摄影测量在矿山测绘中的应用

2.1 无人机倾斜摄影测量准备工作

本文以某矿山的大比例尺地形测量为例，讲述无人机倾斜摄影测量技术在矿山测绘中的应用。本次选用的无人机型号为HARWAR-YT无人机，配套安装相应GPS定位系统、飞行管理系统，选用哈瓦倾斜数字航空摄影相机搭载。无人机倾斜摄影测量技术对无人机飞行条件的要求较高，在使用该技术时应注意以下几点内容：①不同的天气气候对无人机倾斜摄影质量影响较大，因此需根据测绘区域的气候变化选择合适的季节飞行，一般选择在每年的五六月份进行，该阶段气候一般吻合、少雨，普遍适用无人机飞行；②在确定大致飞行时段内要选择具体的气候变化，如选择天气晴朗、无风或者微风天气等，即需要根据测绘区域的气候制定相应的飞行时段，一般选择上午10点至下午2点之间[2]；③重叠度设计问题，根据测绘区域地形地貌变化特征制定相应的旁向重叠度、航向重叠度等参数；一般旁向重叠方向以平行于测绘区域边界的首末航线敷设，并位于测绘区域边界外侧，而航线重叠方向按照超出测绘区域边界设计基线长2倍进行。

图1 无人机倾斜摄影测量技术流程示意图

2.2 无人机倾斜影像获取

在上述准备工作的基础上，对测绘区域进行地形地貌踏勘工作，对地形地貌变化大的区域根据实际状况划分飞行子区块，即将测绘区域根据地形地貌变化划分为不同的飞行区块，再根据不同区块特征设计飞行高度、航向重叠度、旁向重叠度等参数[3]。

本文所举例的测绘区域地形地貌起伏变化适中，不需分割飞行区块。因此，本次设计飞行速度为70km/h，航线敷设方法为东西向，相对航高为200m，平均地面分辨率为0.06m，设计航向重叠度为75%，设计旁向重叠度为65%，最终地形图成图比例为1:1000。此外，在使用无人机倾斜摄影过程中，虽然摄像机实现了多视角拍摄的技术条件，但难免受地形地貌、高大树木遮挡等因素的影响，导致摄影出现“留白”等问题。为了提高摄影质量，在飞行摄影之前需要在测绘区域建立相应的像控点及加密点。在实现无人机倾斜影像获取及预处理后，将测绘范围内的影像投影至虚拟影像中，可以有效的减少突出地面竖直物体的重影现象，进而提高无人机摄影影像质量。

2.3 像控点测量

像控点测量工作是无人机倾斜摄影测量必不可少的环节，是提高无人机倾斜摄影测量质量的主要手段之一。因此，加强地表像控点布设的合理性至关重要，如像控点一般布设在地形无争议、较明显区域等。空中三角加密测量也是提高无人机倾斜摄影测量精度的重要方法之一，但是空中三角加密测量并不完全取决于测绘区域地表像控点的密度，而是与测绘区域的地形地貌和像控点均有较大的关系，如在复杂地形地貌区域，为了提高测绘质量可在规范要求密度基础上加密布设像控点，而在地形地貌变化范围小的平原区域，可适当的降低像控点的布设密度。

像控点的布设质量直接关系着无人机倾斜摄影测量质量，因此，在布设像控点过程中应注意以下几点内容[4]：①若像控点位于飞行子区块之外，则该类像控点以控制测量整个测绘区域为基础，因此应布设在测绘区域边界线以外，且位于航向大于100m、航向基线不少于1条的区域；②若像控点位于航线两段，则要求像控点的左右偏离半径不大于半条基线的长度；③像控点的布设位置应该不存在地形争议，即布设于地形易识别的区域，此外，像控点的标准必需是清晰的，一般选择地块角、房角等地物，若像控点为多个地物的交汇部位，则必需满足多个地物的交汇角介于30°～150°之间；④像控点一般布设在周边地形变化较小的区域，如山头等部位，可以有效的提高无人机倾斜摄影测量精度；⑤像控点布设应避开植被发育、墙角等部位，防治在飞行摄影过程中因遮挡而无法获得像控点的信息；⑥像控点的布设位置一般选择交通条件方便、易于保存的区域，可作为二次矿山测量的水准点等。

2.4 空中三角加密处理

无人机倾斜摄影测量技术与无人机直射摄影测量技术相比，前者实现了多角度获取测绘区域影像资料的目的，明显降低了摄影盲区的弊端。但是，无人机倾斜摄影测量在实际获取测绘区域影像数据时，受地形地貌变化、高大树木遮挡等问题仍然出现测量空白区域，或者出现地面控制点达不到实际需求等现象，导致最终的测量精度明显降低，此时需要进行空中三角加密测量[3]。空中三角加密测量技术可以弥补上述不足之处，主要依赖于对影像外的方位元素的准确预算上，使用数据处理软件将地表干扰因素剔除，进而提高测量精度的方法，尤其是对地形地貌复杂区域的测量精度具有较明显的改善。

因此，在获取测绘区域摄影数据的基础上及时的检查摄影数据质量，若影像质量不满足基本需求，应及时开展重新摄影测量工作，对于满足基本要求的摄影数据在预处理、校正后进行空中三角加密测量处理，再输出相应的加密校正成果，如DSM等。

2.5 数据采集与三维建模

大比例尺矿山地形图的三维建模是实现数据采集的基础，在经过影像数据处理软件的几何校正、平差处理、多视角匹配等操作的基础上，进一步获取测绘区域的三维倾斜模型。在此基础上采用倾斜摄影配套的数据处理软件获得测绘区域地物、地形信息，即数据的采集。数据的采集主要包含三个方面的内容：一是地物要素的人工采集过程，即通过手动的方式采集测绘区域像控点信息，提取建筑物轮廓等；二是自动获取三维地形信息，主要指的是等高线、高程点信息的自动化提取，仅需要后期人工整饰处理即可[4]；三是遮挡等问题的处理过程，以摄影影像数据为基础，结合全站仪水平测量等对遮挡区域进行补充测量，弥补测量“空白”等问题。此外，在数据采集过程中要根据输出地形图比例尺大小等确定等高距、高程注记点的疏密等，以图形表达美观、符合规范要求为基本原则。

2.6 外业调绘及补测

上文已述及，虽然无人机倾斜摄影测量在很大程度上降低了摄影盲区等问题，但仍然不可避免的受地形地貌、植被发育状况、建筑物分布等因素影响出现摄影盲区，即无法通过摄影测量获取上述区域的地形信息等，此时需要借助其他测量技术方法进行外业补测等[2]。因此，在影像数据内业处理过程中将摄影盲区标注出来，及时的开展外业实地调绘和补测工作。另外，对于内业处理过程中存在争议的地形地物也应标注处理，进而通过外业调绘或者补测解决，可提高无人机倾斜摄影测量精度。

3 结语

综上所述，无人机倾斜摄影测量技术在大比例矿山测量中具有明显的应用优势，通过实际测量实践表明，无人机倾斜摄影测量能够在较短的时间内完成测绘任务，提高了社会服务效益，获取的大比例尺地形图平面位置中误差为6.5cm，高程中误差为12.6cm，测量精度完全满足相应比例尺误差要求。因此，将该技术广泛的应用于现代化大比例尺地形图测绘中，不仅提高了测量精度，而且降低了测绘更本。