无人机摄影测量技术在矿山建设中的应用

康宏民，冯文娟，刘宗霞

（山东兖矿设计咨询有限公司测量科，山东 邹城273500）

在矿山开采设计与矿山施工监理工作中，众多影响因素使传统的测量方法不能收集完整的信息数据。尤其在矿山建设初期进行测量工作时，道路设施不完善，测绘工作难开展，人员无法到达一些山沟和树木茂密地方，所以测量数据误差大，测绘工作效率较低，大比例尺地形图测量难度非常大。如果使用无人机摄影技术，能够发挥倾斜摄影的全面性，消除常规摄影的局限性。通过搭载不同的荷载组件，能够实现矿山全景信息建立，充分展现矿山全貌[1]。

1 无人机倾斜摄影测量技术特点

1.1 测绘无人机种类及特点

常见的用于遥感测绘的无人机分为2 种：多旋翼无人机和固定翼无人机。

1.1.1 多旋翼无人机

优点：操作简单，轻便，造价相对低廉，可以定点悬停，适合拍摄细节照片。

缺点：续航时间短，消费型无人机搭载镜头后飞行时间在30min 以下，工业级多旋翼无人机飞行时间能达到50min 以上，在大面积，长距离的测绘项目中备受局限。

多旋翼无人机适合航拍，环境监测，侦查，建筑建模，灾害治理，特殊物体运输等小区域应用，所以在小面积工广区测量的信息采集上，宜选用多旋翼无人机。

1.1.2 固定翼无人机

优点：续航时间长，抗风能力强，拍摄范围广。

缺点：无法完成细节精细测量，工业级无人机费用高昂。

固定翼无人机适合大面积航测，可用于区域监控，管道巡线，应急通讯，矿山输电线路测量等应用场景。

1.2 无人机测量搭载的设备

无人机可根据现实需求，搭载不同设备以实现不同目的。在测绘领域，常用搭载设备有高像素摄像镜头和三维激光雷达。

1.2.1 高像素摄像镜头

倾斜摄影测量技术需要搭载摄像镜头，通常像素要求高于1200 万像素，目前镜头技术从单镜头发展出五镜头，三旋转镜头等方式，五镜头包含1个垂直摄影镜头，4 个倾斜摄影镜头，可实现飞1 条线拍出5 个方向的照片。

1.2.2 激光雷达扫描仪

机载激光雷达（LIDAR）是对倾斜摄影测量技术的有力补充，由于倾斜摄影测量形成的模型是通过空三加密计算而成的，并非直接测量所得，在面对高压线塔、电线杆等细高地物时，往往无法形成准确模型，而激光雷达获取的是物体表面的点云数据，具有可穿透树叶等特点，所以在某些必要场景，可通过无人机搭载激光雷达进行数据采集。

1.3 倾斜摄影技术测量原理

传统空三测量对倾斜影像数据处理效果不理想，所以需要结合飞机传感器提供的POS 外方位元素数据进行联合平差，同时结合现场布设的控制点进行联合平差，通过误差方程解算出影像的外方位元素，以前方交会的形式求出点位的三维坐标[2]。

倾斜摄影测量还用到了多影像密集匹配技术，利用求得的外方位元素构建立体像对，采用多影像匹配技术获取密集点云数据，由于多角度摄像形成了大量冗余点云数据，所以可以通过这些冗余数据校正错误的匹配信息，提高点云数据精度。

经过多影像密集匹配后得到了能够表达地物表面起伏的高分辨率数字模型（DSM），通过软件分析，将合适的影像像素与DSM 融合，形成统一的数字表面模型。再经过正射影像纠正步骤，建立全局优化采样策略，联合几何延伸特征进行纠正，最后才能得到我们所需要的数字模型[3]。

2 测绘流程

2.1 外业航测工作

外业工作以安全高效完成测区拍摄为目的，要注意飞机安全、禁飞区、风速影响、测区大小合理性等问题，严格按照技术要求布置相控点、检查点，以保证测绘质量。外业航测流程如图1 所示。

图1 外业工作流程

注意事项：在野外环境中，存在大量树木遮挡的情况，会造成山体实际地面、坡坎、山沟等位置的信息采集盲区，解决此问题可使用大疆精灵4 无人机对低空树下区域进行手动控制拍摄，将拍摄的照片加入其它照片中联合建模，可有效改善摄影盲区的建模质量。

2.2 内业建模工作

建模软件各有特点，这里以CongtextCapture 建模软件为例，CongtextCapture 对计算机集群处理模型有优势。

首先查看并寻找地面喷涂相控点的像片编号；在使用ContextCapture 导入多视影像后，检查所有控制点在照片上的位置和坐标数据，完成空三测量[4]；注意选择输出的坐标系，如果需要生成后的模型与控制点高程统一，则需要对POS 数据进行高程修正，这需要通过3 个以上控制点经过反算求出七参数，再将POS 数据里的大地高修正为控制点的高程。最后注意选择要生成的模型格式，这取决于后续将要使用的模型处理软件需要哪种格式。建模流程如图2 所示。

图2 建模流程图

2.3 绘制CAD 线画图

生成模型后，还要根据模型绘制出相关设计所需要的二维线画图。图3 为储煤场三维模型截图，不但可以使用EPS、CASS-3D 等软件绘制出传统的矿区工厂平面图，还可以通过体积计算出储煤量，随时掌握煤场实际储量；在矿区建成后某些皮带廊加固或建设项目中，会涉及建筑物的立面测量，立面出图测量是传统测绘手段的薄弱环节。通过选用带立面测图功能的EPS5.0 版本软件，可有效解决测绘专业绘制立面图的难题。

图3 储煤场实景三维模型

3 精度分析

为检验人工提取的建筑物外轮廓及立面的精度，随机选取了两栋建筑物进行精度评价。利用全站仪对建筑物4 个角进行平面和高程测量，得到的数值与通过模型提取的线画图比对，精度满足1：500 地形图的精度要求，结果如表1 所示。

表1 全站仪测点位与模型点位数据精度统计（cm）

4 结 论

利用无人机倾斜摄影测量技术给矿区地形建模，能够方便的获取矿山建设需要的各种基础数据，精度满足工程建设及设计要求。受益于无人机及影像处理技术的发展，测绘工作越来越灵活，手段越来越先进，不但有利于设计工作的质量把控，生成的模型数据也更有价值，对于矿山建设、生产的全生命周期都具有重要意义。