基于无人机倾斜摄影技术的矿山地质测绘数据精度分析系统设计

吴晓林

（山西省第一水文地质工程地质队，山西 太原 030000）

无人机倾斜摄影技术在测绘时主要优势有很多，是因为无人机倾斜测绘有很多优点，首先就是它可以从多个角度来进行区域拍摄和测量。也就是在多个角度来提供更高分辨率的影像技术信息[1]，从而能建立起三维模式的数字模型。在无人机技术不断发展过程中，其倾斜摄影技能也被运用到多个领域。在进行城市建设、山地测绘中发挥着重要的作用，并且与传统垂直摄影技术比较，通过无人机倾斜摄影在进行测图工作过程中可以不再佩戴立体观测眼镜。对于工作人员而言有方便快捷。无人机使用倾斜摄影进行测量的过程是通过将各个摄影点进行前视、后视、右视、左视以垂直等五个角度进行测量，如此就能有效生成一个三维实景模型，通过分析整理、计算就能很快得到地理位置、地势情况以及纵横断面等各方面地域特征。然而以往的测量方式和方法，仅仅将各摄站点中心投影影像进行整合处理，由此生成正射影像，但是在如何有效分析出地物具体情况方面还是非常有限的。两者进行比较，无人机倾斜摄影测量可以有效生成正射影像，同时还能对于多个比例尺地形图进行测制，建立事物三维图像，对于地物有一个全面的展示，还可以计算出地物的纵横断面，为方便研究地物的各方面打下坚实的基础，从而更好地发挥其测量作用。

1 硬件设计

1.1 采集设备

首先需要注意的是采集的设备均为视频的影像输出设备，其次，准备的设备全都需要具有DICOM 5.0插口。准备的设备包含三台CCD相机，四台Panosonic高速扫描仪，两张型号为Avermedia的高清视频采集卡，一台GoPro Hero 7Black摄像机，一个PCIE采集卡，三台Osmo Action摄像机，最后还需要两个CCD摄像头。

1.2 设计传感器

由于方案需要很强的针对性，所以传感器的组成还有传感器的具体型号参数都需要清晰的了解，传感器的具体信息如下表（表1）。

表1 传感器组成型号和参数

由于现有无人机空中紧急情况调查和制图系统的负载能力有限，它们通常仅携带光学摄像机和低精度耦合惯性导航，并且很少使用专业的集成支架。在紧急操作期间，它容易受到无人机振动和大气湍流的影响。对于大多数传感器而言必须满足低温耐受性设计，工作温度通常为零下二十度或更高[2]。有人机的密封条件通常比较出色，所以有人驾驶飞机可以确保机舱温度满足传感器的运行要求。然而，在冬季，高海拔地区和寒冷地区，可能会发生紧急情况。由于无人机主体的气密性很差，所以改善集成传感器设备的不能耐受低温度特性的问题迫在眉睫。针对以上表达的这些观点，设计了传感器设备的结构、电气、外部接口和内部通信。具体设计思路是将光学摄像机、SAR、位置和姿态系统都安装在一体式安装座中。光学摄像机的镜头和SAR收发器的天线，这两个很重要的东西都要固定在滑环上。同时，滑环上还要牢固的安装定位和姿势系统，然后再将他们牢固地连接到集成式座椅框架上。从而确保所有测量设备的集成以及牢固的固定式安装。这不仅确保了设备之间连接到位而且设备之间明确分开，而且将天线替换后也提高了集成解决方案的可扩展性。完整的电源适配器仅在任务传感器系统的无人机中配有。四个电源通道分别用光学摄像头SAR、位置和姿态系统以及通过电源适配器集成的安装座所连接。无人机平台想实现任务传感器系统之间的数据传递，就必须先实现对无人机的工作状态进行监控和成像。成像后将地面控制子系统实时返回，并统计传感器系统的数据。定位姿态确定系统，就是通过接口将实时采集的位置姿态数据发送给航测控制器的系统。工作流程是将姿态数据与传输时间进行统计，保持尽可能稳定的原因就是要防止无人机震动对光学造成损害。摄像机和SAR获得会产生影响的信息并接收实时姿态信息，然后将这些数据进行联合空中计算的过程。

2 软件设计

2.1 分析无人机倾斜摄影的参数

使用无人机进行矿山地质测绘需要首先由工作人员进行实地勘探，然后才能放出无人机航空摄影，最后在计算机中进行影像数据的内业处理。具体的测绘流程如图1所示。如上图所示，在使用无人机之前需要首先有工作人员去矿山进行野外地形勘探，并选择像控点的地址。然后在选定的像控点实地布设并进行像控点的坐标测定。此时应同步计算像控点的摄影区间，判断无人机的航测范围是否大于摄影区间，若航测范围确实大于摄影区间则可以进行下一步，若航测范围小于摄影区间，则需要重新布设像控点。接着开始特征点和地物信息的补测，标定地物特征点，将电线杆、水井等不易判读的影像人工拍摄下来并做好标记。此时就可以放出无人机进行矿山地质测绘，需要依据航测范围的具体地形设定各项无人机飞行数据，调校相机参数，无人机在飞行过程中会自动开始摄影。无人机的飞行参数设置如表2所示。

表2 无人机飞行参数

无人机数据收集完毕之后，就可以开始内业工作。需要测绘内业工作人员利用ArcGis或者南方CASS等专业的绘图软件将无人机拍摄的影像资料拼接起来，生成一个完整的云数据正射影像图。然后经过数字成图处理，提取云数据并获取布设点坐标，最后得到矿山地质测绘的地形图。

2.2 实现高精度数据分析

在矿山地质测绘中，最需要注意的就是测出数据是否精确。三维数据建模是测绘时非常重要的一种建模方式，这种建模方式可以成功的提升测绘的精确程度，将分析数据做到最精确化。构建低质量的空间复合体是这种方式的特点，例如可以将整个大的区域划分成为低质量的几个小的层次，以此来将数据整合测绘，使测绘更精确。如图1所示。

图1 三维数据模型

3 实验研究

3.1 实验准备

必须将传统测绘系统与本方法设计的测绘系统放在同样的实验环境中，只有这样才能让实验的准确性最大化。将两组系统的传输数据量进行调查，对比两组实验传输的速度，将实际应用效果展示的更具体。

3.2 实验结果

试验过程中，通过两种不同的传输系统设计同时在相同环境中进行工作，分析其传输速度的变化。如图2所示。

图2 实验对比图

将实验结果对比，得到了有效结论，即与传统的矿山测绘相比，应用了无人机倾斜技术后设计出的新系统具有数据采集快，数据的精确度高等优点，可以成功解决测绘中的问题。

4 结语

综上所述，人们对资源的需求随着我国城市化进程的加快也在不断的增加。这种资源需求加速了我国采矿事业的发展，所以对于采矿的质量和速率要求越来越高，在这种条件下就需要新的测绘系统方式来取代传统的测绘方式。无人机倾斜系统就是在这种条件下发展而来的产物，这种测绘系统完美的解决了传统测绘准确率和效率都低的缺点，提升了测绘的精确度，对测绘数据的要求更加精细。因此，采用无人机测绘系统进行测绘数据精度分析，为我国经济发展作出了新的贡献。