倾斜摄影测量技术在露天矿监测中的应用

侯雪晴，邓文彬*，李盎然

（1. 新疆大学建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐 830046）

第一张航空倾斜影像由Black J W 于1860 年在美国波士顿拍摄获得。20 世纪30 年代美国地质调查局和陆军工程兵部队利用Fairchild T-3A 五镜头组合摄影进行测图、勘测和侦查，早期获得的胶片倾斜影像主要用于军事目的[1]。2010 年4 月，随着北京天下图数据技术有限公司的第一次引入，该项先进技术在我国开始不断地探索与发展。2010 年10 月刘先林院士团队率先研发成功了第一款国产倾斜相机SWDC-5，并成功完成了平顶山实验，是国内倾斜相机的一大突破[2]。现如今科学技术的发展越来越快，高新技术层出不穷，无人机倾斜摄影测量技术的三维建模精度也在不断提高，三维实景模型在各行业中的应用日益丰富。为保证高质量高效率地进行各项工程，仍需对倾斜摄影测量技术进行研究与探索，不断提高三维建模的精度，使其发挥更大的作用。

1 倾斜摄影测量技术

在同一个飞行平台上搭载5 个传感器，同时从垂直和4 个不同的倾斜角度采集影像，记录航高、航速、航向和旁向重叠度、坐标等参数，再对倾斜影像进行分析和整理[3]。

1.1 倾斜摄影系统原理

倾斜摄影系统起源于ADS40 三线阵数码相机，可从前、后、下3 个角度测量地物的三维数据。将其应用于地物勘探等过程中，能发挥极大的价值[4]。发展至今，倾斜摄影系统已由单镜头拍摄发展成为多角度自动拍摄。将其与航摄仪相结合，能通过旋转装置及时获取不同方向的倾斜影像，再将所得的影像与垂直影像相结合，能为地物勘探、航空航天等领域提供参考，应用价值显著[5]。

1.2 倾斜摄影成像原理

倾斜摄影是摄影机主光轴明显偏离垂直或水平方向并按一定倾角进行的摄影。倾斜摄影装置一般包括下视、前视、后视、左视、右视[6]5 个高分辨率相机，其中下视为垂直摄影，用于制作DOM 等；其余4 个方位的相机用于获取地物侧面纹理影像，倾角一般为15～45°，如图1所示。

图1 倾斜摄影成像原理图

2 三维重建流程

2.1 研究区概况

本文选取的测区为河北省井陉县**矿，地理范围为114.217 8～114.221 7 E、38.042 4～38.057 9 N；位于河北省井陉县上安镇白王庄村，主要开采石灰石、石膏等。已有资料包括该矿区的谷歌卫星影像，影像级别为16，分辨率为1.88 m/像素。

2.2 影像数据获取

2.2.1 摄影要求

1）软、硬件环境及其要求。本文采用五镜头倾斜摄影测量相机，重量为2 100 g，镜头的等效焦距为28 mm，总像素大于1 亿，最大影像分辨率为2 cm。航空摄影的飞行时长为45 min，起飞重量为17 kg，飞机上升上限为1 500 m，控制半径为10 km，巡航速度为6 m/s，升降速度为5 m/s。具体的飞行速度根据航高、重叠度等要求进行适当调整。

2）摄影环境要求。选取光照条件较好的时段进行航空摄影（阴天且光线充足），以保证航摄仪获取的照片颜色饱满、影像阴影较少。

2.2.2 航线规划

由于测区为不规则形状，为避免航线过长、一次处理的数据量过大，可对航线进行适当调整，使得区域内模型完整，如图2 所示。本文设置的航向重叠度和旁向重叠度均为80%，航高为80 m。根据测区实际情况，可做一些简单的调整，如在地势较高的区域相应提高一些航高。

图2 航线规划示意图

2.3 内业处理

本文采用的数据处理软件为ContextCapture Cen⁃ter。该软件可利用简单的照片生成具有高分辨率的真实三维模型，对数据拍摄要求较低，且数据处理过程具有半自动化、高伸缩性和高效性等特点。整个数据处理过程是全自动的，通常可在数小时内完成数据处理。

Context Capture Center 包括Master、Engine、Acute3d Viewer等模块，其中Master为主控模块，负责导入照片、提交空三加密、重建模型等；Engine 模块为引擎模块，负责控制任务的先后顺序、结束以及提交任务的优先等级，主控界面的所有任务均需在引擎打开的状态下进行。

技术流程如图3所示，可以看出，空三加密是整个过程中的关键步骤，决定了三维重建的精度。按照数学模型，空三加密方法可分为航带法、独立模型法、光束法3 种[7]。首先将原始数据整理好，然后将做好的block 文件或txt 文件导入新建的工程中，导入后再一次检查照片和POS数据是否一一对应，若呈现的拍照点位置与真实航线一致，则可提交空三加密任务；最后待进度条行进至100%，空三加密结束，导出空三加密成果。

图3 研究技术流程图

空三加密后利用软件生成测区高分辨率的实景三维模型，局部如图4所示，分辨率为0.2 m。

图4 实景三维模型

3 应用前景

与传统测绘方式不同，利用倾斜摄影测量技术可快速获取测区多角度影像，再经内业处理得到测区的实景三维模型。该三维模型可根据任务的不同，在不同软件中进行应用分析，获取所需信息，为后续工作提供可靠依据。

3.1 基本信息提取

利用SuperMap软件进行矿区面积的量测，能实现对矿区开采过程中的监督管理。通过量测可知，矿区的整体面积约为113 505 m2，单个矿坑面积约为6 119.67 m2，如图5、6所示。

图5 测区面积

3.2 填挖方量分析

开采过程中形成的较深矿坑，在废弃后应进行一些治理工作，首先根据利用倾斜摄影测量技术得到的测区实景三维模型进行地形情况分析，确定需进行平整的矿坑范围；然后利用软件进行填挖方量分析。利用三维数字地球软件对单个矿坑进行填挖方量分析的结果如图7、8 所示，其中蓝色区域为需要开挖区域，红色区域为需要填补区域。

图6 单个矿坑面积

图7 填挖方示意图

图8 填挖方量汇总

4 结 语

随着科学技术的不断发展，倾斜摄影测量技术也在不断创新与发展。通过对软件和技术流程的不断研究与探索，三维重建的精度也在不断提高。高精度的实景三维模型在未来将会发挥更大的作用。本文仅结合三维模型做了一些基础的应用分析，突出其可行性，在未来的研究发展中，需不断加深对三维模型的研究；还可获取测区的多期影像，得到不同时期的三维实景模型，进而利用模型对露天矿边坡的稳定性进行分析。