倾斜模型在矿山测绘内业制图中的应用

李 行，陈 朵

（1. 河南省地质矿产勘查开发局第四地质勘查院，河南 郑州 450000）

山水林田湖草生态修复治理是近年来国家重点强调的生态文明建设的重要组成部分。南太行（鹤壁市淇县）生态修复治理区内多为关停的采石矿山，由于持续多年的无序开采，矿区地形地貌遭到严重破坏，形成多处高陡平台和危岩体，采用人工进行实地大比例尺测图难度较大，部分高悬平台无法实测，攀爬对人身安全也存在一定的威胁。传统的外业人工测绘在作业效率、测图精度等方面已难以满足测图的需求。无人机倾斜摄影测量技术是近年来兴起的一种新型测绘手段，颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限[1]，在获取近地高分辨率遥感数据的同时，可进行三维建模和模型立体量测，已在城市三维数据获取方面得到广泛应用[2]。作为国际测绘领域的一项高新技术，倾斜摄影测量技术因其能快速、高效获取客观丰富的地面数据信息，在信息化测绘领域进行了诸多探索[3]。本文首先利用倾斜摄影技术在鹤壁市淇县山区获取高精度倾斜摄影数据，然后通过内业在三维模型中提取地形图要素进行制图，最后利用外业实测控制点对内业提取信息的精度进行验证[4]。

1 倾斜模型数据获取

1.1 治理区位置

治理区位于河南省鹤壁市淇县境内，地处北部太行山东麓和华北平原的过渡地带，属侵蚀剥蚀低山和剥蚀丘陵地貌，地势总体北西部高、南东部低，地形起伏较大，区内沟谷较为发育，均为季节性沟谷，大部分沟谷内岩石裸露，第四系覆盖层较少。由于气候干旱，治理区内植被以草地和低矮灌木为主。

1.2 无人机参数

治理区采用飞马D2000无人机，系统标准起飞重量为2.8 kg，标准荷载为200 g，续航时间为74 min。本次搭载D-OP3000 五镜头倾斜摄影模块进行航测，可同时从垂直、前视、后视、左视、右视5 个不同视角采集影像数据，如图1、表1所示。

表1 D-OP3000倾斜摄影模块参数

图1 无人机设备

1.3 内业数据处理与三维模型构建

航测数据经过原始数据检查、数据预处理后，利用瞰景Smart3D 软件，结合像控点数据和POS/GPS 数据进行空中三角测量，这是无人机影像内业处理的关键部分[5]。其目的是通过影像匹配提取连接点和部分地面控制点，将全部区域纳入已知的控制点地面坐标系中，获得每张影像的外方位元素和加密点的地面坐标。在空中三角测量精度满足要求和空中三角测量关系模型无明显错误后，可进行三维模型构建[6]。

2 基于倾斜模型数据制作地形图

无人机航测生成的倾斜模型是一种直观的三维数据，利用CASS 软件的CASS 3D 插件功能可直接在模型上进行坐标提取、线段量测等操作，并在软件绘图界面同步等精度显示。这种模式的视觉感受与现实世界非常接近，可通过拖拽、旋转、缩放等操作清晰地判别地形要素，并以一种不同于传统立体测图的方式进行采集，可实现三维环境采集、二维环境同步显示[7]。软件界面如图2所示。基于倾斜模型数据制作矿山大比例尺地形图的主要原理为对根据现实地形生成的三维模型数据进行逆向推衍，描绘模型的过程就是“外业”数据采集的过程。

图2 CASS 3D加载倾斜模型界面

2.1 测区内区块的合理划分

地形图测绘应遵循先整体、后局部的原则。治理区内的地貌主要分为周边原生自然地貌和中心区域人为破坏地貌，前者地形规整，绘制难度较低；后者地形切割，坎崖密布，绘制较为复杂。本文利用道路、坎崖线等特征线状地物，将治理区分为若干个子区块进行制图。这种制图方法的优势为：①复杂问题简单化，提高了作业效率，子区块内地形相对简单，降低了绘图难度；②最大程度地降低对计算机性能的要求，大范围高密度的高程点数据同时参与模型和平面图的三角网组网计算，对计算机的算力负荷较大；③绘图过程容错率高，将绘图过程模块化，一个区域模块绘制不受其他区域因素影响。

2.2 高程点提取与等高线绘制

测绘等高线是地形图测绘的核心步骤，等高线的精度很大程度上决定了地形图的精度。考虑到实际操作的可行性和测图精度要求，高程点的密度应结合地形情况适当选取。以治理区周边一处原生山丘为例，首先以道路边线为界，在模型上提取范围线，并提取线上的高程数据；再利用CASS 3D插件“提取范围内高程点”功能，提取模型上区块范围线内部的地表高程点，以5 m间距提取高程点；然后利用CASS软件的“高程点生成数据文件”功能将范围线上和内部的高程点生成一个DAT 格式的文本文件，建立DTM 模型（图3）；通过放大观察可知，DTM 三角网对地表的贴合程度较高，未发现明显异常高程点（图4）；最后删除区块外多余的三角形，存盘后根据三角网即可生成区域内等高线。

图3 建立DTM模型界面

图4 过滤三角形网界面

对于治理区内因石料开采而形成的高陡边坡，上述方法同样适用，特别需要注意的是，应提高区块内的高程点密度，提取间距建议设置为1～2 m，如图5所示。

图5 高陡边坡等高线绘制界面

2.3 线状和面状地物的提取

治理区内的线状地物主要为道路边线、沟渠边线、挡土墙中线、地块边界和斜坡顶底线等。对于这些要素可直接在倾斜模型上进行描线处理，在模型描边的过程中应注意线段不能悬空或坠落，一般将视图界面调整为侧前（后）方观测目标地物为宜，避免在平视、俯视甚至仰视视图状态下描绘模型上线状地物。面状地物在线状地物的基础上进行绘制，应详尽表示治理区内渣堆、斜坡、平台间的高陡石崖，对于林地、耕地、草地和荒地等也应准确绘制边界和符号。

2.4 图面要素的完善

倾斜模型数据提取完毕后，应补充图名、图例、比例尺、指北针、控制点、坐标系、里程网等其他必要的图面要素。

3 精度分析

地形图测绘完成后，需评定1∶500地形图成果的数学精度[8]。为检验基于倾斜模型制作地形图的精度，本文采用RTK技术对治理区内的挡土墙工程进行了挡土墙顶面中线采集，并采集了一些测区内不同高度的散点，以这些实地测量的检查点坐标作为地形图精度的检核点，对其进行精度验证。

精度分析实地测量30个坐标点，主要从平面精度和高程精度两个方面进行精度验证，其中检测的挡土墙位置如图6所示。

图6 黑色加粗的挡土墙

平面精度检测采用描图法，首先关闭模型窗口，在右侧平面制图区顺序连接实测的挡土墙拐点坐标点位；然后打开模型窗口，在模型内对相应位置的挡土墙进行中线描线，在右侧平面图上同步生成挡土墙中线线段；最后对比实测挡土墙中线和模型描线的挡土墙中线。结果表明，两条线段几乎重叠，误差均在10 cm 以内，约90%的挡土墙长度范围内偏差集中在5 cm以内。

图7 高程检测点精度分布

根据平面精度和高程精度的分析结果，对照GB/T 33176-2016《国家基本比例尺地图1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形图》的相关规定可知，精度满足1∶500比例尺地形图的精度要求。

4 结 语

本文具体介绍了利用无人机倾斜模型制作矿山大比例地形图的内业作图流程。倾斜摄影测量方法计算土方量普遍适用于各种地形和工程项目，计算精度可靠[9]，可为南太行地区的矿山生态修复治理工作提供有力的测绘技术支撑；同时该方法具有省时高效的特点，适用于类似区域快速准确测绘大比例尺地形图。