无人机摄影测量在矿山测量中的应用

英配珣

近年来，信息化建设突飞猛进，基础地理信息空间数据呈现爆炸式增长态势。伴随航空航天事业的快速发展，国民生产中越来越多环节逐渐利用摄影测量技术进行生产建设。我国基础测绘十四五规划中对于建设实景三维中国提出了明确要求，明确提出了建设“实景三维中国分两步走”的战略。摄影测量工作是获取三维模型、开展实景三维建设的重要内容之一，倾斜摄影测量等新型勘测技术的出现，满足了建设实景三维中国的技术需求。相比于航空摄影测量依赖于天气条件以及作业范围较大的特点，以无人驾驶飞机为空中遥感平台的技术，解决了在较小区域进行摄影测量的难题。当前无人机摄影测量已经能够满足1：500、1：1000、1：2000等大比例尺地形图精度要求，在地形图测量中有着广泛应用。传统的测绘作业已逐渐被无人机摄影测量所替代，无人机摄影测量在农业生产、测绘地理信息、防灾减灾、交通等领域发挥着重要作用，其中最广为应用的技术为倾斜摄影测量技术。

矿山施工作业项目中不可或缺的一部分是矿山测量。矿山的测量工作是一项集地上与地下于一体的工程，不仅要服务于矿山的生产建设，而且要确保矿山的安全，确保社会的稳定。因此，矿山测量在矿山开采作业中承担着重要责任、发挥着重要作用，在矿山开采前、中、后都承担着重要角色。由于矿山地形复杂，矿山测量过程中任何微小误差或粗率都会对矿山开采过程产生较大影响，因此需要高精度测量手段保证矿山开采工作的有序进行。

传统的矿山测量方法主要利用全站仪等手段，采用传统全站仪、RTK等测量方法进行高精度测绘工作需要耗费大量时间和人力，且需要携带大量沉重仪器，开展测绘工作极不便利。随着数字矿山概念的提出以及无人机倾斜摄影测量技术的发展，矿山管理中对于空间三维信息也提出了更高要求，矿山测量要求外业作业速度快、测量精度高，三维可视化的测量模式正逐渐代替传统测量方式，成为数字矿山的主要内容之一。

研究背景

倾斜摄影测量是一种在国际上比较新颖的测量方法。在飞行过程中，无人机可以搭载多个传感器，有一个正射角度和四个倾斜角度，在相机倾斜状态下拍摄多个视角的实际地质调查图像，并以影像数据形式表现出来，与此同时无人机记录下飞行时的点位信息。使用倾斜摄影技术，可以产生正射影像（DOM）、矿山三维模型、数字表面模型（DSM）这样的可视化成果，从而捕捉到地面的相关真实信息，反映地表真实状况，以便于解决后期矿山开采中如何施工等技术问题，避免测量人员到现场测量带来的安全性问题。无人机测绘具有数据采集准确、结果三维可视化程度高、耗时少等优点。露天矿环境复杂多变，新一代轻型、微型无人机测量技术上取得了突破性进展，使无人机测绘工作内外业实现常态化且能够自主进行。当前，倾斜摄影测量在露天矿测绘中的应用正逐步扩大，其主要内容包括：地面、土石方量测定、矿区以及植被覆盖率的监测、矿区危险源的识别和景观地貌的测量等，在测绘生产实践中，传统的测绘手段逐渐被倾斜摄影测量技术所取代，进而被广泛利用。

土石方量的计算在众多领域生产建设中都有所涉及，其计算精确性关系着生产建设项目的准确性，会直接影响到生产项目的经济效益。计算土石方量是为了量算测区填挖量或者计算测区内填挖前后的土石方量差值，传统工作中，通常采用断面法、方格网法以及三角网法（也称作DTM法）这三种方法来确定土方量。倾斜摄影测量技术计算土石方量的原理与三角网法相同，通过获得高分辨率DSM来反映地表起伏特征，该方法普遍适用于各种地形地貌。

基于以上背景，应北方某地区一矿产公司实际需求，同时结合矿山测量中三维数据更新需求，本研究以该地区一露天矿山为例，对其进行了倾斜摄影测量，协助该公司核算工作量，利用无人机倾斜摄影测量技术测算土石方量。

无人机倾斜摄影测量

无人机倾斜摄影关键技术

多视点联合平差和多视点近距离匹配是倾斜摄影测量的关键技术。由于无人机飞行涉及多个视角，多视角图像包含了垂直和倾斜图像，甚至需要POS系统配合提供无人机相片外方位元素。倾斜影像一般由一个下视和多个侧视影像组成，其空间位置精度较高，远远优于传统的单镜头航摄影像。像控点之间的跨度应结合下视影像地面分辨率。

多视影像密集匹配可以在完全计算和消除多余信息的基础上准确快速地获得同名点的坐标，从而进一步确定地表物体的三维信息。在多视影像密集匹配之后，图像可以进一步生成DSM，这需要使用基于几何校正、平差等方法的点云算法。

无人机倾斜摄影测量作业流程

影像获取

起飞前，需要检查飞机硬件是否正常以及电池电量是否充足；开始作业前，需要勘察周边测区的地形地貌以及航测范围的起伏程度并进行航线规划。目前，航空摄影作业主要有两种情况：无需控制点和需要控制点。如果不需要控制点，就可以在规定的范围内，设计一条航线，进行航拍操作。如果是需要的控制点，那么要把控制点均匀地布置在各个作业范围内。无人机倾斜摄影测量作业前，要充分考虑航测任务目的、施工作业周边环境、执行任务无人机性能、作业当天气候条件等因素，设置无人机航线相关参数，参数包括无人机飞行航高、拍摄扫描相片重叠度、无人机飞行任务起降点等，从而确定最佳的、具体的飞行航线。

布设像控点需要注意涵盖测区各个方位，做到在测区内均匀分布标注清楚像控点，像控点选取要求做到视野开阔、分布均匀，以确保无人机可以清晰拍摄。数据处理是无人机倾斜摄影的重要组成部分，其主要内容为：影像预处理、高精度相机检查、影像匹配、空中三角自动测量、DSM/DEM自动提取、DOM生成及拼接技术等。

作为一种搭载有测量设备的平台，无人机还需要达到一定的技术指标和相关参数要求，这就包括了无人飞行器的位置控制与精密定位技术两个部分。通过无人飞行器的位置控制系统来调整其瞬时转角、俯仰角和滚转角，其与描述相片空间姿态的要素相对应；利用无人飞行器的精密定位技术，可获取被测时刻的无人飞行器的瞬间空间位置。无人机与测绘仪器摄影中心在空间上的定位是比较固定的，能够进行简单的空间位置转换。

倾斜摄影测量对地物进行信息采集，有着多角度、多方位的优势，从而能够获取更多三维信息。测区选好后组织人员在测区范围内制作高精度检查点标识及采集检查点坐标，并计算测区范围内不同坐标系之间的转换参数。为了保障露天矿山地表信息采集精度，一般来说，裸露矿山因地物简单，需要对矿山附近地形进行建模，航向重叠度为77%，旁向重叠度为47%。由于三维建模的需要，因此在实际作业过程中，无人机倾斜摄影测量对于影像分辨率、航线重叠度要求较高，以保证空间位置计算结果更加精确。对矿山中选定的某区域进行倾斜摄影测量后，对所获得的数字影像进行校正，借助空中三角测量处理软件，对影像数据进行分析。在航空摄影中应用最为广泛的是空中三角解析法，对于空三加密基本定向点残差限差的要求为倾斜影像分辨率的2倍，以此标准对航空测量的影像进行加密，并将二维的图像转换为三维密集点云。

测区为不规则多边形，面积约1.2km2。在测区东侧有近似均匀等高梯形田地，人工目测高差较大，矿区中部为生产堆积区域，右侧为填方区域，生产堆积区域及填方区域后期需计算体积。作业时间正处在北方初春时节，风沙较大，容易对无人机低空作业产生较大影响，尤其起风后需对无人机采取较高等级防护措施。本露天矿测量项目的要求主要体现在：可交付成果为点云或DSM形式；精度要求为10cm；若生成DSM数据，需要每隔10cm布设一个测量点，数据采集时间为1天，无人机航摄坐标参考系为CTRF2000，投影坐标系为CGCS2000，垂直参考基准为大地椭球高。

项目研究使用飞马多旋翼无人机D200，针对露天矿山的特殊地形及测绘作业环境进行了设计，可搭载包括正射相机、倾斜相机、三维激光LiDAR等多种传感器，同时可以适应多地形飞行，以满足矿山测绘的不同工作需求。本研究用该无人机搭载单镜头倾斜相机、机载LiDAR传感器获取测量数据，验证其点位及高程精度，进而将其应用于露天矿土石方量的计算。考虑到测区较小且并不完全规则，因此飞行作业采用外接矩形将测区包括在内，以此降低航摄难度。

根据选定目标区域，事先在测区内布设足够多的高精度检查点，待飞行完成后，通过对比相应检查点及地物特征点的平面和高程差异评定无人机的航测精度。设置系统参数，航高设计90m，无人机可自动进行航线规划。布设12条航线，呈多“井”字形，输入点云密度或飞行高度以及无人机飞行速度，使用数据处理软件自动进行点云处理。

飞行前作业人员做好目标区域飞行可行性分析、地面基站准备、飞行航线上传、无人机通电等一系列准备工作。作业人员遥控无人机起飞，在无人机飞行高度超过30m后，机载激光测量系统开始采集数据。数据获取任务完成后操控无人机返航；在数据处理软件中导入数据，经过轨迹解算，作业人员利用点云融合软件进行点云融合，生成点云数据（.las文件）；依据点云进行三维建模，计算土方量。实际作业过程中，需要对无人机飞行状态进行严密监测，以往出现意外发生事故。

基于无人机倾斜摄影测量的土石方量计算方法

为了测试基于无人机倾斜摄影测量的土石方量结果精确性，本文以实际作业中的无人机倾斜摄影测量结果与全站仪外业测量结果做对比，比较精确程度。

内业处理

根据一组倾斜影像可以自动生成高分辨率三维模型，该模型能够完整准确反映出测区内地形地物特征。对经过图像质量检验的照片进行几何影像匹配，从而获取系数点云，然后利用相关算法对其进行加密，形成密集点云。

对点云轨迹进行解算，解算出点云的轨迹文件。进行航带渲染，如果大于限制则进行航带平差，直至航带拼接处不存在明显问题。基于原始点云数据和轨迹文件计算输出标准化点云成果。将点云数据进行自动分类，保证地面点密度满足规范要求，然后导出数字高程模型（DEM）。

土方量计算及数据统计

土石方量计算一般需要两方面数据：基准地形数据和待测地形数据。其中，基准地形数据是指挖方填方的基准地形数据，这类数据可以是点云数据，也可以DEM形成提供；待测地形数据就是等待计算土方量的新地形数据，其数据呈现形式与基准地形数据相同。土方量的计算在数据处理工具中有两种：基于DEM成果进行格网计算和基于点云构建三角网进行三角网计算。

使用3D Analyst工具一栅格表面一填挖方工具进行土方量的计算。输出栅格为最终提取出的开挖量。同时，将全站仪外业测量的高程点进行导出后确定原始面计算范围并基于土石方计算范围及填挖方土量。最终计算出的土石方量的对比结果，地块面积约为1.2km2，基于无人机倾斜摄影测量的挖方量计算结果为52416.1m3，而基于全站仪外业测量所得的挖方量结果为52394.9m3，两者相差21.2m3，

由计算结果分析可知，基于无人机倾斜摄影测量的土石方量计算和全站仪外业测量的土石方量计算精度差距很小。基于无人机倾斜摄影测量的土石方量外业1天时间即可完成，而基于全站仪测量的工作量长达4天。在精度相当的情况下，基于无人机倾斜摄影测量的土石方量计算效率大大提高。

随着矿区的不断开采，矿山遭遇着愈发严重的破坏，无人机倾斜摄影测量可以精确高效地测量出矿山被开采量，获取较为清晰的三维模型。通过对露天矿山进行倾斜摄影测量，可以获得高精度的DEM和DOM等数据。对比无人机倾斜摄影测量结果与传统全站仪外业测量结果可知：

（1）无人机倾斜摄影测量建模精度高，与正射影像相比可从多个方向观察地物；

（2）可实现对测量区域高度、长度、面积等多要素的测量，有效降低测量成本。

经过地理信息数据处理软件如ArcGIS等工具计算开挖土方量，其可以实现对矿井开采全过程的动态监控，为矿井的生产经营以及管理提供可靠的数据支撑。本研究将无人机倾斜成像技术应用于露天矿探测中，与传统测绘方式相比，这种新型测绘方式有着极大的优势。但为了跟上快速更新的无人机制造水平，电池的续航能力也值得引起重视，从而为新时代测绘工作贡献出更大的作用。但无人机倾斜摄影测量借助无人机飞行进行测量，对天气要求较高，大风、阴雨天气会严重影响测量精度，对于矿山地表覆盖满植被的情况下则失去作用，因此可采用无人机倾斜摄影测量与激光雷达结合的方法，提高外业测量精度，为测绘事业做出更多贡献。