基于无人机倾斜摄影的矿山地形测绘方法

叶柳栋

［关键词］无人机；倾斜摄影；矿山地形；测绘

无人机技术是指通过遥控或自主飞行的方式，使用无线电、红外线、激光雷达等多种传感器来进行实时监测和采集数据，并根据预设目标执行任务的一项现代化技术。随着科学技术的发展，无人机技术在民用和军事领域都得到了广泛应用[1]。在民用领域，无人机常被用于气象探测、航拍摄影、灾害救援、物流配送等方面；而在军事领域，则可以为侦察、监视等提供支持。由于其能够占领空中高地并且具有超强载荷能力以及长时间待机特点，在某些场合下甚至可以替代直升机或者固定翼飞行器[2]。未来，随着相关技术的不断革新与创新，无人机将会扮演更加重要和广泛的角色，并有可能成为未来智慧城市建设中不可缺少的一部分。

目前对矿山地形测绘的方法主要有两种，第一种是基于GIS（地理信息系统）的矿山地形测绘方法，主要依靠GIS软件和工具来获取、存储和分析可视化地质数据，通过对各种类型的地理数据进行处理，获得矿山地形测绘结果。另一种是基于遥感技术的矿山地形测绘方法，主要依靠使用测量仪器、卫星影像或其他采集设备获取地面数据和图像，通过对其进行处理，获得矿山地形测绘结果。由于以上两种方法在数据采集、数据处理等方面均存在不足，故其测绘效果欠佳。基于此，引入无人机倾斜摄影技术，完成矿山地形测绘方法设计。

1 基于无人机倾斜摄影的矿山地形测绘方法设计

1.1 建立矿山地形测绘模型

1.1.1矿山地形测绘数据库

对基于无人机倾斜摄影的矿山地形测绘方法首先需要建立矿山地形测绘数据库，如图1所示。

显示了矿山计量过程和测绘数据库结构。矿山测绘数据库针对描述矿山景观的数据分为3种形式存储，主要是基础数据、初级数据和性能数据。多形式下的存储有助于调用过程[3]。挖掘和映射数据库的管理主要涉及数据库中各种数据的管理和存储。矿山景观测绘模型的数据库模型主要负责矿山景观数据的存储和管理。运行以外的地面数据在运输数据处理过程中分类，可分为地质勘探数据、生产数据以及其他数据。这类数据是测绘基础数据，不管数据形式如何统计存储在测绘数据库中，但调用时会以图像或数据表格形式显现。

1.1.2可视化模型

可视化子模块主要包括了矿山景观模型的展示模块、剖面切割展示模块、CAD界面、数字仿真接口模块等。图2中展示了在本文的测量与映射模块中的可视化模型的流程图。可视化子模块的数据流包括录入矿山景观数据、可视化模型的结构以及可视化模型对数据的操作流程。增加了专业的数据模拟接口，同时增设了数值模拟应用程序，能够对现有的数据进行实时映射处理。为保障上述数据程序的使用，创建多种建模数据格式，将地形数据导入数据库中，创建采矿景观的三维可视化图样，同时加载显示，可对显示图像执行缩小、缩放、旋转、等比例拖拽等实际操作[4]。在检查站放置扫描工具，收集测量区域的数据，根据工作要求获得现场点云数据，并进行处理。要处理点云数据，需先将其连接，然后进行具体处理。创建物理模型，并将可视化图像与真实图像相匹配，在匹配图像中恢复真实的纹理型矿山。结合经纬度线在图像中划定空间坐标，利用数字化测绘技术对描绘的图形区域分析，得到对应的测绘目标。

1.2 基于无人机倾斜摄影测量技术采集数据

使用无人机测量技术可以提高图像采集的品质，有效避免获取到倾斜的图像，从而减少进行倾斜图像校正所需的时间[5]。通过在山区矿山地形中应用倾斜无人机成像扫描技术，可以实现：节省扫描成本，提高扫描质量和效率，确保扫描有效性。由于其高稳定性和灵活性，无人机可以确保非金属数据的准确性和获取。从矿山收集数据时，首先应该在无人机位置的底部、左侧、右侧、前后安装一个便携式摄像头，并在准备调查之前做好准备，测绘信息主要包括：天气情况、环境数据以及无人机飞行参数等基础参量。当无人机测绘过程中山区地形和气候无明显变化时，无人机对扫描区域图像的每个点进行区分，分为非金属区和金属区两种。假设扫描区域内的实际测点与图像上成像点的比例尺为L，其计算公式如式（1）所示：

L=l₀/h₀×h₁ （1）

其中，l₀为无人机拍摄的焦距参数；h₀为无人机飞行实际高度；h₁为非比例尺下的有效图像点距离。根据公式（1），可以调整无人机的飞行高度多次计算，这样可以确保收集的矿山图像的准确性。在无人机倾斜成像扫描时，图像向量位移与飞行速度之间存在直接关系，二者关系式如式（2）所示：

W= tl₀/h₀（2）

公式中：W是标定测绘点的参数位移；t 为扫描过程曝光时间。根据公式（2），无人机使用低速飞行模式，曝光时间采用最慢，测量图像分辨率选择最大的形式采集图像，这样可以确保山区地形收集数据的准确性。通常低飞行模式下的无人机，在标定非金属矿山数据之前，需要检查飞行区域是否有强磁性，防止磁性干扰，需要无人机反复飞行，按照原轨迹重复多次采集。设计无人机飞行高度时，要规划山区地形制高点，保证飞行过程中采集到的非金属矿物图像是在规定比例范围内，数据采集开始在预定路径内，按照一定时间间隔进行采集。如果图像数据的获取不合格或不完整，重新采样，确保从矿山中获取良好数据作为基础。

1.3 确定航测的基本航线

无人机在矿区进行空中观测时，利用当地的地图图像信息作为空中观测分析的主要参考值，确定基本坐标信息、导航方向、航线等飞机信息，保证无人机在实际测量中可以顺利实现三维重叠。

在进行空中监视工作时，需要在深入研究的基础上确定矿区内的待测区域，并与几个相关参数的设置相联系，包括空中监视的主要方向、空中监视的拍摄角度、矿井坐标、重叠角度等。对采集的数据重组分析，加上采用定位技术和高位成像技术的辅助，得到的图像能够充分反映测绘目标的实际情况，并获得更多关于矿山建设的信息。

无人值守设施应在基于预定方向指示器的测量工作的基础上进行测量工作。空中交通管制员应特别注意在空中监视任务中使用无人机。为了发现与使用无人机有关的问题，必须及时采取行动，为空中监视的顺利进行提供重要支持。此外，在无人机空中检查的情况下，相关人员必须进行一系列检查，按照相关规定分析现场的实际情况，在分析后组织无人机，并仔细监控现场的工作环境。同时，有关人员必须根据矿山基础研究需求，采取积极措施提高无人机的精度，扩大无人机的覆盖范围。

根据观测区的观测结果和精度要求以及无人机的相关参数，准确掌握观测区的景观结构，确定无人机空中观测区对应的空中观测路线。该测试区域使用飞马座无人机管理器的智能路线功能来确定飞行区域并创建最佳路线。在景观波动较大的地区，使用固定高度飞行可能会导致不同的地面分辨率。为了确保观测飞行的覆盖范围和图像质量符合要求，可以选择模拟地面来增加飞行。

1.4 像控点的布设

本文研究的野外照片控制点的布设应严格遵循我国制定的地形图航拍标准比例尺标准。首先，主要控制点应布置在观测区外，以确保观测区内水平和高度的准确性，并满足后续测绘工作的需要。照片控制点位于标题之间，在整理周围图像的范围内有三到四张图像。

为方便控制点的安装，图像的控制点一般安装在比较平整的表面上。为达到准确度要求，在安装图像控制器前，还应安装控制点以检验结果的正确性。每组图像控制点都需要经过录制并保存下来，这才能够清楚地表现图像控制点的区域特点。在采矿勘查活动中，由于受到地质条件的干扰，更易产生凹凸地形，因此在此基础上，可在凸角上设置额外的控制点区域，并适当地布置在相邻的区域系统。0.1 mm被用作图像选择和照片控制点选择控制的重要参考标准，并且点位置被选择在存在清晰图像的地方。

应优先考虑持续使用通用卫星定位服务（CORS）系统来测量照片控制点。在CORS信号未覆盖的区域，通常应使用自建基站对单个基站进行RTK测量。测量单个基站的RTK时，应使用测量区域内的测量点校准该点。

2 对比实验

2.1 实验说明

为验证上文所设计方法的实用性，建立对比实验。将文中方法即基于无人机倾斜摄影的矿山地形测绘方法与基于GIS的矿山地形测绘方法以及基于遥感技术的矿山地形测绘方法进行对比研究。

2.2 实验准备

为验证所提方法的先进性，选取某矿山开展研究，该矿区真实高度为173.2 m，矿区内的断层节理裂隙不发育，未见断层，矿山整体岩层相对完整，地质环境与构造条件简单。以此为基础，考虑到其能够适应复杂的地形和气象条件，选择大疆Phantom 4 RTK型号无人机设备开展实验。

2.3 实验结果

实验结果如图3所示：

基于无人机倾斜摄影的矿山地形测绘方法与山体实际高度情况一致，而基于GIS的矿山地形测绘方法以及基于遥感技术的矿山地形测绘方法与实际情况出入较大，所以能够得出基于无人机倾斜摄影的矿山地形测绘方法最为准确。

3 结论

通过无人机倾斜摄影测量技术，直观具体地呈现出山区地形下的矿山整体情况，与基于GIS的矿山地形测绘方法以及基于遥感技术的矿山地形测绘方法对比分析，结果表明无人机倾斜摄影技术更具优势，测量结果更为准确。