矿山地质工程中无人机倾斜摄影测量的实践应用

矿山地质工程中无人机倾斜摄影测量的实践应用

徐志友

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摘要：无人机倾斜摄影测量技术利用无人机上的倾斜摄像机对监控对象进行多个角度的拍摄，并利用三维模型处理系统进行影像处理，自动生成数字高程模型、正射影像和实景三维模型等。相对于常规的测绘技术，无人机倾斜摄影测量技术可以快速获取、处理和应用三维地理信息，利用摄影记录监测对象的真实场景，监测结果丰富。此外，还具备三维分析量测功能。无人机技术是一种机动、灵活、高效、快速、高频监测、成本低廉和资料精度高的先进技术，可全面适应矿山监测要求，对于矿山监测而言，无人机技术具有独特的优势。无人机倾斜摄影测量技术的发展在矿山监控方面的优越性日益显现，在今后的发展中有着很大的空间，且会促进煤矿行业的发展。

关键词：矿山地质工程；无人机倾斜摄影测量；实践应用

引言

为修复矿山开采对环境造成的破坏，快速获取矿山大比例尺地形图是十分有必要的。将无人机倾斜摄影技术应用于矿山大比例尺地形图成图中，能有效节约测量成本，提高矿山地形图测绘工作效率，但在环境恶劣中，受到不利因素的影响，导致无人机倾斜摄影测量成果的质量不高。因此，对无人机倾斜摄影技术在矿山地形图测绘中的应用进一步分析是十分有必要的，通过探究其实用性、可行性来提升测量效果带来的经济效益和社会效益。

1无人机倾斜摄影测量的优势

1.1其定位精度更高

对于地质工程测量而言，传统测量方式中的数据都会存在一定误差，部分观测条件具有特殊性，导致这些误差难以进行减弱或消除处理，故而还要额外开展多余观测作业。而无人机倾斜摄影测量与传统竖直测量比较来看，在条件相同情况下，其获取到的数据量约为竖直摄影测量的2到5倍，这就在一定程度上增加了多余观测，故而定位数据的精度更高。此外，根据阿贝比长的原理内容可知，在量测长度参数时，若是尺子和目标平行，那么实际测量结果会更优，若相互交叉的角度越大则其产生误差就越大，这一原理也适用于摄影测量工作，比如说若设置了两个不同角度为摄影测量的中心，那么其基线与目标之间越接近平行状态，摄影策略的光轴和目标之间就会相对垂直，因而实际测量会获得更高精度。而倾斜摄影测量就是将影像观测大角度进一步增加，使得实际拍摄基线与地面之间的夹角幅度减小，这样就可以促进其与目标之间的平行效果，对于一些特殊侧面来说平行会更为接近，有效减小定位测量的误差。另外，无人机倾斜摄影测量的拍摄还能从多方位进行，有利于对目标侧面纹理进行获取，将角度不同的数据信息整合到一起，实现相互弥补，可以尽可能还原地物的轮廓。

1.2其成果质量更佳

在传统摄影测量模式当中，最终生成的数据信息成果都是二维平面形式，要深入分析具有一定难度，对人员分析经验和技术水平的要求较高，在一些测量视野盲区获得的数据成果质量极低，因而后续还需进行现场补测并调绘。但当前采用的无人机倾斜摄影测量，实际成果将是依托于三维数据和模型生成，这种数字表面模型可以在DSM基础开展高精度的纹理映射，使其数据信息成果具有更强直观性，方便之后使用人员直接在对应模型上分析矿山工程地质情况，包括沟坎、剖面以及坡向线等数据信息都能有效获取，同时，这种测量的成果对于不同类型的地质区域判读率也都有着显著提高，比如说采矿区、废弃物区以及找矿区等。除此之外，模型本身也支持对传统测量方式生成数据信息进行成果绘制，对于矿区工程来说，无人机倾斜摄影测量给从业者工作带来更为全面的数据信息基础。

2 影响无人机倾斜摄影测量质量的关键技术

2.1 航线规划根据测量的具体任务规划合理的航线，主要对飞行速度、重叠度、航线高度以及曝光时间等参数进行设计，以获得满足测量要求的分辨率。航高是指相对于被测地形的平均相对高度；重叠度则是航测过程中相邻的两条航线所拍摄照片的重叠程度（旁向重叠度），或者是同一航线中相邻影像的重叠程度（航向重叠度）。重叠度影响三维建模精确度，一般以不低于53%为宜，以航向重叠度80%（旁向重叠度70%）为兼顾效率与精度的最佳选择，如若被测地形地物为极端复杂时，也可以适当地增大重叠度。基于三维建模考虑，当测图比例尺分别为1∶500、1∶1000和1∶2000时，地面分辨率需要分别达到≤5cm、8～10cm、15～20cm。航线规划类型可以大体分为近地摄影、环绕航线和全覆盖航线三种。近地摄影适用于地形高度起伏较大的测量任务；环绕航线则一般适用于针对某一建筑物进行测量及三维建模；全覆盖航线适用于对某一区域，例如某校园、工业园区、某景区的航测，其航线是由若干个航点组成。

2.2 像控点的布设及多视影像预处理

像控点的布设对于最终三维模型的精确度影响较大，通常每个像控点的影像数量≮5个，像控点需清晰可见、无遮挡且不在边缘位置，其目的是建立三维坐标与真实坐标的纠正。目前工程中常用的像控点布设方式为全面平高设控，除此以外还有中心平高设控以及有边缘平高设控等多种模式。以自然景观区倾斜测量为例，可以在自然景观区内的角部位置布设点组式的像控点，在景区内部以及四周边缘位置同时布设少量像控点。像控点的标记方式常采用“L”形或“+”形，颜色多为白色或红色。由于无人机倾斜测量所获取的数据受到地形地物变化、外部条件以及大气折射等因素对传感器的影响，会存在一定程度的误差，所以需要对多视影像进行预处理。

2.3 空三加密

空三加密又称为空中三角测量，是基于少量控制点解算地面大量控制点的工作，常用的方法有独立模型法、航带法以及光束法。空中三角测量是立体摄影测量中根据少量的野外控制点，在室内进行控制点加密，求得加密点的高程和平面位置的测量方法。例如，光束法将物点、像点以及摄像中心点所围合而成的光束线设定为一个基本平差单元，并利用无人机摄影测量的优势，开展测量空间内的光束线的平移与旋转，实现最佳交汇状态，利用中心投影共线方程进行计算。

2.4 多视影像密集匹配方法

多视影像不仅覆盖面广，而且成像清晰、分辨率高，因此多视影像匹配这一重要步骤主要是考虑除核心信息之外其它的信息。在无人机倾斜摄影测量技术中，需要捕获影像数据中不连续变化的特征影响，其中以特征点最具代表性，常见的特征点提取算法有SUSAN角点提取、Harris、Forstner和Moravec等算子以及SIFT算法，其中SIFT算法是最为常用的一种算法，本质为图像尺度空间局部特征提取算法。SIFT对旋转、尺度缩放、亮度变化保持不变，视觉变化、放映变化、噪声保持具有一定程度的稳定性，在三维重建领域中SIFT特征点提取应用最为广泛。

结语

无人机倾斜摄影能提高矿山大比例数字化地形图测量的效率，体现出无人机技术在矿山测量中的应用价值。在矿山测量应用案例中，通过与全野外数字化测量在像控点坐标、碎部点高程等的差值进行比较，验证了利用无人机倾斜摄影编制的1∶1000数字化地形图的平面、高程满足规范中规定的精度要求，测量结果是可靠的，且具有较高的实用性和可行性。无人机倾斜摄影虽具有很大优势，但其续航能力差，风大时影响其飞行质量，也限制了无人机在测绘地理信息行业中更深层次的应用。因此，要进一步探讨无人机倾斜摄影测量的影响精度因素，优化作业模式，提高模型精度。

参考文献

［1］谢梅秀，陶丹丹.无人机航测技术在矿山地形图测绘中的应用［J］.世界有色金属，2019（20）：45-46.

［2］张亮.无人机航测在矿山地形图测绘中的应用探讨［J］.江苏建材，2022（1）：66-67.

［3］卢翔峰.DEM内插对数字地形因子提取的影响研究［J］.科技创新与生产力，2022（5）：97-99.