朱磊

摘 ? ?要：中國(guó)是礦產(chǎn)大國(guó)，礦物種類(lèi)多，分布廣，開(kāi)采及治理水平參差不齊。處理不當(dāng)會(huì)引起資源浪費(fèi)、環(huán)境污染等問(wèn)題，甚至導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害，威脅生命財(cái)產(chǎn)安全。為了監(jiān)督合理開(kāi)發(fā)，檢查私挖亂采，保護(hù)環(huán)境杜絕災(zāi)害的發(fā)生，需要摸清中國(guó)現(xiàn)階段礦山地質(zhì)情況，類(lèi)如計(jì)算儲(chǔ)量、定邊定界等工作成為重中之重。礦山地質(zhì)測(cè)量無(wú)疑為該項(xiàng)工作提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量;礦山地質(zhì);應(yīng)用

1 ?傾斜攝影測(cè)量

1.1 ?定位原理

眾所周知，測(cè)量的本質(zhì)是定位，定位的本質(zhì)是獲取坐標(biāo)。傳統(tǒng)測(cè)量通過(guò)人工定位，直接接觸目標(biāo)獲取坐標(biāo);而攝影測(cè)量則通過(guò)影像定位、同名光線(xiàn)交會(huì)計(jì)算坐標(biāo)。使光線(xiàn)交會(huì)則需要滿(mǎn)足一定條件，如圖1所示。圖中，A為物方點(diǎn)，a1、a2為物方點(diǎn)投影在兩個(gè)像片上的像點(diǎn)，S1、S2為兩個(gè)像片的攝影中心。從圖1可以看出，想要通過(guò)光線(xiàn)交匯完成定位，需要知道像片的實(shí)時(shí)姿態(tài)，即恢復(fù)外方位元素Xs、Ys、Zs、φ、ω、κ（Xs、Ys、Zs為線(xiàn)元素，φ、ω、κ為角元素）6個(gè)參數(shù)，且須知內(nèi)方位元素x0、y0、f的數(shù)值。

1.2 ?優(yōu)勢(shì)提升

（1）定位精度。眾所周知，測(cè)量數(shù)據(jù)都存在誤差，在必要觀測(cè)條件下無(wú)法對(duì)誤差進(jìn)行消除和減弱，因此需要進(jìn)行多余觀測(cè)，傾斜攝影測(cè)量在相同條件下的數(shù)據(jù)量是豎直攝影的2～5倍，大大增加了多余觀測(cè)，提高了精度。另外，阿貝比長(zhǎng)原理規(guī)定：量測(cè)長(zhǎng)度時(shí)尺子與目標(biāo)平行則結(jié)果最優(yōu)，角度越大則誤差越大。而對(duì)攝影測(cè)量而言，O1、O2為兩個(gè)不同角度的攝影中心，其攝影基線(xiàn)與目標(biāo)越接近平行即光軸與目標(biāo)盡可能垂直，則測(cè)量精度越高。傳統(tǒng)攝影測(cè)量只從豎直方向觀測(cè)，其基線(xiàn)平行于XY平面，因此該模式下的目標(biāo)在XY方向精度最高，而與XZ、YZ平面角度過(guò)大使在Z方向的精度成為傳統(tǒng)攝影的短板。傾斜攝影測(cè)量增加了大角度影像觀測(cè)，其攝影基線(xiàn)與XZ、YZ平面的夾角大幅度減小，對(duì)某些特殊側(cè)面甚至接近平行，由此不僅提高了Z方向精度，而且進(jìn)一步減小了X、Y方向的誤差。同時(shí)多方位的拍攝更好地獲取了目標(biāo)側(cè)面的紋理，實(shí)現(xiàn)了不同角度信息的互補(bǔ)，對(duì)輪廓的還原效果更優(yōu)。

（2）成果質(zhì)量。傳統(tǒng)豎直攝影測(cè)量生成的基本都是二維平面數(shù)據(jù)，分析起來(lái)較為困難，對(duì)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)要求較高，某些盲區(qū)還需要后期現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)測(cè)調(diào)繪。而傾斜攝影測(cè)量的成果以三維模型為主，在高精度的數(shù)字表面模型DSM基礎(chǔ)上進(jìn)行紋理映射，直觀性強(qiáng)，使用者能夠方便地在模型上對(duì)礦山地質(zhì)的剖面、溝坎、坡向線(xiàn)進(jìn)行分析，對(duì)不同種類(lèi)的區(qū)域例如采礦區(qū)、找礦區(qū)、廢棄物堆積區(qū)等區(qū)域的判讀率也提高了很多，此外還可以在模型上繪制傳統(tǒng)豎直攝影測(cè)量生成的數(shù)據(jù)成果。因此，傾斜攝影測(cè)量為從業(yè)者提供了更加全面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.3 ?技術(shù)流程

1.3.1 ?外業(yè)采集

由于建模對(duì)精細(xì)度要求很高，而旋翼機(jī)較固定翼飛行高度低，速度慢，能夠很好地拍攝目標(biāo)紋理，因此在飛行平臺(tái)的選取上以旋翼機(jī)為主。相機(jī)應(yīng)搭載多鏡頭，即1個(gè)下視鏡頭和數(shù)個(gè)傾斜鏡頭，通常以5鏡頭為主。根據(jù)測(cè)區(qū)地形規(guī)劃航線(xiàn)，重疊度應(yīng)在70%以上，分辨率應(yīng)設(shè)定在5cm以?xún)?nèi)，并以此定義航高。若測(cè)區(qū)面積較大，單個(gè)架次無(wú)法完成時(shí)，應(yīng)當(dāng)在架次之間保留1～2條航線(xiàn)的重疊，以便后期能準(zhǔn)確拼接。設(shè)定完畢后，飛機(jī)按航線(xiàn)飛行進(jìn)行拍攝，其后檢查像片是否有大量曝光、云煙遮擋現(xiàn)象，有無(wú)漏拍、序號(hào)與POS信息是否對(duì)應(yīng)等情況，合格后便可進(jìn)行下一步的處理。

1.3.2 ?內(nèi)業(yè)處理

由于現(xiàn)今傾斜相機(jī)還不能計(jì)算自身POS，只有下視鏡頭具有位置姿態(tài)信息，因此只能通過(guò)下視鏡頭和傾斜鏡頭的位置關(guān)系計(jì)算所有像片。將像片加載進(jìn)相關(guān)建模軟件，分別進(jìn)行空中三角測(cè)量（簡(jiǎn)稱(chēng)空三）、點(diǎn)云匹配、DSM生成、表面重建、紋理映射等，生成最終的三維立體模型。同時(shí)，在該模型基礎(chǔ)上，利用第3方軟件，生成傳統(tǒng)豎直攝影常出的數(shù)字正射影像DOM和數(shù)字線(xiàn)劃圖DLG，可謂是一模多用。

2 ?實(shí)踐操作

2.1 ?測(cè)區(qū)概況

本次實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū)選在某石料礦區(qū)，欲通過(guò)后期所測(cè)數(shù)據(jù)，圈定目標(biāo)區(qū)域礦界、了解開(kāi)采情況、描繪實(shí)地地形以及后期合理規(guī)劃等。該礦區(qū)范圍為東經(jīng)112.60～112.62°，北緯38.17～38.18°，面積約1km2。測(cè)區(qū)內(nèi)以山地為主，海拔多在1100m～1400m，相對(duì)高差100m～400m，且部分遮擋較多，傳統(tǒng)豎直攝影測(cè)量無(wú)法完全覆蓋拍攝，故采用傾斜攝影方法采集數(shù)據(jù)。

2.2 ?處理流程

2.2.1 ?飛行平臺(tái)及相機(jī)

本次飛行平臺(tái)選用哈瓦M(jìn)EGA-V8Ⅱ旋翼無(wú)人機(jī)，該飛機(jī)采用全碳纖維材料一體成型技術(shù)、配合航空專(zhuān)用鎂合金、鈦合金等尖端材料和工業(yè)級(jí)傳感器芯片技術(shù)，機(jī)身826mm×1050mm×578mm，最大起飛重量12kg，飛行半徑可達(dá)14km，續(xù)航時(shí)間30min，抗風(fēng)能力達(dá)到7級(jí)，且具有后差分解算系統(tǒng)。該平臺(tái)搭載的相機(jī)是定做的HARWAR-YT-5POPCⅢ5鏡頭傾斜航攝儀，其中1個(gè)下視鏡頭，4個(gè)傾斜鏡頭，傾角為45°，像素達(dá)到1億級(jí)，該相機(jī)5個(gè)鏡頭同時(shí)曝光，曝光時(shí)間為1/4000s，最小曝光間隔為2s。

2.2.2 ?控制點(diǎn)布設(shè)及航線(xiàn)規(guī)劃

測(cè)區(qū)內(nèi)山地較多，地形條件差，大部分區(qū)域人工無(wú)法到達(dá)，因此選擇較為平緩的地方布設(shè)像控點(diǎn)，以便將模型納入到目標(biāo)坐標(biāo)系下，并且起到精確的控制作用。由于飛機(jī)自帶后差分解算系統(tǒng)，一定程度上精化了POS數(shù)據(jù)，故能夠保證測(cè)量精度滿(mǎn)足要求。飛行時(shí)間段選在上午十一點(diǎn)左右，期間光照適中。為了防止出現(xiàn)漏拍等信息不完整的情況、保證模型精細(xì)程度，本次地面采集分辨率設(shè)定為5cm，相對(duì)飛行高度相應(yīng)為250m，航向重疊度設(shè)置為80%、旁向重疊度設(shè)為75%，航線(xiàn)為南北方向，共分2個(gè)架次，架次之間有2條航線(xiàn)的重疊區(qū)，以便后期拼接。本次飛行有50條航線(xiàn)，共計(jì)3700張像片，POS數(shù)據(jù)完整，影像質(zhì)量正常。

2.2.3 ?內(nèi)業(yè)處理

（1）空中三角測(cè)量?？杖腔謴?fù)像片實(shí)時(shí)位置和姿態(tài)的過(guò)程，恢復(fù)了位置姿態(tài)，就能通過(guò)影像進(jìn)行定位，因此空三是整個(gè)過(guò)程中決定精度的環(huán)節(jié)，可以說(shuō)是重中之重。先導(dǎo)入所有像片，加載相應(yīng)POS文件后提交空三。軟件以其強(qiáng)大的傾斜影像匹配算法，準(zhǔn)確找出各個(gè)像片間的同名點(diǎn)，完成相對(duì)定向，并通過(guò)刺像控點(diǎn)、平差計(jì)算，得出最終的坐標(biāo)信息?？杖Y(jié)束后，整體的精度也就確定了。

（2）模型重建。空三后進(jìn)行模型重建。點(diǎn)擊重建以后，軟件首先通過(guò)恢復(fù)姿態(tài)的多個(gè)影像同名光線(xiàn)相交，得出物方密集點(diǎn)云;然后在密集點(diǎn)云基礎(chǔ)上建立不規(guī)則三角網(wǎng)，形成一個(gè)個(gè)面片，完成表面重建;最后通過(guò)泊松融合方法將像素賦予所形成的面片，使復(fù)雜的圖形場(chǎng)景呈現(xiàn)出真實(shí)感。

參考文獻(xiàn)：

[1] 方忠平.基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的三維建模和精度分析[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2019（10）：247.