張樹喬

（廣東有色工程勘察設(shè)計院，廣東 廣州 510080）

礦山地形圖當中包含了眾多復雜的空間信息數(shù)據(jù)，同時也是礦山開采以及礦山施工作業(yè)當中最重要的數(shù)據(jù)來源。當前，測繪技術(shù)逐漸成為礦山地形圖，礦山勘查數(shù)據(jù)展示最重要的手段，并且受到了該領(lǐng)域研究人員的高度重視。如何通過更加合理的測繪技術(shù)或手段實現(xiàn)對礦山地形圖中各項數(shù)據(jù)更高精度地展示是當前該領(lǐng)域研究人員重點關(guān)注的問題[1]。當前礦山開采技術(shù)不斷提高，隨之而來的是對礦山周圍環(huán)境造成的破壞程度逐漸加深，為了實現(xiàn)對礦山及周圍生態(tài)環(huán)境的及時、有效的修復，對其地形圖的快速獲取以及實時更新有著更加迫切的需求[2]。但由于當前傳統(tǒng)的測繪方法在生成地形圖時，都需要大量外業(yè)人員通過多種測量手段和調(diào)繪手段才能夠?qū)崿F(xiàn)，因此使得現(xiàn)有地形圖測繪的效率較低，出圖速度無法滿足實際所需。同時，由于大部分數(shù)據(jù)的測量是采用人工的方式完成，因此生成的地形圖與實際存在較大出入，無法保證地形圖中各項數(shù)據(jù)的精度。針對這一問題，為實現(xiàn)對測繪方法的優(yōu)化，引入傾斜攝影測量技術(shù)。該技術(shù)在實際應(yīng)用中可以通過對臺傳感器構(gòu)建多個角度的拍攝，從而提高影像的分辨率，為地形圖測繪精度提供保障條件。

1 基于傾斜攝影測量技術(shù)的礦山地形圖測繪方法設(shè)計

1.1 航攝儀及地面設(shè)備選型

為實現(xiàn)對礦山地形圖的測繪，首先針對傾斜攝影測量技術(shù)中所需的航攝儀以及相關(guān)地面設(shè)備進行選型。本文采用型號為Q5S145-4650型號無人機作為本文測繪方法中的主要設(shè)備。該型號航攝儀的類型時長為最大任務(wù)載荷量下持續(xù)55min，總像素為1.86億，像幅為7146×5364，相機焦距為8.5mm，像元大小為1.25μm，最小曝光間隔為18ms。圖1為航攝儀在飛行過程中的控制流程。

按照圖1所示的航攝儀飛行控制流程可實現(xiàn)航攝儀在飛行過程中的飛行方向、飛行角度以及圖像監(jiān)測控制。完成對航攝儀的選型后，還需要對地面設(shè)備進行選型，地面設(shè)備主要包括機載傳感器設(shè)備和數(shù)據(jù)處理設(shè)備。其中，機載傳感器設(shè)備主要安置在航攝儀的機艙當中，用于獲取地面影響的設(shè)備，不同的航攝任務(wù)所需的傳感器不同，通常可選擇多光譜成像儀或激光掃描儀等。在進行航攝前，必須選擇能夠滿足各項航攝要求的相機設(shè)備，同時針對非量測型相機進行校驗，確保后續(xù)影像的精度。數(shù)據(jù)處理裝置主要用于實現(xiàn)航攝儀與地面設(shè)備之間的通訊聯(lián)系，主要包括數(shù)字傳輸電臺、電線、傳輸接口等[3]。在進行數(shù)據(jù)傳輸過程中，該設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸距離應(yīng)當超過12km，傳輸速率應(yīng)當大于2400bit/s，誤碼率應(yīng)當小于1//1000。

圖1 航攝儀飛行控制流程

1.2 航攝數(shù)據(jù)預(yù)處理與影像校正

由于礦山環(huán)境相對復雜，因此在利用航攝儀完成對航攝影像的獲取后，影像當中含有大量噪聲和誤差傳播數(shù)據(jù)，為了提高后續(xù)地形圖生成的精度，需要對航攝數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。通常情況下，由于相機鏡頭所引起的光學畸變現(xiàn)象都是非線性的。因此，考慮到這一問題，將其誤差分為徑向畸變誤差和切向畸變誤差。圖2為存在畸變的影像模型示意圖。

圖2 存在畸變的影像模型示意圖

圖2中虛線部分表示為沒有出現(xiàn)畸變現(xiàn)象的理論影像模型，x表示為水平方向坐標，y表示為豎直方向坐標。從圖2可以看出，影像模型除了主點沒有發(fā)生改變后，其余所有點均向主點方向靠攏。因此，基于這一特點，為了避免相機出現(xiàn)畸變造成后期地形圖生成精度不夠，需要對相機內(nèi)方位元素畸變差進行校正，其表達式為：

公式（1）中，x、y表示為校正后的橫坐標和縱坐標；xo、yo表示為存在內(nèi)方位元素畸變的橫坐標和縱坐標；X、X0、Y、Y0均表示為獲取到的影像圖像當中的坐標點a1、a2表示為校正系數(shù)。按照上述公式（1）完成對影像的校正后，為后期地形圖成果生成提供高精度數(shù)據(jù)依據(jù)。

1.3 基于傾斜攝影測量技術(shù)的礦山地形圖成果生成

在完成上述操作后，將其作為基礎(chǔ)，利用傾斜攝影測量技術(shù)實現(xiàn)對礦山地形圖成果的生成。將經(jīng)過畸變校正處理的影響進行色調(diào)處理，確保其透明度、植被以及勻光勻色均符合地形圖的設(shè)計需要。在對其色調(diào)進行處理時，采用ERDAS影像處理軟件完成。針對遙感影像的內(nèi)業(yè)處理，還需要完成對影像上具有明顯特征的特征點選取。結(jié)合SIFT檢測局部特征算法，通過對獲取到的影像進行平移、旋轉(zhuǎn)、尺度縮放等調(diào)整確定其最佳的檢測效果[6]。完成上述操作后，對每張影像構(gòu)建一個金字塔和灰度金字塔影像。采用SIFT算法對其各個特征點進行提取，并結(jié)合次鄰近距離比值完成對地形圖的初步生成，并通過初步匹配點完成相對定向后得到內(nèi)點集合。針對上述生成的灰度金字塔影像，還需要通過Harris角點算子提取其各個特征點，并利用灰度相關(guān)系數(shù)完成各個初匹配點的生成。再縮小Harris角點閾值獲取到新的角點，并重復上述操作，直到生成足夠多的點數(shù)后，完成對礦山地形圖成果的生成。

2 實驗

結(jié)合上述論述內(nèi)容，完成對測繪方法的理論設(shè)計后，為進一步驗證傾斜攝影測量技術(shù)在該測繪方法當中的應(yīng)用效果，選擇以某礦區(qū)已經(jīng)廢棄的礦山作為實驗研究區(qū)域，針對該廢棄礦山對其進行地形圖測繪。已知該廢棄礦山需要進行測繪的區(qū)域為不規(guī)則多邊形，測區(qū)內(nèi)總面積約為2.36平方千米，測區(qū)處于海拔25m～112m范圍內(nèi)，地形整體呈現(xiàn)出明顯的丘陵結(jié)構(gòu)，并且區(qū)域內(nèi)沒有高大建筑物，為無人機傾斜攝影提供良好運行環(huán)境[4，5]。按照本文上述論述內(nèi)容，完成對該礦山地形圖的測繪后，隨機選擇測區(qū)內(nèi)的五個測點，并將其分別標號為GC001、GC002、GC003、GC004和GC005，針對五個測點，對其進行實地測量，并將測得的數(shù)據(jù)與測繪圖當中的等高線插求點高程數(shù)據(jù)H進行對比，并得出二者差值，將結(jié)果繪制成表1所示。

表1 測繪結(jié)果測繪精度記錄表

結(jié)合表1中的數(shù)據(jù)得出，將傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用到對礦山地形圖的測繪當中，測繪圖中的高程與實際坐標之間相差在0m～0.15m范圍內(nèi)，符合誤差在60cm以內(nèi)的高精度需要。因此，通過上述應(yīng)用實驗進一步證明，本文引入傾斜攝影測量技術(shù)的測繪方法在實際應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)對地形圖更高精度的繪制，為后續(xù)礦山開采或礦山工程施工提供更有利的數(shù)據(jù)條件。

3 結(jié)語

通過本文上述論述，提出一種全新的測繪方法，并通過應(yīng)用實驗的方式證明了該測繪方法的應(yīng)用優(yōu)勢。將本文提出的測繪方法應(yīng)用到實際礦山地形圖測繪當中可以實現(xiàn)對無人機獲取到的影像數(shù)據(jù)更高精度的表達。但由于研究能力有限，在對航攝儀選型和控制時未考慮到對其航線的規(guī)劃問題，使得其航飛質(zhì)量存在優(yōu)劣不穩(wěn)定的問題。因此，在后續(xù)的研究中，為了進一步提高本文測繪方法的應(yīng)用效果，還將針對這一方面問題進行更加深入研究。