王 成,潘少煒,李 巖
1.廣西自然資源調(diào)查監(jiān)測院,廣西 南寧 530023
2.桂林理工大學(xué)測繪地理信息學(xué)院,廣西 桂林 541004
礦山的資源勘查、礦山監(jiān)測、儲(chǔ)量評估等地形測繪任務(wù)需要科學(xué)有效的技術(shù)手段來保證礦產(chǎn)資源得以安全高效地開采[1]。以往在開展礦山地形測繪原始數(shù)據(jù)采集時(shí),一般采用RTK 或者單基站作業(yè)方式,測繪人員經(jīng)過實(shí)地測繪,完整繪制地形圖后再開展設(shè)計(jì)或施工等工作[2]。這樣的作業(yè)方式不僅時(shí)間長、工作量大,還易受到危險(xiǎn)地形的限制,測繪成果的精度難以保證[3]。
將無人機(jī)傾斜攝影三維建模與礦山測繪有機(jī)地結(jié)合,不僅可以順利解決這些問題,而且還可以為礦山周圍的環(huán)境提供有效的信息和資料,提供真實(shí)的礦山環(huán)境監(jiān)測與治理的地物空間信息和模型紋理數(shù)據(jù)。王果等人[4]于2017年利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對某礦山邊坡進(jìn)行三維重建,獲取滑坡區(qū)域的長度、寬度、體積、坡度等用于監(jiān)測滑坡等災(zāi)害的信息。謝洪斌等人[5]將無人機(jī)攝影測量技術(shù)應(yīng)用于露天礦山監(jiān)管,生成了正射影像(DOM)、數(shù)字地表模型(DSM)、三維模型等成果,估算開采分析與開采量,并將結(jié)果和其他露天礦山測量手段從精度、價(jià)格、效率、適用條件等方面做比較,結(jié)果表明該技術(shù)優(yōu)勢顯著。
研究小組以廣西某露天礦山作為研究區(qū),利用無人機(jī)搭載高像素照相機(jī)獲取礦區(qū)影像,結(jié)合外業(yè)RTK 采集控制點(diǎn)數(shù)據(jù),對研究區(qū)露天礦山的三維模型構(gòu)建方法以及精度評定方法進(jìn)行研究和評價(jià)。
傾斜攝影測量技術(shù),是近景測量和航空攝影測量的改進(jìn)升級技術(shù)。它解決了拍攝角度單一的問題,無人機(jī)按照設(shè)定好的航線、一定的重疊度,拍攝垂直、前、后、左、右5 個(gè)角度的傾斜影像,并結(jié)合GPS 接收機(jī)和慣性測量單元IMU 進(jìn)行測量工作,其獲取到的影像、POS 數(shù)據(jù)以及地面控制點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理可得到測繪的“4D”產(chǎn)品以及三維模型等成果。
數(shù)據(jù)處理的主要技術(shù)流程包括:影像預(yù)處理、影像特征點(diǎn)匹配、刺點(diǎn)、光束法區(qū)域網(wǎng)平差、多視影像密集匹配、三維TIN 三角網(wǎng)構(gòu)建、模型構(gòu)建等,最后得到色彩真實(shí)、幾何精度高、可測量和分析且符合礦山實(shí)貌的三維實(shí)景模型。
此次選取實(shí)驗(yàn)區(qū)域?yàn)閺V西東興市某露天礦山,研究區(qū)面積約為20 萬m2。該礦山地形起伏大,最大高差約160 m,礦體直接露出地表,兩個(gè)開采面的采礦條件較好,周邊為山地、林地、耕植地且無居民區(qū),礦山屬于中小型的露天礦山,代表性強(qiáng)。
研究小組利用基于無人機(jī)傾斜攝影拍攝的918 張照片(分兩組,一組為459 張正射影像,另一組為459 張斜射影像),照相機(jī)型號為SONY ILCE-6000,鏡頭為E 20 mm,光圈值為2.8,影像大小為6 000×4 000。
無人機(jī)傾斜攝影測量的主要技術(shù)方法如圖1 所示。其包含以下4 個(gè)部分。
(1)外業(yè)部分:像控點(diǎn)布設(shè)和采集、無人機(jī)影像采集。
(2)數(shù)據(jù)整理:檢查控制點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)、航測影像數(shù)據(jù)、POS 數(shù)據(jù)的完整性。
(3)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理:通過軟件的模擬和計(jì)算進(jìn)行空中三角測量,得到預(yù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)并與像控點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配矯正(刺點(diǎn)),獲得最終帶有坐標(biāo)的三維模型等產(chǎn)品。
(4)精度驗(yàn)證:對生產(chǎn)產(chǎn)品進(jìn)行各項(xiàng)精度驗(yàn)證,確保達(dá)到質(zhì)量要求。
研究小組從模型的整體和局部細(xì)節(jié)兩方面分析基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的露天礦三維模型的精度。
整體方面(見圖2),山體模型形狀起伏有致,沒有出現(xiàn)顯著錯(cuò)誤,對原始地物的形狀還原效果好,和現(xiàn)實(shí)三維世界山體構(gòu)造一致。山體由道路分層,反映出礦山的開采特征。
圖2 模型工作面整體細(xì)節(jié)圖
局部方面(見圖3),在空間形變上,三維模型和現(xiàn)實(shí)照片幾乎沒有出入,道路彎曲程度完全一致,路邊的棱角也一致,現(xiàn)實(shí)三維世界地面上的石頭凸出明顯,可見空間形狀一致性較好;貼圖色彩上看,模型色彩稍微厚重、整個(gè)畫面較為銳利(峭壁下的影子),但與現(xiàn)實(shí)世界基本一致,沒有出現(xiàn)很大變化;從完整性來看,模型圖中沒有出現(xiàn)空洞,小石頭、山邊石層、水坑、石坑、地面劃痕等細(xì)節(jié)均能較完整地表現(xiàn)出來。
圖3 照片和模型對比圖(左圖為實(shí)地照片,右圖為模型圖)
3.2.1 像點(diǎn)精度評價(jià)
衡量空中三角測量加密和聯(lián)合平差的結(jié)果可以使用影像像元的均方根進(jìn)行評價(jià)。此次實(shí)驗(yàn)研究區(qū)域的像控點(diǎn)經(jīng)過平差后,其像元的均方根為0.53 個(gè)像元,小于個(gè)像元,滿足《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》(CH/Z3003-2010)要求。
3.2.2 像控點(diǎn)的精度評價(jià)
像控點(diǎn)的坐標(biāo)值在經(jīng)過空中三角測量加密聯(lián)合平差解算之后發(fā)生了改變。研究小組將其和外業(yè)測量坐標(biāo)值的平面及高程誤差值相比較來計(jì)算中誤差(見表1),中誤差計(jì)算公式為:
表1 像控點(diǎn)精度評價(jià)表
式(1)中,Δx、Δy、Δz 為x、y、z 方向上模型點(diǎn)坐標(biāo)值與真實(shí)測量值的差值,mx、my、mz分別為x、y、z 方向上的中誤差,m為平面誤差。
由表1 統(tǒng)計(jì)可得,平面坐標(biāo)中誤差為±7.9 cm,最大誤差為11.1 cm;垂直(即高程)中誤差為±9.2 cm,誤差最大值為-12.8 cm。平面和高程最大限差分別小于25cm 和35 cm,符合《數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范》(GB/T 23236-2009)要求。
3.3.1 平面精度評價(jià)
研究小組首先對模型中的檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取,然后和外業(yè)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行求差,計(jì)算出x、y、z 3 個(gè)方向的殘差,對模型進(jìn)行精度評價(jià)。檢查點(diǎn)的外業(yè)實(shí)測數(shù)據(jù)如表2 所示,提取檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)如表3 所示。由表2 和表3 計(jì)算5 個(gè)檢查點(diǎn)在x、y、z 3 個(gè)方向上的殘差,其結(jié)果如表4 所示。
表2 外業(yè)實(shí)測檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)表
表3 提取檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)表
由表4 統(tǒng)計(jì)可知,在統(tǒng)計(jì)的該地區(qū)檢查點(diǎn)中,x 方向上的最大誤差為6.6 cm,中誤差為±4.6 cm;y 方向上的最大誤差為8.6 cm,中誤差為±4.8 cm;平面最大誤差為10.2 cm,中誤差為6.7 cm。根據(jù)《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》(CH/T9015-2012),比例尺為1 ∶500 的精度應(yīng)控制在30 cm 以內(nèi)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,研究區(qū)誤差為6.7 cm,小于30 cm 的標(biāo)準(zhǔn),符合規(guī)范精度要求。
3.3.2 高程精度
由表4 可知,在統(tǒng)計(jì)的檢查點(diǎn)中,z 方向上的最大誤差為8.6 cm,中誤差為±6.3 cm,根據(jù)《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》(CH/T9015-2012),比例尺為1 ∶500 的高程精度應(yīng)控制在50 cm 以內(nèi)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,研究區(qū)高程誤差為6.3 cm,小于50 cm 的標(biāo)準(zhǔn),符合規(guī)范精度要求。
表4 三維模型檢查點(diǎn)坐標(biāo)殘差統(tǒng)計(jì)表
綜上所述,經(jīng)過空中三角測量加密和聯(lián)合平差后,像元的均方根為0.53 個(gè)像元;像控點(diǎn)在經(jīng)過空中三角測量加密聯(lián)合平差后與外業(yè)測量值對比,平面坐標(biāo)中誤差為±7.9 cm,最大誤差為11.1 cm;垂直(即高程)中誤差為9.2 cm,誤差最大值為12.8 cm;模型平面坐標(biāo)中誤差為±6.7 cm,最大誤差為10.2 cm;高程中誤差為±6.3 cm,最大誤差為8.6 cm。
從以上模型的像控點(diǎn)、檢查點(diǎn)、平面和高程精度值可以很明顯地看出,使用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行三維建模,其精度較高、分布均勻,符合測繪級別精度要求,完全符合《數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范》(GB/T 23236-2009)和《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》(CH/T9015-2012)等行業(yè)規(guī)范。
傳統(tǒng)的礦山地形測繪的技術(shù)手段有:(1)全站儀、GNSS 的單點(diǎn)式數(shù)據(jù)獲取手段。這種方法雖精度高,但作業(yè)效率低、危險(xiǎn)性大;(2)激光雷達(dá)技術(shù)掃描式獲取手段。這種方法效率高、精度高,但設(shè)備昂貴,數(shù)據(jù)量大且難以處理;(3)傳統(tǒng)攝影測量手段。這種方法拍攝角度單一,難以獲取地物的側(cè)面信息,其生產(chǎn)成果只能對長度、面積等平面信息進(jìn)行測量??傊?,傳統(tǒng)的技術(shù)手段較難全面地獲取礦山的三維信息。
傾斜攝影測量技術(shù)突破了影像視角單一的局限性,采用多視影像區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差的方法,利用SIFT 等算法從多角度的若干張影像中提取特征點(diǎn)和線,從POS 數(shù)據(jù)信息中篩選提取出傾斜影像的外方位元素。這種技術(shù)利用最小二乘匹配方法、同名點(diǎn)匹配法以及區(qū)域網(wǎng)光束法聯(lián)合平差來消除影像的幾何形變和遮擋影響,提高平差精度[6],由特征點(diǎn)、特征線、控制點(diǎn)以及POS 數(shù)據(jù)建立誤差方程,最終求得影像的外方位元素和物方坐標(biāo)。
為解決由于露天礦山高程落差大而導(dǎo)致三維建模效果不理想的情況,研究小組在高程變化明顯的地方均勻布設(shè)控制點(diǎn),并且在無人機(jī)采集數(shù)據(jù)時(shí)根據(jù)已有地形數(shù)據(jù)人為控制調(diào)整飛行高度,保證了區(qū)域各處重建效果和精度的一致性。研究小組利用無人機(jī)搭載傾斜相機(jī)鏡頭獲取研究區(qū)影像,大大減少了外業(yè)測量工作量。露天礦區(qū)地物間相互遮擋較少,經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明,影像效果好,構(gòu)建的模型精度優(yōu)于10 cm,作業(yè)效率高、費(fèi)用低。
研究小組通過對無人機(jī)傾斜攝影測量與三維建模的研究,結(jié)合廣西某礦山的三維模型生產(chǎn)實(shí)例論證該技術(shù)可行性。實(shí)驗(yàn)得到模型平面坐標(biāo)中誤差為±6.7 cm,最大誤差為10.2 cm;高度中誤差為±6.3 cm,最大誤差為8.6 cm,模型精度可達(dá)厘米級,且均符合行業(yè)參考精度要求。實(shí)驗(yàn)直觀表達(dá)了基于無人機(jī)傾斜攝影三維建模與礦山測繪結(jié)合的可行性,并得到以下結(jié)論。
(1)基于無人機(jī)傾斜攝影的三維建模能夠滿足礦山表面測繪需求,模型的精度達(dá)到相關(guān)規(guī)范要求。
(2)相較于同類三維建模方式,無人機(jī)傾斜攝影測量更適合礦山測繪,它性價(jià)比高,采集數(shù)據(jù)速度快,生產(chǎn)模型效率高。運(yùn)用該技術(shù)可減少測繪人員在礦山危險(xiǎn)區(qū)域的地面實(shí)測次數(shù),既可以提高安全性,又可以為露天礦山開采以及其他工作提供相關(guān)數(shù)據(jù)支撐。
(3)礦山環(huán)境復(fù)雜,下一步應(yīng)繼續(xù)探討影像數(shù)量、航高、地形因素、天氣因素等條件對模型精度的影響,以進(jìn)一步推廣無人機(jī)傾斜攝影測量在礦山環(huán)境治理、資源估算、開采監(jiān)測等領(lǐng)域的應(yīng)用。