葉柳棟

［關(guān)鍵詞］無人機；傾斜攝影；礦山地形；測繪

無人機技術(shù)是指通過遙控或自主飛行的方式，使用無線電、紅外線、激光雷達(dá)等多種傳感器來進(jìn)行實時監(jiān)測和采集數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)設(shè)目標(biāo)執(zhí)行任務(wù)的一項現(xiàn)代化技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無人機技術(shù)在民用和軍事領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用[1]。在民用領(lǐng)域，無人機常被用于氣象探測、航拍攝影、災(zāi)害救援、物流配送等方面；而在軍事領(lǐng)域，則可以為偵察、監(jiān)視等提供支持。由于其能夠占領(lǐng)空中高地并且具有超強載荷能力以及長時間待機特點，在某些場合下甚至可以替代直升機或者固定翼飛行器[2]。未來，隨著相關(guān)技術(shù)的不斷革新與創(chuàng)新，無人機將會扮演更加重要和廣泛的角色，并有可能成為未來智慧城市建設(shè)中不可缺少的一部分。

目前對礦山地形測繪的方法主要有兩種，第一種是基于GIS（地理信息系統(tǒng)）的礦山地形測繪方法，主要依靠GIS軟件和工具來獲取、存儲和分析可視化地質(zhì)數(shù)據(jù)，通過對各種類型的地理數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得礦山地形測繪結(jié)果。另一種是基于遙感技術(shù)的礦山地形測繪方法，主要依靠使用測量儀器、衛(wèi)星影像或其他采集設(shè)備獲取地面數(shù)據(jù)和圖像，通過對其進(jìn)行處理，獲得礦山地形測繪結(jié)果。由于以上兩種方法在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等方面均存在不足，故其測繪效果欠佳。基于此，引入無人機傾斜攝影技術(shù)，完成礦山地形測繪方法設(shè)計。

1 基于無人機傾斜攝影的礦山地形測繪方法設(shè)計

1.1 建立礦山地形測繪模型

1.1.1礦山地形測繪數(shù)據(jù)庫

對基于無人機傾斜攝影的礦山地形測繪方法首先需要建立礦山地形測繪數(shù)據(jù)庫，如圖1所示。

顯示了礦山計量過程和測繪數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。礦山測繪數(shù)據(jù)庫針對描述礦山景觀的數(shù)據(jù)分為3種形式存儲，主要是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、初級數(shù)據(jù)和性能數(shù)據(jù)。多形式下的存儲有助于調(diào)用過程[3]。挖掘和映射數(shù)據(jù)庫的管理主要涉及數(shù)據(jù)庫中各種數(shù)據(jù)的管理和存儲。礦山景觀測繪模型的數(shù)據(jù)庫模型主要負(fù)責(zé)礦山景觀數(shù)據(jù)的存儲和管理。運行以外的地面數(shù)據(jù)在運輸數(shù)據(jù)處理過程中分類，可分為地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及其他數(shù)據(jù)。這類數(shù)據(jù)是測繪基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，不管數(shù)據(jù)形式如何統(tǒng)計存儲在測繪數(shù)據(jù)庫中，但調(diào)用時會以圖像或數(shù)據(jù)表格形式顯現(xiàn)。

1.1.2可視化模型

可視化子模塊主要包括了礦山景觀模型的展示模塊、剖面切割展示模塊、CAD界面、數(shù)字仿真接口模塊等。圖2中展示了在本文的測量與映射模塊中的可視化模型的流程圖?？梢暬幽K的數(shù)據(jù)流包括錄入礦山景觀數(shù)據(jù)、可視化模型的結(jié)構(gòu)以及可視化模型對數(shù)據(jù)的操作流程。增加了專業(yè)的數(shù)據(jù)模擬接口，同時增設(shè)了數(shù)值模擬應(yīng)用程序，能夠?qū)ΜF(xiàn)有的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時映射處理。為保障上述數(shù)據(jù)程序的使用，創(chuàng)建多種建模數(shù)據(jù)格式，將地形數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫中，創(chuàng)建采礦景觀的三維可視化圖樣，同時加載顯示，可對顯示圖像執(zhí)行縮小、縮放、旋轉(zhuǎn)、等比例拖拽等實際操作[4]。在檢查站放置掃描工具，收集測量區(qū)域的數(shù)據(jù)，根據(jù)工作要求獲得現(xiàn)場點云數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理。要處理點云數(shù)據(jù)，需先將其連接，然后進(jìn)行具體處理。創(chuàng)建物理模型，并將可視化圖像與真實圖像相匹配，在匹配圖像中恢復(fù)真實的紋理型礦山。結(jié)合經(jīng)緯度線在圖像中劃定空間坐標(biāo)，利用數(shù)字化測繪技術(shù)對描繪的圖形區(qū)域分析，得到對應(yīng)的測繪目標(biāo)。

1.2 基于無人機傾斜攝影測量技術(shù)采集數(shù)據(jù)

使用無人機測量技術(shù)可以提高圖像采集的品質(zhì)，有效避免獲取到傾斜的圖像，從而減少進(jìn)行傾斜圖像校正所需的時間[5]。通過在山區(qū)礦山地形中應(yīng)用傾斜無人機成像掃描技術(shù)，可以實現(xiàn)：節(jié)省掃描成本，提高掃描質(zhì)量和效率，確保掃描有效性。由于其高穩(wěn)定性和靈活性，無人機可以確保非金屬數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和獲取。從礦山收集數(shù)據(jù)時，首先應(yīng)該在無人機位置的底部、左側(cè)、右側(cè)、前后安裝一個便攜式攝像頭，并在準(zhǔn)備調(diào)查之前做好準(zhǔn)備，測繪信息主要包括：天氣情況、環(huán)境數(shù)據(jù)以及無人機飛行參數(shù)等基礎(chǔ)參量。當(dāng)無人機測繪過程中山區(qū)地形和氣候無明顯變化時，無人機對掃描區(qū)域圖像的每個點進(jìn)行區(qū)分，分為非金屬區(qū)和金屬區(qū)兩種。假設(shè)掃描區(qū)域內(nèi)的實際測點與圖像上成像點的比例尺為L，其計算公式如式（1）所示：

L=l₀/h₀×h₁ （1）

其中，l₀為無人機拍攝的焦距參數(shù)；h₀為無人機飛行實際高度；h₁為非比例尺下的有效圖像點距離。根據(jù)公式（1），可以調(diào)整無人機的飛行高度多次計算，這樣可以確保收集的礦山圖像的準(zhǔn)確性。在無人機傾斜成像掃描時，圖像向量位移與飛行速度之間存在直接關(guān)系，二者關(guān)系式如式（2）所示：

W= tl₀/h₀（2）

公式中：W是標(biāo)定測繪點的參數(shù)位移；t 為掃描過程曝光時間。根據(jù)公式（2），無人機使用低速飛行模式，曝光時間采用最慢，測量圖像分辨率選擇最大的形式采集圖像，這樣可以確保山區(qū)地形收集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通常低飛行模式下的無人機，在標(biāo)定非金屬礦山數(shù)據(jù)之前，需要檢查飛行區(qū)域是否有強磁性，防止磁性干擾，需要無人機反復(fù)飛行，按照原軌跡重復(fù)多次采集。設(shè)計無人機飛行高度時，要規(guī)劃山區(qū)地形制高點，保證飛行過程中采集到的非金屬礦物圖像是在規(guī)定比例范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)采集開始在預(yù)定路徑內(nèi)，按照一定時間間隔進(jìn)行采集。如果圖像數(shù)據(jù)的獲取不合格或不完整，重新采樣，確保從礦山中獲取良好數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)。

1.3 確定航測的基本航線

無人機在礦區(qū)進(jìn)行空中觀測時，利用當(dāng)?shù)氐牡貓D圖像信息作為空中觀測分析的主要參考值，確定基本坐標(biāo)信息、導(dǎo)航方向、航線等飛機信息，保證無人機在實際測量中可以順利實現(xiàn)三維重疊。

在進(jìn)行空中監(jiān)視工作時，需要在深入研究的基礎(chǔ)上確定礦區(qū)內(nèi)的待測區(qū)域，并與幾個相關(guān)參數(shù)的設(shè)置相聯(lián)系，包括空中監(jiān)視的主要方向、空中監(jiān)視的拍攝角度、礦井坐標(biāo)、重疊角度等。對采集的數(shù)據(jù)重組分析，加上采用定位技術(shù)和高位成像技術(shù)的輔助，得到的圖像能夠充分反映測繪目標(biāo)的實際情況，并獲得更多關(guān)于礦山建設(shè)的信息。

無人值守設(shè)施應(yīng)在基于預(yù)定方向指示器的測量工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行測量工作?？罩薪煌ü苤茊T應(yīng)特別注意在空中監(jiān)視任務(wù)中使用無人機。為了發(fā)現(xiàn)與使用無人機有關(guān)的問題，必須及時采取行動，為空中監(jiān)視的順利進(jìn)行提供重要支持。此外，在無人機空中檢查的情況下，相關(guān)人員必須進(jìn)行一系列檢查，按照相關(guān)規(guī)定分析現(xiàn)場的實際情況，在分析后組織無人機，并仔細(xì)監(jiān)控現(xiàn)場的工作環(huán)境。同時，有關(guān)人員必須根據(jù)礦山基礎(chǔ)研究需求，采取積極措施提高無人機的精度，擴(kuò)大無人機的覆蓋范圍。

根據(jù)觀測區(qū)的觀測結(jié)果和精度要求以及無人機的相關(guān)參數(shù)，準(zhǔn)確掌握觀測區(qū)的景觀結(jié)構(gòu)，確定無人機空中觀測區(qū)對應(yīng)的空中觀測路線。該測試區(qū)域使用飛馬座無人機管理器的智能路線功能來確定飛行區(qū)域并創(chuàng)建最佳路線。在景觀波動較大的地區(qū)，使用固定高度飛行可能會導(dǎo)致不同的地面分辨率。為了確保觀測飛行的覆蓋范圍和圖像質(zhì)量符合要求，可以選擇模擬地面來增加飛行。

1.4 像控點的布設(shè)

本文研究的野外照片控制點的布設(shè)應(yīng)嚴(yán)格遵循我國制定的地形圖航拍標(biāo)準(zhǔn)比例尺標(biāo)準(zhǔn)。首先，主要控制點應(yīng)布置在觀測區(qū)外，以確保觀測區(qū)內(nèi)水平和高度的準(zhǔn)確性，并滿足后續(xù)測繪工作的需要。照片控制點位于標(biāo)題之間，在整理周圍圖像的范圍內(nèi)有三到四張圖像。

為方便控制點的安裝，圖像的控制點一般安裝在比較平整的表面上。為達(dá)到準(zhǔn)確度要求，在安裝圖像控制器前，還應(yīng)安裝控制點以檢驗結(jié)果的正確性。每組圖像控制點都需要經(jīng)過錄制并保存下來，這才能夠清楚地表現(xiàn)圖像控制點的區(qū)域特點。在采礦勘查活動中，由于受到地質(zhì)條件的干擾，更易產(chǎn)生凹凸地形，因此在此基礎(chǔ)上，可在凸角上設(shè)置額外的控制點區(qū)域，并適當(dāng)?shù)夭贾迷谙噜彽膮^(qū)域系統(tǒng)。0.1 mm被用作圖像選擇和照片控制點選擇控制的重要參考標(biāo)準(zhǔn)，并且點位置被選擇在存在清晰圖像的地方。

應(yīng)優(yōu)先考慮持續(xù)使用通用衛(wèi)星定位服務(wù)（CORS）系統(tǒng)來測量照片控制點。在CORS信號未覆蓋的區(qū)域，通常應(yīng)使用自建基站對單個基站進(jìn)行RTK測量。測量單個基站的RTK時，應(yīng)使用測量區(qū)域內(nèi)的測量點校準(zhǔn)該點。

2 對比實驗

2.1 實驗說明

為驗證上文所設(shè)計方法的實用性，建立對比實驗。將文中方法即基于無人機傾斜攝影的礦山地形測繪方法與基于GIS的礦山地形測繪方法以及基于遙感技術(shù)的礦山地形測繪方法進(jìn)行對比研究。

2.2 實驗準(zhǔn)備

為驗證所提方法的先進(jìn)性，選取某礦山開展研究，該礦區(qū)真實高度為173.2 m，礦區(qū)內(nèi)的斷層節(jié)理裂隙不發(fā)育，未見斷層，礦山整體巖層相對完整，地質(zhì)環(huán)境與構(gòu)造條件簡單。以此為基礎(chǔ)，考慮到其能夠適應(yīng)復(fù)雜的地形和氣象條件，選擇大疆Phantom 4 RTK型號無人機設(shè)備開展實驗。

2.3 實驗結(jié)果

實驗結(jié)果如圖3所示：

基于無人機傾斜攝影的礦山地形測繪方法與山體實際高度情況一致，而基于GIS的礦山地形測繪方法以及基于遙感技術(shù)的礦山地形測繪方法與實際情況出入較大，所以能夠得出基于無人機傾斜攝影的礦山地形測繪方法最為準(zhǔn)確。

3 結(jié)論

通過無人機傾斜攝影測量技術(shù)，直觀具體地呈現(xiàn)出山區(qū)地形下的礦山整體情況，與基于GIS的礦山地形測繪方法以及基于遙感技術(shù)的礦山地形測繪方法對比分析，結(jié)果表明無人機傾斜攝影技術(shù)更具優(yōu)勢，測量結(jié)果更為準(zhǔn)確。