无人机倾斜摄影测量在矿山地质中的应用分析

无人机倾斜摄影测量在矿山地质中的应用分析

王靖伟 1 李召龙 2 潘莉 3 许霄霄 4

1， 2， 3.日照市自然资源和规划局 山东日照 276800 4.山东省土地调查规划院 山东济南 250000

摘要：倾斜摄影测量在国内发展较晚，其通过无人机搭载一个竖直镜头和多个倾斜镜头，从不同角度采集影像，不仅能获取清晰的顶部信息，同时还获得完整的侧面纹理，后期生成的三维模型能从多角度进行信息量测，直观性强，精度高。该技术已在城市规划、文物保护等领域内取得了不错的效果，但在矿山地质测量中鲜有应用。基于此，笔者尝试将倾斜摄影测量技术应用到矿山地质中，详细阐述其内外业操作流程，通过得出的三维模型进行分析，并依据模型仍然能获取竖直摄影中的传统成果，达到真正的“一模多用”。

关键词：无人机倾斜摄影测量；矿山地质；应用

前言：中国是矿产大国，矿物种类多，分布广，开采及治理水平参差不齐。处理不当会引起资源浪费、环境污染等问题，甚至导致地质灾害，威胁生命财产安全。为了监督合理开发，检查私挖乱采，保护环境杜绝灾害的发生，需要摸清中国现阶段矿山地质情况，类如计算储量、定边定界等工作成为重中之重。因此无人机倾斜摄影测量技术的运用使数据成果既有很高的精度，还具备直观性，多方兼顾，达到良好的效果。

1优势

(1)定位精度。

众所周知，测量数据都存在误差，在必要观测条件下无法对误差进行消除和减弱，因此需要进行多余观测，倾斜摄影测量在相同条件下的数据量是竖直摄影的2～5倍，大大增加了多余观测，提高了精度。另外，阿贝比长原理规定:量测长度时尺子与目标平行则结果最优，角度越大则误差越大。而对摄影测量而言，如图1所示，O1、O2为两个不同角度的摄影中心，其摄影基线与目标越接近平行即光轴与目标尽可能垂直，则测量精度越高。传统摄影测量只从竖直方向观测，其基线平行于XY平面，因此该模式下的目标在XY方向精度最高，而与XZ、YZ平面角度过大使在Z方向的精度成为传统摄影的短板。倾斜摄影测量增加了大角度影像观测，其摄影基线与XZ、YZ平面的夹角大幅度减小，对某些特殊侧面甚至接近平行，由此不仅提高了Z方向精度，而且进一步减小了X、Y方向的误差。同时多方位的拍摄更好地获取了目标侧面的纹理，实现了不同角度信息的互补，对轮廓的还原效果更优。

图1倾斜多角度观测

(2)成果质量。

传统竖直摄影测量生成的基本都是二维平面数据，分析起来较为困难，对技术经验要求较高，某些盲区还需要后期现场补测调绘。而倾斜摄影测量的成果以三维模型为主，在高精度的数字表面模型DSM基础上进行纹理映射，直观性强，使用者能够方便地在模型上对矿山地质的剖面、沟坎、坡向线进行分析，对不同种类的区域例如采矿区、找矿区、废弃物堆积区等区域的判读率也提高了很多，此外还可以在模型上绘制传统竖直摄影测量生成的数据成果。因此，倾斜摄影测量为从业者提供了更加全面的基础数据。

2技术流程

2．1外业采集

由于建模对精细度要求很高，而旋翼机较固定翼飞行高度低，速度慢，能够很好地拍摄目标纹理，因此在飞行平台的选取上以旋翼机为主。相机应搭载多镜头，即1个下视镜头和数个倾斜镜头，通常以5镜头为主。根据测区地形规划航线，重叠度应在70%以上，分辨率应设定在5cm以内，并以此定义航高。若测区面积较大，单个架次无法完成时，应当在架次之间保留1～2条航线的重叠，以便后期能准确拼接。设定完毕后，飞机按航线飞行进行拍摄，其后检查像片是否有大量曝光、云烟遮挡现象，有无漏拍、序号与POS信息是否对应等情况，合格后便可进行下一步的处理。

2．2内业处理

由于现今倾斜相机还不能计算自身POS，只有下视镜头具有位置姿态信息，因此只能通过下视镜头和倾斜镜头的位置关系计算所有像片。将像片加载进相关建模软件，分别进行空中三角测量(简称空三)、点云匹配、DSM生成、表面重建、纹理映射等，生成最终的三维立体模型。同时，在该模型基础上，利用第3方软件，生成传统竖直摄影常出的数字正射影像DOM和数字线划图DLG，可谓是一模多用。倾斜摄影技术路线如图2所示。

图2倾斜摄影技术路线

3成果应用

3．1常规量测

在分析规划前，通常要基于数据结果对测区目标进行一个初步的了解，例如目标的长度、宽度，该区域的面积、体积，以及平面坐标和高程。而基于这些数值，传统的二维正射影像只能量取坐标，且无法测量Z方向的高度，数字线划图虽然平面高程信息都有，却无法可视化，加大了量取难度。三维模型在综合了二维数据优点的基础上，既能够清晰反映不同角度的纹理信息，同时还体现了平面高程的属性，在模型上能够轻松获得所需的各种基础数据，例如开采区的高度、宽度、面积、体积等，并且精度完全满足需求，为后期的工作打下基础。

3．2特征地物绘制

对于矿山区域需要准确知道其界限、边坡等信息的具体位置，以便对后期开采实行科学安全的管理。其中不免要对测区的边坡、沟坎进行准确描绘，并且记录在相关数据库中。传统竖直摄影测量生产的二维数据仅具有顶部信息，无法区分判断顶部和底部，倘若直接在影像上绘制容易导致信息错误，造成严重后果，而三维模型本身具有的立体视角解决了这一困难，即使立体感较差的作业人员都能够轻松地在模型上绘制，大大降低了技术门槛。

3．3规划设计

对矿山地质区域的开采需要根据现场地形条件进行合理规划，例如如何选取开采作业点，哪些区域容易发生滑坡、崩塌等隐患，机械设备的进出场路线及废渣场址的选择等问题都需要基于数据结果进行。传统二维航测产品只从垂直角度拍摄，很多遮挡区域没有充分体现出来，甚至产生盲区，丢失了很多信息，有些甚至需要到现场实地调绘，给规划设计带来一定的困难。而倾斜摄影通过多个角度拍摄，目标的各个方向都能清晰显示出来，作业人员通过不断切换角度，能够清晰直观地看到测区内任何一个地方的具体情况，真正做到了将矿山地质“搬到了”室内。

3．4附属产品

尽管三维模型已经在各个方面比传统产品具有明显优势，但现今行业内对传统竖直摄影测量产生的结果仍然需求量很大，其中数字正射影像DOM和数字线划图DLG是主流产品。这也使得目前很多从业人员仍然沿用传统航测的技术流程。而倾斜摄影同样可以生产DOM和DLG。在DLG的生成上，将三维模型导入第3方编辑软件，其中以清华山维软件为例，将模型通过该软件转换为OSGB格式并加载，通过常用的鼠标、键盘在模型上就可绘制线划图。三维模型的高精度和立体视角，使其在地物的捕捉和等高线的切合上更加准确。DOM的绘制相比前者更加简便，三维模型本身具有DSM性质和纹理信息，且多角度拍摄省去了传统航测在DOM制作上大量的像素填充，同时消除了投影差带来的拉花现象，能够达到真正射的标准。综上所述，三维模型不仅突破了业内人士对数据成果的利用局限，其质量也远远超过了传统的航测产品，同时基于模型依然能够产生DOM、DLG等常用结果，起到了一模多用的效果，也充分证明了倾斜摄影测量在矿山地质中应用的先进性。

4结论

通过外业采集、内业处理对测区建立相应的地质三维模型，重点探讨了基于三维模型分析和获取各种信息数据的过程，并与传统竖直摄影测量进行了对。结果显示，将倾斜摄影测量应用在地质行业上其效果较为显著，优势更加明显，同时形成一套将倾斜摄影测量应用于矿山地质的完整方案，不仅为后续的地质工作生产出更直观精确的基础数据，也给相关从业部门提供了一定的技术参考。

参考文献:

［1］吕山．无人机航测系统在地质测绘中的应用研究［J］．世界有色金属，2018(1):18．

［2］王玉龙，王建忠，李锦，等．无人机低空航测在环境地质调查中的应用［J］．矿山测量，2017，45(5):39．