無人機三維攝影技術在礦山地質勘查中的應用探究

張玉剛，呂忠良，毛洪輝，任曉軒，晏繼君

中國整體經濟建設的發展促使中國各產業發展得很快。近年來由于技術的進步，尤其是電子計算器的快速發展，使得大型民用無人機空中航拍控制系統在中國的方方面面都得以應用，而且無人機航拍控制系統的測量結果表現出了很多的技術優勢，通過加快無人機航拍測量系統的技術的進展，可以將它迅速的運用于地質、礦區災害處理等應用領域。

1 無人機攝影測量的特點

1.1 操作簡單、成本也相對低廉

相比于一些傳統航空檢測儀器，在無人機攝影檢測中投入的成本也相對低，而且人為操作較為簡單，也不需要經過過量的訓練就可以完成操作。

1.2 圖像清晰度

在攝影檢測項目中，無人駕駛飛行器占有了重要的優勢，它可以獲取較高清晰度的圖像，相對于傳統的遙感檢測方法，它不受云層的束縛。由于無人機能夠隨意的在云彩下飛翔，所以獲取的圖片并不會因為被云彩擋住而影響到清晰度，同時，由于無人機還能夠從不同視角進行拍攝，從而有效的提高了數據信息的準確度，從而彌補了傳統遙感檢測科技的不足。

1.3 精度高

由于無人機在行駛過程中能夠全方位轉換，而且飛行高度都在一公里之內，自身所配備的攝像機都是高清的，其攝像的精確度也可以做到亞米級水平，所以，通過無人駕駛的飛行器來完成測量工作，可以在一定程度上提高工作的水平。在我國的當前礦山勘探作業中，無人機除了滿足其高精度需求，也可以被應用到中低空攝影測量領域，同時適應高精確度測量需求。

1.4 安全與靈活

總的來說，由于無人機本身重量比較輕，所以人工操縱也相對簡單，在穩定性和靈敏度等方面都要優于常規測繪技術，同時在真實的無人機操控過程中，由于外部的自然條件因素對無人機干擾甚少，所以即使出現了不良的氣象，也不會干擾到無人機正常的行駛。在實際試飛過程中，也不會無人機發生了故障，也不會危害到操作人員的安全，這也就解決了生命安全這一關鍵性問題，同時增強了礦山勘查工作的穩定性。

2 無人機傾斜攝影測量概述

2.1 傾斜攝影技術

近年來，傾斜攝影是在我國科學技術應用領域蓬勃發展出來的攝影測量技術手段，利用技術手段在垂直和水平四種視角傾斜五個不同的方向同步采集圖像的視角，可以在建筑的頂部和高分辨率的紋理等方面更加豐富。它不但能精確地表現地面物體的運動狀況，同時還能更精確地得到地面物體的紋理信息。它還能夠利用先進的定位、融合、建模，以及其他技術手段來制作逼真的3D 建模。

2.2 無人機傾斜攝影測量系統組成

2.2.1 自駕及慣導系統

航飛自駕及慣導控制系統，簡稱飛控。主體包含，陀螺儀，加速度計、地磁感應、GPS 模塊和控制電路，主要用途是自動感應無人機設備的飛行姿態，并監控飛機路徑。

2.2.2 傾針攝影相機

傾斜攝影鏡頭通常是由一個垂直或者四個傾斜五個左右的全視角高像素面陣數碼相機頭構成，在特定角度下放置于云臺上。斜置相機包含一個更小的相機、一個前視相機、一個后視攝像頭、一個左鏡頭和一個右鏡頭，相機是垂直的，前裝相機、后置鏡頭、左相機和右鏡頭也是傾斜的。用來拍攝地的側面紋理影像，傾斜范圍在15°～45°之間。

2.2.3 云臺

云臺是安置、穩定照相機的基礎裝置，能夠降低航拍過程中的無人機飛行姿勢對照相機拍攝角度影響。

2.2.4 地面控制系統

地面系統，一般分為計算機、信息傳送控制系統和地面自動控制系統。

2.2.5 其他設備

包括發射架，車輛，降落系統等。

3 無人機傾斜攝影技術的測繪方式

無人機傾斜式拍攝技術具有國際領先水平，可以提將數據信息的表現得更為直接和精準，在測繪礦山的地貌時候能夠同時從多種視角加以觀測，將礦山的地質狀況更為逼真地表現出來，同時也可以大幅節約人力物力以及財力，使地質的地形特征更為全面，更為完善地表現出來。對地形的測量傳統方法在正射影像當中所出現的缺陷通過無人機設備可以加以克服，從而代替了原來傳統單一方式的測量方法。通過無人機設備還可以對礦井的高程距離及各類相關信息在影像當中進行檢測，把傳統無人機設備的拍攝技術優點發揮出來，可以實現更大面積的高空攝影，從而可以把礦井地質紋理用立體模擬的方法表現出來，從而得出高度相關的數據。

3.1 前期考察調研

在無人機航拍進行前，首先要對礦山攝影的區域加以判斷，對拍攝畫面的清晰度加以判斷和調節，為防止發生意外的情形，適當對攝影區域增加一些噪點。

3.2 拍攝航線的確定

將前期調查中所獲得的所有資料和數據，都加以綜合的整理并對之加以分析，并將這些調查所得的所有資料都以大數據的方式展示出來，同時配合無人機的控制軟件，可以調節的分辨率，以及把航拍的高度、畫面的所有數據都添加到其中，把航拍的道路規劃好。

3.3 內外業的航拍與處理階段

在飛機的平臺上搭載了斜面視角和垂直于視角的感應器，同時在采用無人機傾斜技術拍照的同時要把礦山的相關的所有數據都完成相應的錄入，并統一完成數據分析和匯總。比如航拍的方位、鏡頭的視角，以及畫面大小等信息。當對礦井地質的無人駕駛飛機傾斜攝影攝像技術都完成以后，要由專門的人員利用一些軟件對攝影信息來完成數據處理和解析，最后可以獲取一個三維立體的模型。而無人駕駛直升機的傾斜攝像技術，不僅能夠直接把取景地的現場狀況信息帶給技術人員，還可以顯示出礦井的實際地理位置，從而顯示更多的相關數據，以便得到更加完善的礦井地質。

3.4 對測量結果進行評價

對礦山地形的測定結果的確定，取決于檢查點的結果是否精確。所以，對采礦地質項目的所有檢測結果，都必須采用檢查點法來進行仔細的檢驗，以檢查項目的合格程度和完整程度，而對于采礦地質的攝影畫面當中有無明顯的拼接痕跡都要進行仔細的檢驗，以保證所拍攝資料的準確性。

4 無人機航空測量技術在采礦地質中的運用

4.1 航測技術在礦山測繪中的應用

采礦測量圖是在采礦的開采過程之前規劃測量和繪制，將地表現有的地表特點和界線利用測量手段，得到表現在地面現狀上的圖像和位置信號，供礦山工程的規劃設計時使用，主要運用了無人機攝影畫面清晰的特點。在確定開采有色金屬礦工程后首先確定開采區域，以確定的采礦區域的地圖圖像為航空勘測的依據，設置坐標方位和飛行軌道。接著，從所有計算機中選擇橫縱雙向的交叉布線方法。檢查預設的自動航測控制參數和飛行狀況，并檢測無人駕駛飛行器的蓄電池容量狀況能否適應整個飛行測試的流程，以保證各項管理工作順利完成。內部布點的情況為地面監控外業技術人員在野外刺點，測繪圖是按照《1：500，1：1000，1：2000 區域地形圖航空攝影測量外業技術規范》中所規定的地區網點圖執行的，在繪制過程中依據礦山地區中的地形地貌，標示出了地面區域死角。設定好無人機數據后就可以完成航拍功能，將無人機在行駛時獲取的圖片與數據分別上傳到了電腦中，由系統完成了數據處理，將圖片進行等比還原后制造出了目標區域礦產的測繪地圖，并說明區域內的礦區所在具體位置、危險地帶內的情況，以及地標間的相對位置等。用航測技術的高精確性結合數字化處理圖形的智能化，在提高測繪圖形準確率的基礎上減少了圖形繪制的困難。

4.2 空中三角加密測量

在獲得礦山記錄的攝影數據信息時，必須做好攝影資料的預處理，如攝影數據信息的畸變校正、轉換、增光勻光等處理。經過了上述運算之后完成了高空三角加密測量，這主要是基于無人機設備的傾角拍攝測量技術，雖然有效的改變了傳統無人機拍攝設備垂直拍攝技術只可以獲得垂直方位圖像資料的不足，從而達到了多角度、全方位地拍攝監測區圖像數據的目的，同時得到的圖像數據資料也比較完整，從而減少了測量區測繪盲點的幾率，但由于無人機拍攝設備傾角拍攝技術不可避免的受到周圍高大林木、建筑結構等因素干擾而會產生拍攝盲點，所以此時就必須通過高空三角加密測量，才可以通過在航拍流程中手動保存的POS 數據信息加以解算，從而制造出準確率較高的礦區成果資料。

外部的環境因素對地面測量過程產生的影響也是不可避免的，比如植被影響，正是這種外部影響造成了無人駕駛飛行器在實際的傾斜拍攝過程中往往達不到對地面控制區域測量的實際條件，甚至是存在著測量區域盲區問題等，最后仍然達不到地面測量期望的結果。在這種時刻空間三角加密與校準的主要工作的特性就凸現起來了，通過采用空間三角加密數據處理與校準就能夠很高效的克服地面測量準確度不達標的問題。而空間三角形加密處理的主要優點就是可以建立在精確估計出地面影像外的方位元素上，然后再利用一些軟件的相互配合把影響因素全部去除掉，這么做不但能夠很高效的改善地面測量的準確性，同時也可以很有效率的提高地質條件較差的地區航測結果。在實現地空中三角形加密處理工作的基礎上，還能夠根據礦山測量中的輸出要求將DOM、DEM、DSM 等模塊輸出。

4.3 傾斜影像獲取及預處理

在開展實施無人機航拍任務前必須做好航線的設計，在掌握測量區域基本狀況的基礎上，充分考慮無人駕駛飛行器的性能參數選擇適當的試飛日期和飛越時間，進而才能開展外業的傾斜攝影工作。在航空攝影過程中可獲得多角度拍照影像資料，在相關的攝像控制器和加密點范圍內自動獲取，并得到相關的傾斜影像資源。在對已測量區域內的數據信息收集完畢后通過對測繪數據的預處理，將獲取的傾斜影像，將其反投影至新創建的虛擬映像中，目的是為降低突出于地面豎直物體上的重影現象。

4.4 數據采集

三維空間資料模式的建設，是指通過對多視點傾角影像采用幾何校準、聯合平差、多視對應等各種運算，最后得到可視化的三維空間傾斜模式的流程。在三維空間資料模式建設完成后，就能夠通過信息處理軟件得到測量范圍內的地物、地貌等數據。數據處理的收集工作，一般包括以下三方面的內容：①地物要素的收集工作，一般由監測任務人員自動完成，如通過捕捉影片中的像控點、構筑物等，有助于提升監測的準確度；②地貌要素三維信息的自動獲取，基本上涵蓋了對監測地區等高線、高程注記點等的收集工作，雖然能夠通過現代化的信息處理軟件平臺實現，但必須通過后期監測人員的人工整飾和取舍，才能夠投入實際使用；③地物等自然要素遮蔽問題的解決上，對相片資料中的遮蔽地區予以補充檢測，將有助于提升最終的檢測準確度。在獲取飛機圖像數據信息的技術基礎上，先通過圖像數據信息預處理并對其執行空間三角加密數據處理，完成后執行校正、平差、鑲嵌等數據處理，再通過MapMatrix 全數碼攝影測量技術收集地形數據信息，并自動生成出1：2000 地形曲線，對得到的產品執行測試，如出現了問題，則需要再執行對檢查數據的修正，直到位置圖確定無誤為止。

4.5 匹配生成密集點云

在對影像數據分析實現多視點聯合空間三角加密測量的技術基礎上，進而生成出測繪區內密集點云數據分析，對密集點云數據分析通過點云數據抽取、整合、優化等處理過程，并通過POS 數據處理中所涉及的外位置元素，以及特征信息匹配等方法生成出高密度的DSM 數據分析等，從而為建立礦山三維空間地理環境提供了技術基礎。

4.6 數據處理以及成像

（1）解析了空間三角測量后，在實際工作中，有關人員就可以直接通過全數碼攝影測量工作站，然后再通過其他的各種過程，具體如像控點測量、像點連接等過程，對DOM 的合成和空間三角測量的自動化進行。至于相機數據和控制點部分，則需要加以測試，當確定其沒有什么錯誤以后，再進行像控點檢測。

（2）對于外業調繪法，在具體的流程上，首先需要對全野外調繪法做出分析，然后再利用航空影像技術，對DEM 數據做出整合。

（3）對于地形圖數據的收集和管理，也要通過全數碼攝影監測工作站，直接對數據信息加以采集，而所采用的模擬對象：自動恢復模式，可以實現立體化、全面的圖形檢測，從根本上避免了二次誤差問題，為測圖的精度提供了保證。在采集工作真正開始以前，一般需要先完成空三精度檢測工作，然后再通過像控點開始測量，當確定其滿足了相應的精度條件之后，再陸續開始后面的作業。

（4）同時制造DOM 和DEM，在此流程中，重點是借助相關軟件對DEM 完成制造，同時需要保證其制造精度可以與經過處理和剪輯后的地形圖數值保持一致，在完成了以上的全部步驟以后，還需要繼續借助于專用軟件，對真正攝影影像完成制造，在這一過程中，還必須妥善做好技術把控工作，以避免產生誤差的問題。

4.7 對影像的特征進行利用

運用遙感等地質勘查技術能夠對不同的地理映像特點加以分析，從而正確的對所勘察地區的與地層或柱形圖相對的地層和巖漿等進行分類。而運用地理影像特征進行地區或是單元分類，是對某一地區進行遙感研究的主要前提條件，同時也是對所研究地區的地層和巖漿等物質活動特征進行比較的主要基礎。由于在同一個地區的同種地理特征在映像上顯示的影紋和顏色等物質特點都是相同的，從而能夠利用對已檢查出的某些物質的活動特點進行追索解譯和對比解譯。同時利用對典型地區巖層結構的分類，可以分析該地區巖層構成時的地層、巖漿等的活動表現。在運用遙感技術開展地域內的地理巖石研究工作時，對于某地對地物質信息的獲取，應當以影片作為最基礎的根據，客觀準確逼真地展示轄區內的地質地物的影子，并盡量減少對傳統“專家工作經驗”的運用。

5 結語

綜上所述，無人機傾角照相檢測技術在礦山大尺度地形圖測量工作中有著突出的優越性，明顯的降低了測量員外業工作量，大大提高了檢測工作效率，也降低了檢測生產成本。將無人機傾角拍攝檢測技術運用到礦井監測，明顯的提升了檢測準確度，為礦井施工打下了基礎。另外，傾角拍攝技術得到的影像數據包括三維空間信號，為建立三維礦井和智能采礦打下了基礎。