无人机倾斜摄影技术在矿山大比例尺地形图测绘中的应用研究.pdf

技术 窑 应用科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 25 期无人机倾斜摄影技术在矿山大比例尺地形图测绘中的应用研究郭伟（三和数码测绘地理信息技术有限公司，甘肃 天水 741000）近年来，无人机摄影测量技术发展迅速，随着相机重量不断减轻和相机组合技术的完善，无人机倾斜摄影测量取得了前所未有的发展。随着无人机价格的不断降低和操控无人机飞行技术的不断提升，无人机倾斜摄影测量技术的应用领域越来越广。数字线划图（DLG）是摄影 4D 产品的重要组成部分，具有很广的用途1-3。传统的地形图测绘，是使用 GPS-RTK 进行全野外作业，然后再进行内业连点成图。其分为内外业 2 部分，外业采集特征点和关键点，并绘制草图，内业再将外业采集的坐标录入到专业的软件中，结合绘制的草图，将地形图数字化出来。这种方式的优点是采集的点位精度高，但是其他点位都是内插和拟合得到的，精度不受保障4-5。如果要得到高精度的成果，则需要采集更多的点，这样会导致作业效率低下，作业成本增加，作业周期更久。为了在保证测绘成果精度符合要求的前提下，降低生产成本，提高生产效率成为了研究的热点之一。本文在分析了倾斜摄影测量技术后，提出采用倾斜摄影测量技术进行大比例尺地形图的生产，并以实际项目验证了本文方案的可行性，以期为大比例尺地形图的生产带来参考。1无人机倾斜摄影技术这种新型的摄影测绘技术，是以无人机作为飞行平台，在无人机上搭载多镜头航摄仪，从空中对被摄物体，从多角度、全方位进行影像数据的采集，然后生产测绘产品的技术6。由于搭载的镜头和角度不同，其作者简介：郭伟（1992-），男，助理工程师。研究方向为测绘地理信息、地图数字化、地籍测量以及航测遥感。摘要：传统矿山大比例尺地形图测绘效率低、周期长、作业成本高，针对这一问题，该文在深入分析倾斜摄影测量技术后，提出使用倾斜摄影技术进行大比例尺地形图测绘的作业方案。首先介绍无人机倾斜摄影技术，其次说明该技术在矿山地形图测绘中的作业流程，最后以实际项目为例，对作业中的关键技术进行介绍，并采用外业实地采集的检查点，对该文方案生产的地形图精度进行检测。结果表明，采用该文方案生产的地形图，其精度可以满足 1颐500 地形图测绘要求，而且较传统地形图测绘来说，效率高、作业成本低、周期短，具有一定的实用和借鉴意义。关键词：无人机；倾斜摄影建模；实景三维模型；大比例尺地形图；矿山测绘中图分类号院P231文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤25-0193-04Abstract:The traditional mine large-scale topographic map has the advantages of low efficiency,long period and highoperating cost.In order to solve this problem,after an in-depth analysis of tilt photogrammetry technology,this paper puts forwardan operation scheme of large-scale topographic map surveying and mapping by using oblique photography technology.Firstly,theoblique photography technology of UAV is introduced,and then the operation flow of this technology in mine topographic mapsurveying and mapping is explained.Finally,taking the actual project as an example,the key technologies in the operation areintroduced,and the check points collected in the field are used to test the accuracy of the topographic map produced in thispaper.The results show that the accuracy of the topographic map produced by this scheme can meet the surveying and mappingrequirements of 1 颐500 topographic map,and compared with the traditional topographic map,the topographic map has highefficiency,low operating cost and short period,so it has certain practical and reference significance.Keywords:UAV;oblique photography modeling;real scene 3D model;large-scale topographic map;mine surveying andmappingDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.25.048193-2023 年 25 期技术 窑 应用科技创新与应用Technology Innovation and Application获取的视角也是不同的，最常见的是搭载 5 镜头的倾斜设备。其由 1 个下视和 4 个侧视航摄仪组成，下视从空中垂直地面物体进行影像数据获取，侧视以 45毅的夹角，对物体从侧面进行拍摄，从而得到盲区少、有用信息丰富的影像。对于同一款相机而言，其像元大小是相同的，由航摄高度、焦距、地面影像分辨率和像元大小四者之间的关系可知，当像元大小和地面影像分辨率相同时，焦距和航摄高度成正相关。由下视相机和侧视相机夹角为 45毅可知，要得到相同分辨率的地面影像，则侧视焦距为下视焦距的 1.4 倍，这样获取的影像分辨率一致，有利于后期数据的高精度解算。2无人机倾斜摄影在大比例尺地形图测绘中的作业流程无人机倾斜摄影生产大比例尺地形图，其主要包括内外业 2 部分内容，外业主要为像控点测量和影像数据获取；内业主要为空中三角测量解算与平差、实景三维模型生产、大比例尺地形图测绘，具体的作业流程如图 1 所示。图 1作业流程3案例分析某矿区地形为丘陵地，要生产 1颐500 地形图，采用传统的全野外作业，成本太高，工期太久，无法满足数据生产需求。为了按时高质量完成地形图数据的生产，本文提出采用无人机搭载 5 镜头倾斜相机进行航空摄影，生产实景三维模型，并基于三维模型生产地形图的作业方案。3.1外业工作3.1.1像控点测量像控点测量主要包括像控点点位的选取与喷涂、坐标值的采集与拍照。首先将范围线导入到图新地球软件中，结合地形，按照 400 m 左右的间隔均匀布设像控点，以高清晰影像图为底图，将布设好的点位套合在影像上，然后输出为照片格式，便于外业在进行像控点测量前对整体的作业路线进行规划。并将布设好的点位单独导出为 kml 文件，便于外业快速找到点位。在坐标值测量前，先用白色油漆和像控点模板，在地面上进行点位的喷涂，然后标注点号，如图 2 所示。在测量坐标时，为了避免偶尔误差带来的影响，每个点位均采集3 次坐标值，且彼此之间的较差均在 2 cm 内则认为数据采集准确，对于较差不符合要求的点，重新采集坐标值，直到成果符合要求为止。为了外业准确快速找到点位，在采集像控点时，对点位从远景、近景、多角度进行了拍摄。图 2像控点点位图3.1.2影像数据获取主要包括航线的规划和影像数据的采集。本次作业采用 WapPointMaster 软件进行航线规划，在规划航线时，航向、旁向重叠度均设置为 80%，地面影像采样分辨率为 3 cm，采用下视焦距为 35 mm、侧视焦距为50 mm 的倾斜相机进行影像数据的采集。具体的航线规划参数如图 3 所示。完成航线的规划后，将规划好的航线数据导入到测区勘查像控点布设像控点测量已有资料收集无人机航线规划影像数据采集空三数据解算及平差实景三维模型生产大比例尺地形图生产精度检测统计194-技术 窑 应用科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 25 期飞控软件中，完成影像数据的采集。在正式作业前，首先要对设备进行检查，主要检查电池电量、螺旋机安装固定情况、相机作业情况，为了更好地完成航飞前的检查，一般采取试拍的方式，对内存卡的读写和相机的正常曝光进行检测，在确保所有设备正常运行后，确保起飞环境安全，完成无人机的起飞和影像数据的采集。在航飞过程中，通过地面站查看无人机航飞状态，确保航飞是受控的，杜绝飞行轨迹脱离航线问题的发生。在完成数据采集后，利用专业的软件快速完成航飞成果重叠度，姿态角的检查，采用人机交互方式，完成影像表征质量和数据完整性的检查工作。经检查，本次数据质量良好，符合项目相关设计要求。图 3航线规划参数3.2内业工作3.2.1数据预处理内业数据处理主要包括影像质量的提升和 POS数据的改名。在航飞时，由于不同方向相机进光量不一致，因此 5 镜头影像亮度不一致。为了提升后期成果的整体质量，以一幅地物信息丰富，亮度适中的影像为模板，对所有影像进行批量匀光匀色。本次相机在作业时，只记录了下视相机的位置和姿态，并未对其余镜头的进行记录，5 镜头对应的同一曝光点的影像名字也是一致的，为了确保影像和 POS 数据一一对应，采用重命名软件，对影像和 POS 数据进行重命名，完成影像和 POS 数据的预处理工作。3.2.2空三数据解算后期成果的精度主要与空三数据解算结果相关。为了提升本次数据解算精度，首先采用少量照片进行空三加密解算，得到优化的相机参数后，利用优化后的高精度相机参数，完成所有影像数据的解算工作。对空三加密成果报告进行查看，加密点重投影中误差为0.21 个像元大小，小于规范要求的 2/3 个像元大小，成果精度良好。将外业采集的像控点进行转刺，在转刺时，为了避免大畸变影像对整个空三成果精度的影响，对点位位于影像边缘的像控点不进行转刺，将所有符合要求的像控点转刺完成后，提交平差任务，完成加密点从相对坐标到绝对坐标的转换。再次查看空三加密报告，像控点精度均在 0.01 m 误差内，成果精度符合项目要求。3.2.3实景三维模型生产本次模型生产选用 Context Capture Center 软件，在生产模型之前，首先对成果的框架坐标系进行设置，然后以瓦块切片方式选择规则平面网格形式，模型输出分辨率设置为 0.03 m，瓦片大小结合集群电脑的配置，设置为 100 m伊100 m，模型输出格式选择含有多层级金字塔的 OSGB 格式。为了精准生产任务区模型，本次将任务区范围线导入到软件中来，在模型生产时，避免了多余成果的输出。4大比例尺地形图测绘基于实景三维模型完成矿区大比例尺地形图的测绘。首先利用模型元数据 xml 文件和模型，在 EPS 软件中，快速得到数字表面模型（DSM）成果。将 DSM 成果导入到 EPS 软件中，选择不同工具命令，快速完成地形图的采集任务。在采集规则四边房屋时，选择相应命令，快速绘制房屋成果。在采集等高线时，对于裸露地面，直接利用软件自动提取高程点，然后利用高程点反生等高线；在植被密集区域，采用淹没功能，快速完成等高线的绘制，得到高质量的地形图成果，具体采集过程如图 4 所示。5精度评定为了对本次得到的地形图成果精度进行验证，利用 GPS-RTK 在任务区随机均匀采集了 30 个平高点和25 个高程点，其中 30 个平高点也可用于地形图高程精度的检测，部分检测数据见表 1。采用高精度中误差公式，对本次地形图成果精度进行检测，得到其平面中误差为依8.1 cm，高程中误差为依7.8 cm，且最大较差均在 1颐500 地形图规定的 2 倍误差之内，成果精度良好，可以满足本次项目数据的生产需求。195-2023 年 25 期技术 窑 应用科技创新与应用Technology Innovation and Application图 4基于三维模型采集地形图表 1地形图精度检测统计表检测点号X较差/cmY较差/cmZ较差/cm备注点类型JC017.1-3.85.3平高点JC02-5.54.8-4.8平高点JC03-9.1高程点JC053-8.7-9.1-8.7平高点JC054-4.7高程点JC0554.24.87.9平高点6结束语本文以实际生产项目为例，采用倾斜摄影测量技术生产 1颐500 地形图，利用外业获取的检查点对地形图成果精度进行了检测，其平面精度和高程精度均满足项目需求。而且生产的实景三维模型，其任何位置的坐标真实，具有可量测性，计算土方的填挖方也非常方便，可以为矿山的智能化管理提供丰富的基础数据。参考文献院1 雷宇宏，俞倩.无人机倾斜摄影技术在大比例尺地形图测绘中的应用探讨J.科技创新与应用，2022，12（24）：178-180，184.2 邹悦忠.无人机倾斜摄影技术在矿山大比例尺地形图测量中的应用J.世界有色金属，2019（23）：42，45.3 陈志，汪福源.无人机倾斜摄影技术在 1颐500 地形图测绘中的应用J.江西科学，2021，39（6）：1056-1059，1076.4 辛赟.无人机仿地飞行在铜川地区某石灰岩矿区测图中的应用J.中国非金属矿工业导刊，2020（3）：53-56.5 张懂庆，魏军，王萍.三种倾斜摄影建模软件对比分析J.测绘技术装备，2022，24（3）：114-119.6 魏军.倾斜摄影数据处理成果的质量检查与评定J.测绘，2021，44（3）：124-127.196-