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摘要 ：针对传统矿山测绘成本高、效率低、周期长、成果用 途单一的问题， 本文提出采用倾斜摄影技术进行建模， 基于实景 三维模型生产传统测绘产品，并对其精度进行检测，结果表明， 本文的方法生产的测绘产品精度高， 且较传统方式优点明显， 具有一定的推广应用价值。
关键词 ：倾斜摄影测量,实景三维模型,矿山测绘,三维矿山
传统矿山测绘，使用的是全站仪、RTK等设备，这些设备虽 然可以获取高精度的矿山测绘产品，但是其作业成本高、风险 高、劳动强度大、效率低、周期长、测绘产品单一，不利于成果 的再次应用。倾斜摄影测量技术是近年来发展起来的一项新型 测绘技术， 笔者在分析了倾斜摄影的优势后， 提出采用倾斜摄影 的方式进行矿山测绘产品的生产，并对其生产的成果精度进行 了检测， 精度可以满足项目需求， 具有一定的实用性。
1 倾斜摄影技术
1.1 倾斜摄影测量技术
倾斜摄影测量是相对垂直摄影测量来说的。垂直摄影测量， 是指在无人机上搭载单镜头相机，垂直地面进行影像数据采集， 然后进行测绘产品的生产。而倾斜摄影测量技术是指在飞行平 台上搭载多台航摄仪，从空中对地面从多个角度同步获取影像 数据， 然后利用专业软件进行实景三维模型的生产， 并基于模型 进行一系列测绘产品的制作与分析应用的技术。目前常见到的 倾斜摄影相机组合有摇摆2镜头、3镜头、5镜头以及扫摆 9镜头 等，其中最常见的多台航摄仪为 5 镜头，其由 1 个下视和 4 个侧 视相机组成。下视相机主要用来获取被摄物体的顶部信息， 而侧 视相机主要用来获取被摄物体的侧面信息。5镜头相机，其下视 相机与侧视相机夹角一般为 45°，这样获取的影像信息更加丰 富。在相机选择时，考虑到倾斜相机和下视相机的夹角为 45°， 通过计算可知，要想保证倾斜相机和下视相机获取的影像分辨 率相一致，则倾斜相机的焦距应该是下视相机焦距的 1.4 倍，即 倾斜相机焦距若为 50mm，则下视相机焦距应为 35mm，这样获 取的影像分辨率相一致， 对于空三解算来说， 可以有效提升空三 的解算效率和成功率。
1.2 倾斜摄影作业流程
采用倾斜摄影测量技术进行实景三维模型生产的主要工作 可分为两部分，即外业工作和内业工作。外业工作内容主要包括测区现场勘察， 已有资料的搜集和分析， 然后基于已有资料进 行空域申请、航线规划和影像数据采集。为了提高成果的精度， 在航飞作业前，需要进行像控点的测量。在倾斜摄影作业中，像 控点一般通过内业选点位， 外业现场喷涂靶标， 然后进行坐标采 集。内业作业内容主要包括数据预处理， 即对航飞的影像成果和 测量的像控点成果进行整理 ;空中三角测量解算、控制点转刺 平差、多视影像密集匹配、不规则三角网构建、白膜生成、纹理 映射与模型格式转换输出。
1.3 倾斜摄影作业软件
相对于传统垂直摄影测量来说，倾斜摄影成果更加真实，盲 区更少，但是数据冗余度高，使得数据解算困难增大。目前常用 于倾斜摄影数据解算的软件有美国本特利公司的 ContextCapture (简 称 CC)、上 海 瞰 景 科 技 的 Smart3D、北 京 中 测 智 绘 的 Mirauge3D(简称 M3D)、武汉大势智慧的重建大师、大疆的大疆 智图等。这些软件各有优缺点，对于数据解算来说，不同软件搭 配组合使用，才可以获取更高质量的成果。比如M3D 和 CC 的搭 配， 既可以解决海量数据空三解算失败的问题， 也可以解决海量 照片解算空三精度低的问题。
2 案例分析
某一煤矿需要生产 0.05m 分辨率的真正射影像和 1 ：500 的 地形图成果，便于后期进行开采规划、开采量、填埋量和越界开 采监管。为了实现这一要求， 本文在综合分析了各种测绘方法的 基础上， 选择利用倾斜摄影技术进行实景三维模型生产， 然后基 于实景三维模型进行真正射影像和 1 ：500 地形图的生产。倾斜 摄影测量工作主要分为两部分， 即外业工作和内业工作。
2.1 外业工作
外业工作主要包括测区已有资料收集，空域申请，控制点喷 涂与采集， 航线规划， 航空影像数据获取等。
2.1.1 资料收集
本次任务区面积约 5km2.测区内地形高差起伏较大，测区 周围有2 个高等级控制点，可以作为本次控制点的检校点。已有 2017 年航飞的2000 国家大地坐标系下的 0.2m 正射影像，可以作 为底图， 进行控制点的布设。
2.1.2 空域申请
近年来，无人机测绘成为基础测绘产品生产的主流方式，但 是随着无人机的不断增加， 无人机坠毁事故也频发。无人机测绘作业要求中明确表明， 在对某区域进行作业， 需要对该区域进行 报备， 在获取空域的使用权限后， 才能按照空域申请中写的内容 进行航空作业，因此在本次作业前，对该区域进行了空域的申 请。申请内容主要包括了航摄范围、航摄高度、作业时间等。通 过申请， 本次获得了该区域空域的使用权限。
2.1.3 控制点喷涂与采集
首先将 84 坐标系下的范围线转到2000 国家大地坐标系下， 然后将其和影像加载到ArcGIS 软件中，按照 300m 的间距均匀 布设，在布设点位时，要尽可能布设到容易到达且安全的地方， 任务区边缘，要求布设的点位将范围线覆盖全。然后将布设的 点位和影像套合输出，制作成电子版，拷贝到手机上，按照底图 指示，现场进行点位喷涂和采集。本次点位形状选择“L”形，边 长尺寸为 80cm，这样在 0.2m 分辨率上影像上清晰可见，不会影 响点位的转刺。喷涂完成后，利用 GPS-RTK采集周围已知高等 级点坐标，和原有成果进行比对，确保本次仪器内部参数设置 准确，然后进行控制点坐标的采集。为了减少偶然误差带来的 影响， 在采集点位时， 每个点位要求采集三次且每次较差均小于 1cm，否则该点进行重新测量。在采集的过程中，要严格按照仪 器使用要求进行， 必须是气泡居中的条件下测量， 否则采集的坐 标有可能会超限。在采集点位的同时， 需要对点位的位置照片进 行拍摄， 分别拍摄远景照片和近景照片。远景照片要从不同角度 拍摄， 内业要可以通过点位照片找到实际控制点所在位置， 近景 照片要能反映采集的实际位置。
按照同样的方式，在整个任务区精度薄弱区域，随机采集检 测点24 个，这些检测点主要采集在特征点上，便于后期对成果 精度进行检测。
2.1.4 航线规划
由于测区高差起伏较大，因此要想获取高分辨的影像，需 要采用变高飞行或仿地飞行的作业方案，本次选用仿地飞行方 案。首先在WPM软件中，按照 0.2m 分辨率进行固定航高的航线 规划， 然后将规划好的航线上传至飞控， 获取任务区单镜头影像 数据，然后利用pix4d软件进行空三加密，转刺少量控制点进行 平差调整，然后生产得到较高精度的DSM 数据。将DSM 数据导 入到WPM软件中， 进行仿地航线规划， 并将规划好的航线导出， 导入地面站软件中， 为下一步影像数据的采集做准备。本次在仿 地航线规划中，设置地面采样分辨率为 0.045m，航飞高度 80m， 航向和旁向重叠度均设置为 85%，这样可以有效降低航拍盲区， 增加航拍影像成果的可用信息 ;并对航向和旁向均外扩一百米， 这样可以保证航摄边缘生产的三维模型更加完整， 精度更高。
2.1.5 航空影像数据获取
将规划好的航线上传至飞控，然后进行影像数据的航拍任 务。在航拍前，首先需要对无人机进行检查，主要检测无人机各 部件安装是否牢靠，电池电量是否充足，在地面上，通过试拍的方式检查相机是否正常作业，内存卡是否可以正常读写数据等， 在完成航拍前的安全检查后， 在确保起飞区域安全的前提下， 完 成无人机的起飞。无人机按照规划好的航线进行影像数据获取， 飞手需要时刻关注地面站上飞机的飞行状态，确保飞机在正常 作业，如若发现飞机未正常作业，且有可能发生危险，需通过必 要手段将飞机降落或返航，以免带来危险。本次任务共航飞 3 架 次，共获取有效影像数量 35875 张。
2.2 内业工作
内业工作主要包括航飞成果的预处理，工程创建，空三加 密，实景三维模型生产和高精度真正射影像生产等。
2.2.1 数据预处理
本次 5镜头获取的影像数据，每个镜头对应影像命名都是一 致的，这不便于后期数据处理。利用拖把更名器软件，对影像进 行重命名，在已有的命名规则上，按照镜头编号进行影像命名。 在POS 数据记录时，由于记录的是下视镜头的相机曝光时的位 置和姿态， 对于数据解算来说， 五镜头的侧视镜头的位置和姿态 与下视镜头来说， 还是存在一定的差异的， 因此以下视镜头代替 侧视镜头进行空中三角测量解算， 其精度还是会有所降低的， 因 此需要对POS进行解算， 得到位置和姿态更加准确的POS数据。 针对这一问题，本次POS 数据优化，结合了相机平台的安置参 数，以下视镜头的POS 作为标准，利用自主开发的POS 参数解 算软件，对侧视相机对应的POS数据进行解算，按照影像名，对 解算后的每个镜头的POS进行重命名。
本次采用的 5镜头相机，其是通过后期人为进行组装的，因 此其焦距相对于出厂设置来说， 是有较大的差异的。而焦距对于 影像数据解算来说是至关重要的，因此需要对相机焦距进行解 算优化。由于 5 镜头相机检校成本高，因此在实际数据生产中， 主要采用软件自检校的方式进行。首先每个镜头选取 100 张影 像，要求 5 镜头选取的影像是一套，并将总共选取的 500 张影像 加载到软件中， 对少量照片进行空中三角测量解算， 得到优化后 精度较高的相机焦距，为后续所有影像数据的解算提供准确的 相机焦距参数。
采矿导致了空气中微小颗粒增多，因此本次采集的影像，整 体上来说颜色较暗，且比较模糊。针对这一问题，本次在进行数 据处理前，利用航天远景的 EPT 软件，对航飞原始影像进行匀 光匀色处理，从而提升影像的质量。首先选择一张清晰度高，地 物信息丰富的影像作为模板影像， 然后以其为参照影像， 对所有 影像进行匀光匀色处理。
2.2.2 新建工程
本次数据解算，选用目前主流的国产建模软件 Smart3D。首 先新建工程，设置工程名和工程路径，然后设置集群路径，为了 可以集群作业，本次数据所在盘和任务所在盘，均为共享的磁 盘，能够保证可以正常集群作业。工程创建完成后，加载影像数据和POS 数据，并结合已有的相机检校报告，调整每个相机的 焦距， 确保后续数据的解算精度。
2.2.3 空三加密
复制空三任务，然后在复制的成果上提交空三加密任务，为 了提高数据的解算精度， 本次在参数设置方面， 选择下视镜头为 参照数据，让侧视镜头以下视镜头为参照进行空三的解算，其 余参数按照软件默认的即可。在主机上，打开引擎控制工具，对 辅机上的引擎路径进行修改，确保所有集群电脑都参与空三数 据的解算。空三完成后， 采用人机交互的方式对空三成果进行查 看，空三成果未出现弯曲、分层现象，成果良好可用。将控制点 导入加密好的空三上，然后按照软件刺点的方法进行控制点的 转刺。本次转刺，只转刺软件预测的绿色和黄色部分的影像，对 于红色部分的影像，为了保证精度，不进行转刺。刺点完成后， 去掉下视镜头作为参照这一选项，其余参数默认，提交平差任 务。待平差完成后，查看空三报告，控制点中误差为 0.003m，加 密点重投影中误差为 0.31 个像素，远小于规范要求的2/3 个像元 大小， 表明本次空三成果可用。
2.2.4 测绘产品生产
本次测绘产品主要包括实景三维模型，1 ：500 地形图和分 辨率为 0.05m 的真正射影像。首先按照需求，设置瓦片切块方式 和瓦片大小。本次数据生产电脑，内存最低配置为 32G，瓦片大 小设置为 100m 的矩形，其所需内存约为 15G，可以保证在数据 解算时有足够内存被使用， 确保瓦片能够正常输出， 切块方式选 择规则平面格网划分，这样能够保证所得到的模型在 Z 方向上 不会被裁切。然后设置输出格式为 OSGB，输出坐标系统与控制 点的一致，为2000 国家大地坐标系，并采用高斯克吕格投影方 式，按照 3度分带进行投影， 然后其余参数默认， 提交建模任务。 在模型完成的基础上， 设置真正射影像输出分辨率为 0.05m 并提 交生产任务， 完成真正射影像的生产。
本次生产 1 ：500 的地形图，选用清华山维的EPS软件进行。 首先加载 OSGB模型和元数据xml 文件，将二者进行转换，得到 EPS软件能够直接加载的DSM 索引文件，然后加载真正射影像 和索引文件。地形图的采集在DSM 上完成，然后对完成的部分， 可以套合真正射影像进行检查， 确保及时发现遗漏区域， 并对采 集的成果精度进行检测，确保采集的成果精度可以满足项目要 求，成果完整可用。
3 精度检测与统计
本次精度检测，主要对模型精度和地形图精度进行检测，考 虑到地形图是在模型上采集得到的， 按照误差累积来说， 利用地 形图检测精度， 更能说明模型的精度， 因此最终选择对模型精度进行检测。首先将控制点导入到 EPS 软件中，设置平面限差和 高程限差， 然后通过双击定位的形式， 按照同精度中误差计算公 式，对 24 个检测点进行检测。经检测，本次检测点的平面位置 中误差为 ±11.0cm， 高程中误差为 ±11.5cm， 成果精度完全可 以满足 1 ：500 地形图精度要求，表明本次生产的成果精度良好， 能够满足本项目需求。
4 成果产品的应用
4.1 在开采量中的应用
矿山开采，经常需要对其开采量进行评估。传统的开采量计 算，都是通过采集高程点，然后利用高程点来进行开采量的计 算。采用这种方式，其开采量精度完全由高程点的密度来决定。 要想计算得到准确的开采量， 就需要采集海量的高程点， 这对于 实际生产来说，不具有可行性。采集少量高程点，虽然效率高， 但是并不能准确的计算出实际的开采量，这样获取的成果可用 性不高。然而倾斜摄影技术的应用，完全解决了这一问题。采用 倾斜摄影技术生产的实景三维模型， 其表面具有连续性， 且都是 通过海量的三维点构成的， 这样在计算开采量时， 可以快速高效 的准确获取实际的开采量。对同一地点在不同时间进行航摄， 并 且生产三维模型，就可以通过两期的模型计算出在这一段时间 内的开采总量， 从而可以得到每天的开采量。对总体的量进行计 算，结合每天的开采量， 就可以准确得到开采所需要的天数。
4.2 在智慧矿山中的应用
近年来，智慧矿山的建设成了主流，人们都在完成着不同需 求的智慧矿山。对于测绘来说， 就是要将矿山的基础测绘地理产 品，使用到矿山的建设中来，并且要对所有数据进行共享。矿山 建设中常用的测绘产品是数字正射影像和数字线划图，这类成 果不直观， 并不能很好的被使用。而采用倾斜摄影测量方式得到 的实景三维模型， 将实际状况还原到电脑屏幕上， 这样更加真实 直观，更有利于使用。对于智慧矿山来说，可以通过三维模型来 确定矿区监控的位置，并且通过模型，可以查看每个监控的盲 区，从而合理布设监控点位， 做到无盲区监控。
5 结语
本文以某一煤矿需求为出发点，提出采用倾斜摄影技术进行 测绘产品的生产。对整个作业流程进行了详细介绍，并对最终的 成果精度进行了检测，结果表明，本文的方法生产的测绘成果， 精度良好，能够满足项目需求，且较传统方式来说，其作业效率 高、劳动强度小、生产成本低， 具有很好的推广应用价值。
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