SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要 ：矿产资源作为主要非可再生资源之一，其合理的规 划开发及全周期监管对于资源利用和环境保护都具有重要现实 意义。随着遥感技术的不断发展， 矿区生产建设的需求也不断的 提高，更青睐多维度、数字化的产品。将无人机倾斜摄影测量技 术应用于矿区监测，与传统的测量方式相比，其具有成本低、效 率高、精度高、数据更新快等优点，可为矿区监测提供更全面准 确的地理信息支持。本文中针对无人机倾斜摄影测量系统进行 了简述， 阐述了关键技术流程， 论述了无人机倾斜摄影技术的关 键应用特点。以泾县某矿区为测绘实践对象， 基于无人机倾斜摄 影技术建立矿区范围内具有真实地理属性的实景三维模型，论 述了无人机倾斜摄影技术的实践重点和精度控制。无人机在矿 区监管方面的应用愈加深入，可为矿区数字孪生监测提供三维 实景基础，为矿区全周期数字化、动态化监管提供决策依据，为 施工安全提供保障。
矿产资源是支撑人类社会经济发展和科技创新的重要基础， 露天矿区的测绘勘测对于资源利用及生态保护等都具有重要现 实意义。传统的矿区勘察测绘工作的开展， 往往需要经过综合使 用多种设备仪器和多项技术， 制定配套的作业方案， 并进行数据 的正反算等一系列复杂流程， 以获取矿区的测绘地理数据。测绘 作业开展受到地质地形的限制，作业难度大，耗时长、效率低下 且为劳动密集型。随着应用需求的不断发展， 在露天矿山的开采 建设过程中，传统测绘的二维成果已经难以满足大范围多维度 的数字化监测需求。与此同时， 现代遥感技术跨学科交流日益加 强，无人机(UAVs， Unmanned Aerial Vehicles ) 摄影观测系统已 被广泛应用于不同行业，如农业病虫害监管、施工现场管理、水 况评估、餐饮、医疗保健、电信通信以及广告服务等。矿区测绘 具有一定的难度和复杂性，不同的测量手段将对结果的精度产 生较大的影响。无人机摄影观测系统的空中作业优势， 可获取矿 区的高精度倾斜摄影影像和正射影像，使得无人机技术参与矿 山开采建设过程中的三维监测成为可能。无人机倾斜摄影三维 建模技术可为矿区生态保护和生产流程制定等提供更为丰富的 地理数据支持，为矿区作业的效率、质量和安全性提供技术保 障，对于推动矿产领域的稳定、持续、健康发展具有正面效益。
1 无人机摄影观测系统及测绘方法概述
通过采用无人机遥感技术，可以获取研究对象的高精度倾斜 摄影影像，对关键区域实施三维监测。无人机摄影观测系统主要 由两部分组成 : 空中飞行端和地面控制端。空中飞行端包括无人 机、云台和摄影设备，地面控制端包括地面遥控器、数字图像显 示和飞行控制系统。飞行控制系统是整个观测系统的核心，无人机有以手动控制和自动控制两种模式用来选择进行飞行作业。
基于无人机倾斜摄影技术的露天矿区监测主要由以下几个 部分组成 ：矿区调研及数据准备、无人机航拍数据采集、外业补 测与调绘和内业数据处理与建模。
1.1 矿区调研及数据准备
在开展实质性飞行观测工作之前，需要做好目标露天矿区 的数据准备。采集露天矿区研究范围的卫星照片、地形数据，应 对作业范围内的地势、气候条件、主要水系、植被覆盖情况、自 然灾害分布以及其他重点关注情况进行了解。明确无人机飞行 高度，避免恶劣天气条件(如雨天、极端温度、大风)、地势起伏 变化过大等自然环境因素对航拍结果的影响，以确保数据质量 可靠。明确无人机航拍区域，根据目标矿区的测绘需求，规划航 拍地物矢量范围，拍摄区域的设定应考虑对地物区域范围进行 一定的外扩， 以确保目标区域数据成果的完整性。
布设像片控制点。像控点的布设与建模精度需求有关，目前 多采用的是区域网布设像控点的方法 ：在测区边缘地带布设平 高点， 内部均匀的布设足够数量的控制点。点位的选取应结合现 场情况， 尽量选择平整地面具有明显标志的点位。也可进行人工 绘制标识或使用像控纸开展点位布设。
根据以上条件，初步制定航拍规划方案，明确航拍路线、作 业时间、人员安排等。是顺利开展后续工作的重要基础。其中航 拍路线应合理、易操作、满足精度要求，应结合现场勘察所收集 到的多元信息，同时根据应用成果需求设定无人机飞行的重叠 率、分辨率等。
1.2 无人机航拍数据采集
野外航拍数据采集是实施测量作业的主要工作流程，采集 的数据包括原始地物航拍影像(jpg) 和航拍相关参数数据(POS、 相机参数等)。
在开展采集作业前，应对无人机设备进行检查，包括机身扫 描、螺旋桨是否正确安装、飞行端及遥控端电量、指南针校准等。 基于航线规划的初步拟定， 根据实地现场条件， 选择飞行器起降 点。起降点应满足以下条件 ：①视野开阔无遮挡， ②无明显信号 干扰，③远离建筑物、人群，尤其是高层建筑及信号塔。针对露 天矿区三维建模的外业航测， 一般采用五镜头相机拍摄， 包括一 个主正射镜头和四个倾斜摄影镜头。同时配合无人机内置RTK 采集飞行器姿态和位置信息。
应选择天气情况良好，光照度充足的情况进行航拍采集，影 像应清晰鲜艳， 能辨别适应像片分辨率的细小地物， 色调尽量一 致，反差适中，地物色差不宜过大。影像中不应存在云、烟、大 面积反光等影响地物辨别的问题，以减少对立体模型构建连接的影响。
拍摄过程中，根据具体的实地实施情况，应对航拍区域的信 息和目标矿区的突出特征进行记录。航线结束后， 应及时查看拍 摄的影像， 检查成像质量， 剔除起降过程中的异常数据。
1.3 外业补测与调绘
露天矿区航测工作中易产生突发状况，受限于地形条件和 设备水平，获取的数据可能会出现不准确、遗漏、丢失甚至错误 的情况， 这和实际飞行过程中的地势、气候以及测量人员的主观 操作都有关系。当产生数据质量不足、测量结果不全等问题时， 应对工作环节进行复核， 寻找异常的产生原因， 对存在相对漏洞 或绝对漏洞的航线或测区都应该及时进行补拍，保证外业工作 的真实有效， 提高数据的完整性和准确性。对于内业难以获取的 重要地物的属性信息，应采用调绘的手段，如矿区的进出口监 管、安全监控布设等。
1.4 内业数据处理与建模
外业采集工作完成后，需要对航拍采集数据进行内业处理 与三维建模。整理外业采集的航拍影像数据， 检查其是否存在缺 陷，拼接后影像应无明显重影、模糊、错位的现象。影像数据质 量满足应用要求的前提下， 对原始影像的亮度、色彩以及对比度 进行调整， 对数据整体进行匀色处理。
构建实景三维模型的主要步骤有 ：空中三角测量、三维 TIN格网构建和模型纹理映射等。进行空中三角测量，生产密集点云。常规的空三加密软件难 以处理无人机倾斜摄影采集到的复杂像片。多视角的航摄测量 结果具有倾角较大、变形严重，分辨率变化大，重叠数量大、需 要多视处理的特点，需要采用专业的空中三角测量软件进行数 据处理。
将相机参数、POS 数据和具备高重叠度的影像数据输入到 Agisoft Metashape平台，对采集的矿区多视角像片进行基于特征 点的密集匹配。随后进行联合约束条件下的多视角影像的区域 网平差解算，以完成模型的相对定向。空中三角测量作业完成 后，应及时核验其精度报告以确保精度满足要求。
三维建模工作借助于 ContextCapture Center软件平台，多采 用集群多节点开展并行运算。将空三成果导入该平台， 以进行三 维TIN格网构建，其基本原则是采用邻近三点构建面，利用点 云数据生成三维格网， 并进行优化， 从而创建无纹理表现的白体 三维模型。
将白体三维模型进行纹理映射和三维场景构建，即可得到 所需的实景三维模型。纹理映射是将构建的白模进行一定大小 的分解，得到多个规则瓦片，将其与纹理影像进行配准后，进行 纹理贴片，再根据瓦片与模型的位置关系完成三维TIN模型的 纹理映射， 从而构建三维模型。
对于生产的三维模型数据，原则上只进行必要的模型修饰， 如水面缺失和孔洞问题，可在 ContextCapture Center 平台中添加 相应的约束干预后，重新创建该区块模型，完成模型的修补。如需其他精细化修改，如立面修正、单体化建模等，也可使用具备 相应功能的软件开展。
2 无人机倾斜摄影关键技术特点
传统测绘作业中采用的光学遥感影像，多选用通过在轨卫 星平台搭载的传感器获取的遥感数据。卫星轨道高度高， 成像幅 宽大， 可覆盖范围广， 获取效率高， 可高频采集时序影像。同时， 通过搭载不同的光学传感器， 配置不同的相机波段组合， 可获取 丰富的光谱信息，如MODIS、高分专项卫星等，可适用于多种 目标地物的动态监测。
对于矿区这类小范围研究目标，星载遥感卫星成像易受到 重访周期、天气等因素的影响而难以及时获取， 且地面分辨率不 够精细， 难以实现精细化的实地模型构建。而无人机技术的不断 发展，利用倾斜摄影技术，可以从影像中提取地物空间位置、建 筑结构、色彩与纹理等，然后按照统一的坐标系迅速建立城市 实景三维数据模型， 用户能够直观地从三维模型上判读河流、湖 泊、山川、道路、建筑物等，弥补了传统航空摄影及正射影像的 不足。
考虑到将无人机应用于采矿领域的研究，可以观察到无人 机具有以下优点 ：无人机参与项目工作，使得作业更易于操作 和管理。使用无人机开展测区作业时， 可快速完成单张影像的拍 摄工作， 当搭载多镜头相机时， 一次飞行可同时获取多视角的多 张影像。相较于传统大地测量工作模式， 无人机倾斜测量可以在 短时间内完成大面积的监测任务，且获取的数据可生成点云数 据，其数据量远非传统作业所能比， 大幅度的提高了外业数据采 集工作的效率，节约了大量的人力和时间，并且易于操作和掌 握。无人机倾斜摄影技术应用十分广泛，如城市建设规划、土地 管理、资源调查、应急救灾及其他领域，可显著提高工作效率并 减少工作量。
无人机所使用低空倾斜摄影测量技术，决定了它获取的图 像相较于卫星影像更为精细，可以获取得到建筑物的细致纹理， 地面分辨率可达厘米级， 更适用于小范围的精细化工作。传统三 维建模方式需要采用人工实地拍照的方法，存在工作量大、时 间成本高、纹理失真、模型精度低等缺点。倾斜摄影利用多传感 器，可快速获取高分辨率和高精度的地面矫正图像和倾斜图像， 从多角度观测同一地物， 地物纹理更加丰富， 这些图像可以满足 高精度应用的需求，例如精细纹理映射和 3D 实景建模，效果更 加真实， 是未来三维城市建模的主流方向。
无人机开展勘测调查的机动性十分强大，具有很好的灵活 性，对于不同地形的适应性良好，如矿区、湿地、悬崖等地形复 杂的区域或其他人力难以进行采集的点位， 无人机倾斜摄影测量 技术可以轻松面对这些难题， 且获取的地理信息更为全面丰富。
现阶段无人机作业也仍存有缺点。例如低有效载荷能力、低 燃料和能源效率、飞行时间短和开展作业依赖天气条件等。由于 无人机尚未具备更大的有效载荷能力， 可以安装在无人机上的传 感器数量及类型都是有限的。受限于能源供给能力，无人机作业时间往往不长，短时间内，续航时长问题难以在兼顾自身灵活性 的同时得到突破。因此在野外工作时，无人机作业对于能源补充 条件要求较高。同时，与航空测量相似，现场突发的天气变化等 会导致日程规划的被动变更， 可能会产生额外的勘测调查费用。
此外，由于基于无人机的勘测调查所获得的影像数据量较 多，对于大测区范围的作业更是如此， 因此需要维护足够的硬件 和软件来处理这些数据， 可能对项目投入造成压力。如果克服了 这些缺点，无人机将在采矿业乃至其他各行业中得到更广泛的 应用。
3 无人机倾斜摄影技术在矿山监测中的实践
传统测量方案在露天矿山监测中较为受限，无法满足应用 需求。以泾县某矿区三维监测为研究对象， 利用无人机倾斜摄影 测量技术开展露天矿区三维实景建模的应用实践，总结了技术 方法流程， 论述无人机倾斜摄影技术的实践重点和精度控制。目 标矿区位于安徽省宣城市， 地理位置位于30° 26’~30° 47’N， 117° 59’~118° 39’E，地貌构成以丘陵为主，研究区内有一 定的地形起伏， 主要出产物为银矿。
3.1 无人机矿区作业方案设计
该矿区整体监测范围较为规则，不存在复杂的地形条件，测 量流程相应得到简化， 不需要进行测区划分。本次作业过程中使 用搭载PSDK 102五镜头相机的大疆M300 多旋翼无人机获取像 片数据。该型无人机移动定位精度高， 悬停精度在垂直和水平方 向均可达到 0.1m 左右，最高可承受 7 级风力，飞行续航时长约 55min。无人机内置千寻网络RTK和四种定位方式，定位精度基 本可满足作业要求， 无像控点布设。
本次实践作业按照统一航高进行飞行，影像地面分辨率 GSD 为 0.03m，综合测区建筑物高度、现场周边情况、航拍精度 及工作效率等考虑因素， 航拍高度设定为 180m。
3.2 航线布设及倾斜像片采集
航线按照测区范围进行布设，整体呈“S”型。平行于边界线 的初末航线应确保侧视影像可有效覆盖测区边缘，因此测区范 围外扩25米。为保障倾斜摄影的成图条件，应保证航向重叠度为 60% ~ 80%，旁向重叠度为 50% ~ 80%。针对泾县该银矿矿区的 实际情况，本次实践航拍任务共布设20 条航线，航向重叠度设 置为 75%，旁向重叠度设置为 65%。最终采集到 5组倾斜摄影影 像数据，每组 163 张，共 815 张航拍影像及对应的POS数据记录。 采集的航测数据还需进行整理和检查，检查内容为 ：影像质量和 像片重叠度是否满足要求、POS记录信息能否对应或遗漏、文件 格式是否统一等。数据检查无误后即可开展内业处理工作。
3.3 实景三维模型建立
实景三维模型可弥补单一视角数据遮挡、纹理不丰富、多 余观测不足等局限。将高重叠度倾斜影像和POS数据进行结合， 通过Agisoft Metashape平台进行空中三角加密解算， 生产三维点 云。通过 ContextCapture Center 平台构建三维TIN模型，通过像 片纹理映射， 得到泾县银矿矿区的三维模型。对生产的模型进行初步检查，测区内无大范围水系，未产生水面缺失问题。外业作 业时间较短，现场光线情况、地物设施无明显时空变化，测区内 无明显错误区域。对于部分模型外轮廓效果较差的情况， 可结合 成果展示要求进行必要的模型修正。
3.4 模型成果分析
本次实践所建立的三维实体模型成果未存在水域空缺及模 型漏洞的问题， 矿区模型完整性良好， 可整体表现矿区的地势情 况和开采范围。矿区模型的平面尺寸及高程(X,Y,Z) 与现场实 地情况可保持良好的一致性，地形起伏及地物模型具有现实表 现意义， 位置准确， 可反映矿区真实情况。
建筑物模型高度误差不超过 10%，在低视点视图条件下，可 清晰分辨矿区重点装置及设备的布设情况。建筑物模型屋顶及 墙体完整真实， 外部轮廓具备基本客观特征， 在高视点进行模型 浏览时，建筑物和车辆等模型未存在明显的拉伸形变或纹理漏 洞问题。且由于矿区内建筑物较少，多为高度较低的平房、活动 板房， 侧视相互遮挡的情况较好， 但仍存在部分建筑物侧面纹理 无法从像片中得到有效的获取，相应则导致模型细节有所欠缺， 存在一定的拉伸变形。
对于生成的三维实景模型，除了展示矿区在拍摄时间内的 真实情况外，可通过结合其他现代化创新技术，如布设传感器 等，可实时动态收集大量的数据信息，提高数据采集的准确度。 可应用于矿山开发动态监测，搭建矿区信息管理平台，实时 /定 期上传更新传感监测数据，如形变、应力变化等，可为生产施工 单位、相关执法监督部门提供决策依据，提高工作效率，且具有 极好的时效性， 为施工安全提供保障。
4 总结
将无人机倾斜摄影测量技术应用于矿区监测工作中，相较 于传统作业模式，可有效提高测量工作效率，带来充足的高精 度、高分辨率数据，投入的人力资源成本明显降低，作业模式更 加简单、易操控， 因此受益很大， 是一项很有必要的技术改革。
无人机倾斜摄影测量技术在实际的矿区监测应用中有着一 地一案的特点， 尤其是在国内， 地形变化复杂， 各地区差异显著， 因此作业的困难程度也不尽相同。这一情况就要求作业人员在设 计方案时，要充分考虑研究区域的真实地理情况及周边人文环 境，在开展外业工作前， 做足够的准备工作以及相应的应急预案。
需要认识到的是无人机自身发展还存在着一定的不足，如 续航问题、低荷载问题等， 如能得到突破将大大扩大无人机的应 用范畴。本文仅对使用无人机倾斜摄影测量技术搭建矿区三维 实景建模这一应用进行了阐述，但目前无人机技术在矿区中的 应用实例已贯穿矿产勘探 - 开采 - 复原的全施工生产过程，经过 技术的不断发展和尝试，无人机倾斜摄影测量技术结合其他现 代化手段， 将为矿区生产提供更多丰富的数据和应用成果。
关注SCI论文创作发表，寻求SCI论文修改润色、SCI论文代发表等服务支撑，请锁定SCI论文网！
文章出自SCI论文网转载请注明出处：https://www.lunwensci.com/ligonglunwen/61462.html
