消费级无人机遥感三维建模在矿山场地调查中的应用

时间：2024-05-22

郝建花孙亚楠刘猛李晓静段宇波

（山西财经大学公共管理学院虚拟仿真实验室，山西太原 030006）

0.引言

无人机技术一直受到包括国土资源调查、农林生长监测、生态环境监测、灾害调查评估等诸多领域的青睐。利用无人机遥感影像进行室内预判，充分利用遥感影像所提供的大量信息，进行专业解译，能极大减少室外工作量[1]。如姜武汉等学者利用无人机遥感获取的影像进行路线勘测，为野外调绘做准备工作[2]，吴晗等利用高分辨率无人机生成地籍图，提取和划分地籍边界[3]。李国杰利用无人机遥感进行土地信息数据进行动态巡查和监测等[4]。因此，无人机的发展极大地克服了传统外业测量中人为因素大、效率低、大范围工作成本高、工作时间长等弊端，尤其在土地调查、矿区调查[5]等复杂的系统性工程中有良好的效果。

无人机遥感系统是利用无人机作为遥感平台，集成遥感传感器（如光学相机、激光、雷达等）和其他辅助设备（如定位装置等），在无人机遥感的三维建模中，传统方式主要使用倾斜摄影手段，搭载多镜头倾斜相机和高精度GPS系统，硬件成本高，建模耗时长，主要应用于精确坐标的三维建模工作，而日常矿区地物调查，不需要获取带准确位置信息的地物信息。相对大型无人机测绘和传统三维模型构建摄影测量，利用消费级无人机遥感三维建模进行矿山场地日常监控和调查工作，具有成本低、操作方便、动态实时的优势，能协助矿区调查人员在小尺度、高精度上，实时快速地掌握矿区主要灾害点的变化情况。因此，本研究选用消费级无人机——大疆精灵4 Pro，搭载原机标配单镜头光学相机，应用于矿区场地调查中航拍模型构建。

1.消费级无人机遥感三维建模原理

无人机遥感三维模型是由现场上百张单张无人机拍摄照片组合形成，其建模系统由拍摄系统、现场控制系统和无人机监控管理系统组成，三维模型的成型质量取决于无人机遥感系统构建的稳定性。其中拍摄系统由无人机、广角镜头、地面调查对象组成（如图1所示）；无人机监控管理系统主要由我国的无人机飞行管制进行约束；现场控制系统主要由作业人通过无线传输系统将飞行高度、飞行速度、旁向重叠度和航向重叠度、航线参数、拍照模式等无人机参数设置对无人机现场拍摄情况进行实时监控，通过现场控制系统预设合理飞行参数，可以极大提高飞行效果。

图1 无人机遥感成像系统

1.1 设置飞行高度

飞行高度为飞机与拍摄区域地面的相对高度，而不是飞行中的实际海拔高度。针对调查区地物的高度和预期获得的地面分辨率，可以通过相机镜头的焦距和像元尺寸，计算出飞行高度。不同的飞行高度不仅会影响成像效果，还会影响航向重叠度和旁向重叠度。所以，确定飞行高度时需要综合考虑，在保证安全的情况下，平衡好分辨率与工作量之间的关系，寻找一个较为合适的飞行高度进行拍摄。飞行高度的计算如式（1）所示：

式（1）中，H为飞行高度（m）；f为镜头焦距（mm）；GSD为地面分辨率（m）；a为像元尺寸（mm）。

1.2 设置飞行速度

消费级无人机所搭载的非量测相机，为非专业测量相机，其拍摄时多采用飞行中拍摄，而非航点悬停拍摄模式，再加上相机曝光的时间，会产生像点位移，极易造成影像模糊。针对消费级无人机拍摄像点位移受飞行速度、曝光时间的影响，飞行需考虑地面分辨率的要求，计算飞机合理的飞行速度，来缓解像点位移带来的影响。飞行速度的计算方法如式（2）所示：

式（2）中，v为飞行速度（m/s）；δ为像点位移（pixel）；GSD为地面分辨率（m）；t为曝光时间（s）。

1.3 设置成片重叠度

无人机成片重叠度由航向重叠度和旁向重叠度组成。其拍摄过程中，按照航线飞行两两相邻像片对所拍摄地面的重叠影像部分称为航向重叠度；两条相邻航带之间的像片影像重叠部分称为旁向重叠度。一般情况下，较高的像片重叠部分是立体观察和像片连接的必须条件，重叠度过低可能会导致不良后果，尤其是在三维模型构建工作中，调查区域内要有数量足够的关键点匹配，否则建模效果不佳。因此，无人机外业飞行的航向重叠度不小于53%，一般为60%至80%；旁向重叠度最低不小于8%，一般为15%至60%。像片重叠度用像幅边长的百分数来表示。像片X、Y方向的重叠度计算式如式（3）、式（4）所示：

式（3）、式（4）中，Px、Py分别表示航向和旁向重叠影像部分的边长；lx、ly表示像幅的边长。

1.4 设置航线参数

无人机航摄工作航线参数包括：起始点、终点、航线方向、长度。根据调查区范围大小、飞行方向和像片重叠度，可以规划确定无人机航线。航摄基线长度和航线间隔宽度的计算式如式（5）、式（6）所示：

式（5）、式（6）中，Bx为航摄基线长度；Dy为航线间隔宽度；Lx为像幅长度（m）；Ly为像幅宽度（m）；Px为实际航向重叠度；Py为实际旁向重叠度；H为无人机飞行高度（m）；f为镜头焦距（m）。

2.实验场地概况及飞行条件

山西省运城市某铁矿采用地下开采，生产规模30000t/a，矿区面积51.69km2。建矿后进行了基建和少量开采，地面设施完备，有废石场一座。2013年至今，一直处于停产状态；现计划重新开始生产。矿区位于稷王山的东部，区内沟谷纵横，地形切割强烈。总体地形西北低，东南高，海拔标高650-780m，相对高差130m左右，属黄土丘陵地貌特征。为了协助该矿进行废石场选址和设计，辅助矿区土地调查和环境治理设计，使用无人机构建三维模型。

消费级无人机的最大优点是成本低、机体轻薄，因此在飞行中对抗外界条件的干扰会相对不足，对起飞场地和气候条件有相应要求。首先，飞行的起降坪需要相对开阔、平整的地面；其次，基于飞行安全的要求，极高（低）气温、气压过低的高海拔区域和大风、雨雪等恶劣天气禁止飞行。另外，进行场地飞行任务需到当地空管部门申请飞行空域。

3.无人机场地调查三维建模流程

矿区的土地调查与测绘不同，不需要很高精度的绝对位置坐标，因此不需布设像控点，位置信息由无人机自带的GNSS系统确定。其工作流程可分为外业预判选址并预设航线、外业航拍、内业计算与建模三个部分。

3.1 选址及航线预设

根据矿山开发利用情况，预计该铁矿未来生产期间废石产量总计约28.1km3。在影像上可以看到矿区东南和西南方向两条沟谷均可用于建设废石场（如图2所示）。此次调查共规划航线10条，S形线路，覆盖目标矿区及周边。设置飞行高度177.4m，分辨率4.9cm/pixel，飞行速度14.8m/s，曝光间隔3s，航向重叠度75%，旁向重叠度65%。共飞行一架次，约15分钟。

图2 场地调查选址位置示意图

3.2 外业航拍

调查中，利用大疆消费级无人机——精灵4 pro（Phantom 4 pro）对废石场进行了航飞建模，搭载传感器为标配2000万像素光学相机，剔除不合格的航片后，共获取有效航片232张。

3.3 内业建模

三维内业建模可以为两个部分：空三运算和三维建模。所谓空三运算，指通过空中特征点提取、解算像片的空间位置、调整照片姿态角度、确定像片的相互关系等过程生成照片密集点云，是确定模型地物相对准确位置的必不可少过程；其次三维建模，在密集点云的基础上进行Tin模型构建和纹理映射，形成场地三维模型。

4.三维模型构建及应用

三维模型的构建可以为设计人员和决策者提供直观的影像，还可以在模型上进行量测（包括坐标、长度、面积、库容等），为废石场下一步的工作计划提供数据，并可对现场调查遗漏问题进行补充修正。

4.1 长度、面积量测

在Acute3D Viewer软件中选定废石场拦石坝顶部两点，测量两点间距离，获取拦石坝顶部长度为60.93m（如图3所示）。现场通过GNSS RTK进行检核，其长度为61.12m。说明航测结果在长度上可达到亚米级精度。不过由于航测时没有设置像控点，单点精度不可靠，仅可使用模型上的相对长度。同样模型上可测得坝底长度为25.11m。

图3 废石场三维模型上长度量测

同理，在Acute3D Viewer软件中沿废石场排弃范围周边圈绘制一个闭合面，可测量场地面积，获取废石场现有平台面积为0.75km2（如图4所示）：

图4 废石场三维模型上面积量测

4.2 库容设计

在Acute3D Viewer软件中，可通过设置一个平面范围、一个水平面，估算在设置的平面范围内，现有地形平整到设置水平面的挖方（高出该水平部分）、填方（低于该水平部分）。应用于废石场库容设计中，可将设计堆放高度输入软件，估算得到的“填方”即废石场的库容。

现废石场拦石坝坝顶高程670m，设置一个略大于排矸场的平面范围，并设置水平面高程670m（假设可排废石到拦石坝顶），估算得到填方量为9.4km3，即该废石场剩余库容（如图5所示）。而670m标高的剩余库容小于预计未来生产期间废石产量28.1km3，考虑加高废石场平台5m（拦石坝也需同步改造），至675m标高，估算得到填方量为55.2km3，即废石场排弃标高加高5m后的剩余库容，可满足生产需要（如图6所示）：

图5 排放至670标高的剩余库容计算

图6 排放至675标高的剩余库容计算