倾斜摄影测量技术在矿山地形图测绘中的应用

张树乔

（广东有色工程勘察设计院，广东 广州 510080）

矿山地形图当中包含了众多复杂的空间信息数据，同时也是矿山开采以及矿山施工作业当中最重要的数据来源。当前，测绘技术逐渐成为矿山地形图，矿山勘查数据展示最重要的手段，并且受到了该领域研究人员的高度重视。如何通过更加合理的测绘技术或手段实现对矿山地形图中各项数据更高精度地展示是当前该领域研究人员重点关注的问题[1]。当前矿山开采技术不断提高，随之而来的是对矿山周围环境造成的破坏程度逐渐加深，为了实现对矿山及周围生态环境的及时、有效的修复，对其地形图的快速获取以及实时更新有着更加迫切的需求[2]。但由于当前传统的测绘方法在生成地形图时，都需要大量外业人员通过多种测量手段和调绘手段才能够实现，因此使得现有地形图测绘的效率较低，出图速度无法满足实际所需。同时，由于大部分数据的测量是采用人工的方式完成，因此生成的地形图与实际存在较大出入，无法保证地形图中各项数据的精度。针对这一问题，为实现对测绘方法的优化，引入倾斜摄影测量技术。该技术在实际应用中可以通过对台传感器构建多个角度的拍摄，从而提高影像的分辨率，为地形图测绘精度提供保障条件。

1 基于倾斜摄影测量技术的矿山地形图测绘方法设计

1.1 航摄仪及地面设备选型

为实现对矿山地形图的测绘，首先针对倾斜摄影测量技术中所需的航摄仪以及相关地面设备进行选型。本文采用型号为Q5S145-4650型号无人机作为本文测绘方法中的主要设备。该型号航摄仪的类型时长为最大任务载荷量下持续55min，总像素为1.86亿，像幅为7146×5364，相机焦距为8.5mm，像元大小为1.25μm，最小曝光间隔为18ms。图1为航摄仪在飞行过程中的控制流程。

按照图1所示的航摄仪飞行控制流程可实现航摄仪在飞行过程中的飞行方向、飞行角度以及图像监测控制。完成对航摄仪的选型后，还需要对地面设备进行选型，地面设备主要包括机载传感器设备和数据处理设备。其中，机载传感器设备主要安置在航摄仪的机舱当中，用于获取地面影响的设备，不同的航摄任务所需的传感器不同，通常可选择多光谱成像仪或激光扫描仪等。在进行航摄前，必须选择能够满足各项航摄要求的相机设备，同时针对非量测型相机进行校验，确保后续影像的精度。数据处理装置主要用于实现航摄仪与地面设备之间的通讯联系，主要包括数字传输电台、电线、传输接口等[3]。在进行数据传输过程中，该设备的数据传输距离应当超过12km，传输速率应当大于2400bit/s，误码率应当小于1//1000。

图1 航摄仪飞行控制流程

1.2 航摄数据预处理与影像校正

由于矿山环境相对复杂，因此在利用航摄仪完成对航摄影像的获取后，影像当中含有大量噪声和误差传播数据，为了提高后续地形图生成的精度，需要对航摄数据进行预处理。通常情况下，由于相机镜头所引起的光学畸变现象都是非线性的。因此，考虑到这一问题，将其误差分为径向畸变误差和切向畸变误差。图2为存在畸变的影像模型示意图。

图2 存在畸变的影像模型示意图

图2中虚线部分表示为没有出现畸变现象的理论影像模型，x表示为水平方向坐标，y表示为竖直方向坐标。从图2可以看出，影像模型除了主点没有发生改变后，其余所有点均向主点方向靠拢。因此，基于这一特点，为了避免相机出现畸变造成后期地形图生成精度不够，需要对相机内方位元素畸变差进行校正，其表达式为：

公式（1）中，x、y表示为校正后的横坐标和纵坐标；xo、yo表示为存在内方位元素畸变的横坐标和纵坐标；X、X0、Y、Y0均表示为获取到的影像图像当中的坐标点a1、a2表示为校正系数。按照上述公式（1）完成对影像的校正后，为后期地形图成果生成提供高精度数据依据。

1.3 基于倾斜摄影测量技术的矿山地形图成果生成

在完成上述操作后，将其作为基础，利用倾斜摄影测量技术实现对矿山地形图成果的生成。将经过畸变校正处理的影响进行色调处理，确保其透明度、植被以及匀光匀色均符合地形图的设计需要。在对其色调进行处理时，采用ERDAS影像处理软件完成。针对遥感影像的内业处理，还需要完成对影像上具有明显特征的特征点选取。结合SIFT检测局部特征算法，通过对获取到的影像进行平移、旋转、尺度缩放等调整确定其最佳的检测效果[6]。完成上述操作后，对每张影像构建一个金字塔和灰度金字塔影像。采用SIFT算法对其各个特征点进行提取，并结合次邻近距离比值完成对地形图的初步生成，并通过初步匹配点完成相对定向后得到内点集合。针对上述生成的灰度金字塔影像，还需要通过Harris角点算子提取其各个特征点，并利用灰度相关系数完成各个初匹配点的生成。再缩小Harris角点阈值获取到新的角点，并重复上述操作，直到生成足够多的点数后，完成对矿山地形图成果的生成。

2 实验

结合上述论述内容，完成对测绘方法的理论设计后，为进一步验证倾斜摄影测量技术在该测绘方法当中的应用效果，选择以某矿区已经废弃的矿山作为实验研究区域，针对该废弃矿山对其进行地形图测绘。已知该废弃矿山需要进行测绘的区域为不规则多边形，测区内总面积约为2.36平方千米，测区处于海拔25m～112m范围内，地形整体呈现出明显的丘陵结构，并且区域内没有高大建筑物，为无人机倾斜摄影提供良好运行环境[4，5]。按照本文上述论述内容，完成对该矿山地形图的测绘后，随机选择测区内的五个测点，并将其分别标号为GC001、GC002、GC003、GC004和GC005，针对五个测点，对其进行实地测量，并将测得的数据与测绘图当中的等高线插求点高程数据H进行对比，并得出二者差值，将结果绘制成表1所示。

表1 测绘结果测绘精度记录表

结合表1中的数据得出，将倾斜摄影测量技术应用到对矿山地形图的测绘当中，测绘图中的高程与实际坐标之间相差在0m～0.15m范围内，符合误差在60cm以内的高精度需要。因此，通过上述应用实验进一步证明，本文引入倾斜摄影测量技术的测绘方法在实际应用中能够实现对地形图更高精度的绘制，为后续矿山开采或矿山工程施工提供更有利的数据条件。

3 结语

通过本文上述论述，提出一种全新的测绘方法，并通过应用实验的方式证明了该测绘方法的应用优势。将本文提出的测绘方法应用到实际矿山地形图测绘当中可以实现对无人机获取到的影像数据更高精度的表达。但由于研究能力有限，在对航摄仪选型和控制时未考虑到对其航线的规划问题，使得其航飞质量存在优劣不稳定的问题。因此，在后续的研究中，为了进一步提高本文测绘方法的应用效果，还将针对这一方面问题进行更加深入研究。