无人机倾斜摄影技术在某露天矿山三维建模中的应用

张 君 周 锐 唐宛唐

（1.长沙施玛特迈科技有限公司；2.中南大学数字矿山研究中心；3.长沙迪迈数码科技股份有限公司）

露天矿山主要采用全站仪、GNSS、RTK及三维激光扫描仪等设备完成采场现状图绘制及测量验收等工作［1-2］。露天矿山测绘往往通过测量、计算和绘图来确定空间三维坐标，虽然可获取高精度单点坐标，但也存在测量点分散、测绘实施难度大、测绘效率低、测绘成果单一、图纸表现力不强等问题，在矿山实际生产过程中，难以直观全面地描述测区和掌握露天矿山采场现状。近年兴起的无人机倾斜摄影技术具有方便快捷、实施周期短等特点，能在较短时间内测绘出附带地理位置信息的三维数字化模型［3-4］。

无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）倾斜摄影技术是指通过无人机平台搭载倾斜摄影相机的方式，获取地表多角度、高分辨率航测影像，同时为每张影像赋予确定的地理位置信息。通过对模型特征点提取、空三测量、多视影像密集匹配，在获得密集点云的基础上，构建不规则三维网格和纹理映射，可快速构造真实的实景三维模型。

在数字城市建设领域，无人机倾斜摄影技术可通过实景三维模型完成地表大比例尺地形图的绘制［5-6］；在交通建设领域，无人机倾斜摄影技术结合BIM技术，可有效兼顾倾斜摄影数据纹理真实性和BIM模型的可控性［7-8］；在地籍测绘领域，无人机航测技术能够有效地收集以及整理数据，并且获得的数据也相对准确。

目前无人机倾斜摄影技术在地籍测量、不动产登记调查、数字城市等领域得到了广泛的应用，但是在露天矿山的研究相对较少。本文基于现有无人机倾斜摄影技术，结合矿山实际生产需求，构建矿山整体实景三维模型，同时通过相关的数据转换处理，实现与CAD、Dimine及南方CASS等制图软件的数据对接，在一定程度上解决了矿区整体测绘制图的问题；同时可对接卡车调度系统及三维管控系统，为露天矿山建设数字矿山、智能矿山和绿色矿山提供全矿区数字化地表三维模型［9-10］。

1 无人机倾斜摄影系统与技术原理

1.1 系统组成

无人机倾斜摄影系统由无人机、高精度多角度测量相机、相控配件、地面站航线规划软件组成，如图1所示。自动化建模处理软件数据处理过程如图2所示。地面站航线规划软件可完成无人机航测飞行的航高、飞行速度、重叠度等飞行参数的设置，同时可实时知悉飞行器飞行状态。自动化建模处理软件无需人工干预，在几分钟或几小时的计算时间内能输出高分辨率的、带有真实纹理的三角网格模型。

1.2 技术原理

无人机倾斜摄影技术是通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、倾斜等不同角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息，其中，垂直地面角度拍摄获取的影像称为正片，镜头朝向与地面成一定夹角拍摄获取的影像称为斜片。通过多目相机多角度采集信息，配合控制点或影像POS信息，影像上每个点都会有三维坐标信息，同时基于影像数据可对任意点线面进行量测，获取厘米级的测量精度并自动生成三维地理信息模型。

无人机倾斜摄影技术路线主要包含外业数据采集和内业数据处理。

外业数据采集要根据作业区域地貌特征，设计布置相控点和航拍路径规划，同时也要考虑天气状况，具体作业流程如图3所示。

（1）资料收集。收集矿山等高线图纸，了解矿山范围边界、高差等情况，用于绘制航测飞行区域。

（2）现场踏勘。了解具体地形地貌情况，初步确定航测飞行的架次分布、起飞点及像控点布设位置，并向当地空管部门进行报批，所有的航空摄影项目都需要进行空域申请，得到批复后才可以实施测量。

（3）航测区域规划。结合矿山资料及现场踏勘情况，初步确定起飞点、航测飞行架次分布等情况。

（4）飞行参数设定。确定航测飞行无人机飞行速度、飞行高度、地面分辨率及重叠度等。

（5）像控点布设。采用“四周加中间均匀布设”的方式，L型布设，线宽20 cm。

（6）像控点测量。使用GNSS RTK测量的方式，测量统计点坐标。

（7）航测飞行。采集影像资料及POS信息。

（8）外业数据打包。整理影像、POS及像控点坐标信息。

内业数据处理包括以下几部分：

（1）数据准备。原始数据包含倾斜摄影的照片和控制点的信息。

（2）导入照片。设置采样率，检查航片完整性，导入POS，编辑相机参数，每个照片组都会有一个相机参数，可以在右键编辑，导入或导出相机参数。

（3）空三测量。提交之后会显示空三等待处理，设置引擎路径与工程路径一致，然后启动引擎，空三即可运行。

（4）相控刺点。每个航带刺点数不少于9张，边缘一般不低于3张。

（5）模型重建。设置空间坐标系，在mode选择瓦片分块，设置分块大小，提交生成产品。

无人机倾斜摄影技术输出数据具有良好的可控性和交互性，源于其输出数据格式的多元化，其应用场景也涉及多个领域。

2 倾斜摄影技术的优势

2.1 操作灵活

无人机技术在多年的发展中已经朝多功能化、集群化方向发展，无论是从技术层面还是使用便捷层面，倾斜摄影建模都比传统测绘具备很大优势。无人机设备体积更小，携带和操作更加方便快捷，相较于全站仪、手持RTK，无人机搭载五镜头能更快地对露天矿山进行全覆盖地测绘。

2.2 精度高

露天矿山由于地质条件复杂、勘察风险高，存在很多人工难以到达的区域，而倾斜摄影技术可以高质量地完成测绘工作。高分辨率的数码相机和低空飞行数据采集方法，通过打相控点的方式，生产出来的DSM和DEM模型完全可以达到平面误差2～3 cm、高程误差4～5 cm的精度，满足露天矿山日常生产的需要。因此，倾斜摄影技术的应用可以让采集数据范围更广，更便捷高效，并且借助计算机软件形成可视化信息，将模型镶嵌入三维矿业软件中，在后续的采矿设计、矿山施工中发挥更高的能效。

2.3 应急性强

传统的矿山测量工作中，受到露天矿山生产作业影响，一旦发生了安全事故，会对一线的作业人员造成伤害，而应用倾斜摄影技术可以远距离操控无人机进行外业作业。同时对于安全事故发生的现状、变化趋势都可以利用无人机倾斜摄像技术进行数据追踪分析，为灾害的事故原因分析提供可靠的测量数据。

3 倾斜摄影技术在露天矿山中的应用

海螺集团非常重视数字化和智能矿山建设，旗下很多矿山近年逐步推进数字化矿山建设，而数字化矿山建设关键工作之一就是获取矿区范围地表三维模型，将矿山的生产调度、车辆、人员、资源开采情况都集中在三维管控平台上显示，而三维管控平台依赖于现场真实测绘的地貌信息。由于矿区范围大，短时间通过传统测绘工具难以获得现场三维地理信息，同时传统的测绘工具获取的是点坐标信息，缺乏现场地貌色彩信息，因而在显示界面上往往是虚拟化的抽象模型。通过考察，发现无人机倾斜摄影技术可以很好地解决以上问题，因而决定采用无人机倾斜摄影的方式，获取矿区整体三维模型，用于矿山生产测绘工作及数字化矿山建设。

采用无人机倾斜摄影技术对海螺水泥某露天矿山开采区域、排土场区域、生活办公区域、水泥加工厂房区域进行航拍作业，飞行区域面积是3.2 km2，外业时间是3 d，内业数据处理周期是7 d，数据处理采用Bentley公司的Context Capture三维建模软件完成。Context Capture是一套基于图形处理器（GPU）的快速三维场景运算软件，通过简单连续的影像生成超高密度点云，并在此基础上生成基于真实影像纹理的高分辨率实景三维模型，并支持多种数据源，兼容各种航摄相机系统，同时能够输出obj、osgb、dae、xml等通用兼容格式，且能方便自由地导入各种主流GIS平台及三维编辑软件，模型可对接三维管控平台，接入生产数据，实现模型定期更新。该矿数据处理结果如图4所示，该模型可以实现点坐标测量、长度测量、面积测量、体积测量等功能。构造实景三维模型的同时，还可以实现DLG、DOM、DSM等数字地图的生成，在矿山大比例尺地形图绘制、堆体方量计算、采场填挖方量计算等方面有着很好的应用，如图5所示。

在实际飞行航拍以及数据处理过程中，数据最终呈现的效果还受到水面不良反射导致结构性缺失或模型局部变形，物体移动、影像分辨率低、影像覆盖率不足导致的结构变形和纹理失真；另外，航飞作业参数的设置、航飞光影条件等因素也会影响到模型效果，如出现地物重影、整体拉花、融化、变形等问题。因此，进行无人机航拍之前需要进行实地踏勘以及航飞规划，这样可以很好地提前避免或减少不利因素影响。

倾斜无人机航拍模型不仅可以实现三维模型的建立以及满足矿山常规的测绘技术需求，同时基于其数据格式良好的交互性，可与矿山三维管控平台对接，将矿山的生产信息、安全信息融合到无人机航拍三维模型中，进而实现矿山生产作业的三维可视化管控目标，建成矿山的智能决策支持系统。三维实景展示整个矿山的总体布局，利用数据中心的生产数据，实时显示整个矿山的生产状况，为矿山生产指挥提供支持，如图6所示。海螺水泥矿山结合无人机倾斜摄影技术形成了“三大平台+两大系统+矿山数据中心”矿山智能管控系统，解决了矿山数字化、智能化建设中涉及的海量多源异质信息进行高效组织管理的问题，实现各系统模块之间实时信息同步共享。矿山定期进行无人机航拍作业，将三维模型更新至矿山智能管控系统中，矿山管理者就可以很好地掌握矿山当前的开采情况和相关系统的运行情况。

4 结论

无人机倾斜摄影技术是一项革命性的三维测绘技术，在一定程度上改变传统全站仪、RTK测量制图实施难度大、周期长的现状，借助无人机倾斜摄影技术，可在短时间内获取矿山实景三维模型，且附带准确的地理位置信息，具有测量效率高、精度高等特点；同时，相对于传统测绘手段，其对目标物数字化程度更高，不仅包含了坐标信息，还包含了真实物体纹理和色彩信息，对于推动露天矿山数字化建设具有重要意义。无人机倾斜摄影技术不仅在露天矿山三维建模中发挥重要作用，在矿山资源开采管理、矿山安全生产、矿山大比例尺地形图绘制、堆体方量计算、开挖方量计算、矿山三维智能化管控系统等方面也具有很好的应用前景。