基于無人機(jī)遙感技術(shù)的露天礦邊坡測繪研究

黃震江，鄭禮翔

(1.浙江省測繪科學(xué)技術(shù)研究院，浙江 杭州 3100121； 2.浙江省國土勘測規(guī)劃有限公司，浙江 杭州 3100302)

1 引 言

由于露天礦邊坡失穩(wěn)導(dǎo)致滑坡、泥石流等現(xiàn)象頻發(fā)，露天礦邊坡測繪是針對影響露天礦邊坡穩(wěn)定性以及安全性的突發(fā)事件展開的測繪活動(dòng)。通過測量露天礦邊坡地質(zhì)特征，分析有關(guān)地質(zhì)信息，可為突發(fā)事件應(yīng)急措施提供可靠、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，從而減小邊坡突發(fā)帶來的經(jīng)濟(jì)損失[1]。對露天礦邊坡測繪情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究，為地質(zhì)災(zāi)害治理提供數(shù)據(jù)支持。在我國，目前針對露天礦邊坡測繪的研究普遍存在覆蓋范圍小、采樣點(diǎn)數(shù)量有限、測繪耗費(fèi)時(shí)間長、測繪精度較低等問題，導(dǎo)致露天礦邊坡實(shí)際測繪效果較差，難以達(dá)到預(yù)期要求。無人機(jī)遙感技術(shù)具有高精度、高效率、高精細(xì)、全自動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程測繪中[2]。

隨著數(shù)碼相機(jī)技術(shù)與無人機(jī)的發(fā)展、進(jìn)步，遙感技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢越來越得到凸顯，目前無人機(jī)數(shù)字低空遙感已成為前沿技術(shù)。本文提出基于無人機(jī)數(shù)字低空遙感技術(shù)的新型露天礦邊坡測繪方法，以露天礦邊坡為研究對象，根據(jù)測繪任務(wù)要求，盡量縮短測繪時(shí)間，從而減小測繪工作量，得到準(zhǔn)確、良好的測繪結(jié)果。

2 新型露天礦邊坡測繪方法

本文結(jié)合無人機(jī)數(shù)字低空遙感技術(shù)為露天礦邊坡測繪提供新型測繪方法。根據(jù)露天礦邊坡地形特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于無人機(jī)數(shù)字低空遙感技術(shù)的露天礦邊坡測繪方法具體流程如下：①選擇無人機(jī)飛行路線，利用無人機(jī)拍攝露天礦邊坡影像，獲取露天礦邊坡無人機(jī)影像數(shù)據(jù)；②通過幾何校正獲取高精度露天礦邊坡三維可視化圖像；③通過提取露天礦邊坡三維可視化圖像中的特征參數(shù)，顯示露天礦邊坡測繪信息。綜上所述，新型露天礦邊坡測繪方法主要基于數(shù)據(jù)獲取、信息處理、測繪工程測量信息顯示，通過開展基于無人機(jī)數(shù)字低空遙感技術(shù)的露天礦邊坡測繪，得到精度高、準(zhǔn)確性高的露天礦邊坡測繪信息圖區(qū)。

2.1 露天礦邊坡無人機(jī)影像數(shù)據(jù)獲取

結(jié)合無人機(jī)數(shù)字低空遙感技術(shù)精度高等特點(diǎn)，為獲取露天礦邊坡測繪基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用專業(yè)化數(shù)據(jù)獲取設(shè)備，拼接露天礦邊坡測繪得到的整體概況[3]。在邊坡滑坡區(qū)域內(nèi)，通過手動(dòng)遙控?zé)o人機(jī)進(jìn)行低空飛行定焦，設(shè)置焦距為 5 mm，測量后得到不同角度高重疊度的航空影像。為保證測繪影像具有高清晰度與高分辨率，將像素設(shè)為 2 560×1 920(最大值)。根據(jù)多幅不同角度高重疊 度航空影像，對平面上設(shè)置的二維坐標(biāo)進(jìn)行矩形校正，建立露天礦邊坡三維立體模型，還原整體地質(zhì)情況，并綜合分析采集影像與還原的地貌，通過紋理疊加法對邊坡區(qū)域進(jìn)行細(xì)節(jié)化處理，考慮疊加影響對邊坡整體地質(zhì)情況進(jìn)行分析，對測量點(diǎn)進(jìn)行文字、符號(hào)標(biāo)注，提取邊坡測繪信息[4]。

同時(shí)將提取的信息數(shù)據(jù)域DEM(Digital Elevation Model)進(jìn)行幾何對比，其中坐標(biāo)正方向?yàn)楸壤咭员狈较?，根?jù)特征化圖像在信息中的位置，根據(jù)比例尺精準(zhǔn)定位邊坡測繪區(qū)域。采用無人機(jī)進(jìn)行航拍時(shí)，可能存在偏離軌道的情況，為此，在露天礦邊坡測繪信息提取過程中，為避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏離，采用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，對偏離精度進(jìn)行調(diào)試，并通過三維拍攝技術(shù)進(jìn)行二次模擬成像，以便對無人機(jī)測繪進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，進(jìn)而精準(zhǔn)提取露天礦邊坡測繪信息。

2.2 露天礦邊坡無人機(jī)影像信息快速處理

基于上述進(jìn)行的露天礦邊坡無人機(jī)影像數(shù)據(jù)獲取工作，由于無人機(jī)傾角較大，導(dǎo)致三維可視化影像中的邊坡巖體遮擋較嚴(yán)重。為此，進(jìn)行數(shù)據(jù)篩查、去噪、提煉，即利用計(jì)算機(jī)視覺算法對獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[5]。對獲取的露天礦邊坡無人機(jī)影像進(jìn)行相機(jī)自校驗(yàn)，即根據(jù)二維影像自動(dòng)恢復(fù)得到場景三維點(diǎn)云模型，以便劃分露天礦邊坡區(qū)域，按覆蓋面積、嚴(yán)重程度將整體信息劃分為不同等級，利用“測繪影像解釋”識(shí)別邊坡地質(zhì)類型，并計(jì)算不同區(qū)域不同地質(zhì)類型所占面積，對多個(gè)區(qū)域進(jìn)行整體評估[6]。

根據(jù)無人機(jī)數(shù)字低空遙感的特點(diǎn)，利用尺度不變特征變換提取算子，提取每幅無人機(jī)影像特征點(diǎn)，并將相對較低區(qū)域的數(shù)據(jù)刪除。對剩余數(shù)據(jù)進(jìn)行二次整理，利用基于k-dimensional樹的近似最鄰近算法進(jìn)行粗匹配，識(shí)別精準(zhǔn)度，刪除精準(zhǔn)度<0.1的數(shù)據(jù)集，對邊緣進(jìn)行模糊化處理，對有價(jià)值的露天礦邊坡測繪信息進(jìn)行提取。利用隨機(jī)抽取一致性框架的8點(diǎn)算法對基本矩陣進(jìn)行計(jì)算，對誤匹配點(diǎn)進(jìn)行剔除，利用人工解讀的方式對測繪信息的具體應(yīng)用進(jìn)行研判，既可提升數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確性，又可為邊坡測繪提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息[7]。獲取測繪數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行提煉。利用正向映射技術(shù)對校正后的數(shù)據(jù)進(jìn)行高程模型成像，經(jīng)過多次數(shù)據(jù)對比后，將邊緣模糊的數(shù)據(jù)去除，從而建立與極幾何約束精匹配的特征點(diǎn)集，實(shí)現(xiàn)同名特征點(diǎn)匹配，完成對露天礦邊坡測繪數(shù)據(jù)的預(yù)處理。

根據(jù)上述露天礦邊坡無人機(jī)影像快速處理流程，為避免重投影誤差的影響，設(shè)重投影誤差平方和函數(shù)表達(dá)式如下：

(1)

式中：j為變量；m為場景稀疏點(diǎn)云；v為最小化投影點(diǎn)；f為觀測圖像點(diǎn)；P為誤匹配點(diǎn)；C為待求相機(jī)參數(shù)；X為空間點(diǎn)坐標(biāo)；q為最佳相機(jī)位置。

進(jìn)行稀疏光束法平差算法逐步迭代，不斷最小化投影點(diǎn)與觀測圖像點(diǎn)的重投影誤差，計(jì)算得到最佳露天礦邊坡無人機(jī)影像投影位置，實(shí)現(xiàn)高精度測繪圖像快速處理。

2.3 露天礦邊坡測繪工程信息顯示

結(jié)合無人機(jī)數(shù)字低空遙感技術(shù)，對露天礦邊坡測繪工程信息進(jìn)行顯示[8]，具體流程如下：①將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行比例尺重復(fù)校正，得到DEM、熱紅外線等數(shù)據(jù)，為露天礦邊坡測繪信息后期成像提供多元化數(shù)據(jù)源[9]。通過使用圖像顯示設(shè)備，將DEM數(shù)據(jù)投至屏幕，采用人工翻譯技術(shù)對露天礦邊坡測繪信息進(jìn)行分類。②結(jié)合部分潛在的露天礦邊坡測繪信息識(shí)別多元次露天礦邊坡測繪信息，根據(jù)成像結(jié)果對區(qū)域類型進(jìn)行劃分，并通過定位的方式對圖像結(jié)果進(jìn)行分析。為得到準(zhǔn)確的測繪結(jié)果，提出對應(yīng)的露天礦邊坡測繪計(jì)劃，通過無人機(jī)遙感技術(shù)指導(dǎo)露天礦邊坡測繪工作的順利開展[10]。③通過無人機(jī)數(shù)字低空遙感技術(shù)建立邊坡三維模型，對邊坡測繪信息地理位置進(jìn)行二次注冊，最終實(shí)現(xiàn)露天礦邊坡整體測繪。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)概況

測繪結(jié)果中誤差須小于大比例尺測圖中誤差，為驗(yàn)證本文提出基于無人機(jī)數(shù)字低空遙感技術(shù)的新型露天礦邊坡測繪方法實(shí)用性，以某露天礦邊坡為試驗(yàn)對象，在邊坡內(nèi)布置2個(gè)測繪精度配準(zhǔn)控制點(diǎn)與2個(gè)精度驗(yàn)證點(diǎn)，精度要求如表1所示。

精度要求 表1

結(jié)合表1，分別應(yīng)用傳統(tǒng)測繪方法與本文提出的測繪方法進(jìn)行測繪，并對比中誤差，記錄試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

試驗(yàn)結(jié)果 表2

續(xù)表2

由表2可知，本文提出的基于無人機(jī)數(shù)字低空遙感技術(shù)的新型露天礦邊坡測繪方法中誤差均較傳統(tǒng)測繪方法中誤差小，均符合相關(guān)規(guī)范要求，表明本文提出的方法具有較高的測繪精度。

4 結(jié) 語

基于無人機(jī)數(shù)字低空遙感技術(shù)對露天礦邊坡測繪進(jìn)行研究，通過對比試驗(yàn)驗(yàn)證本文提出的基于無人機(jī)數(shù)字低空遙感技術(shù)的新型露天礦邊坡測繪方法的有效性。研究結(jié)果可更好地指導(dǎo)露天礦邊坡測繪工作，為露天礦邊坡測繪提供新的方法。在未來的研究工作中，可加大無人機(jī)低空遙感遙感技術(shù)應(yīng)用力度研究，以該技術(shù)為核心技術(shù)，滿足后期露天礦邊坡測繪工作發(fā)展需要，促進(jìn)露天礦邊坡測繪可持續(xù)發(fā)展。