地质工程中贴近摄影测量技术的使用

　　摘    要：　贴近摄影测量技术是倾斜摄影测量技术的进一步升华。它的技术支撑有两个：无人机云台姿态控制能力、无人机高精度的定位技术。本文地质工程施工区域为例，简要介绍了贴近摄影测量从航线规划、无人机摄影实施到内业三维模型生产的具体操作，总结出贴近摄影测量技术在地质施工中的发展及主要趋势及研究要点。

　　关键词 :     贴近摄影测量,地质工程:无人机;实景三维模型:

　　Abstract：　The technique of closeness photogrammetry is a further sublimation of tilt photogrammetry.Its technical support has two:UAV pylon attitude control ability,UAV high-precision positioning technology.Taking geological engineering construction area as an example,this paper briefly introduces the specific operations of nearness photogrammetry from the route planning,the implementation of UAV photography to the production of interior 3D model,and summarizes the development,main trends and research points of nearness photogrammetry technology in geological construction.

　　Keyword：　Close photogrammetry; Geological engineering; Unmanned aerial vehicle(uav); Real 3D model;

　　贴近摄影测量技术的基础是倾斜摄影测量技术。倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术，该项技术由于其高分辨率和高真实感，能真实立体的还原地表实际状况，在大比例尺地形图测绘、地形规划，防灾应急保障、日照分析，控高分析，摄像头监控，地质工程一体化，淹没分析，地质遗迹的保护、景区展示等方面有广泛的利用前景。
 

　　1 、贴近摄影测量技术概述

　　贴近摄影测量是针对精细化测量的一种技术方式，该项技术最初应用于矿山滑坡、危岩、地质监测、水利工程等应急测绘。和遥感技术、无人机航空摄影技术相比，贴近摄影测量是使用贴近物体表面(摄影距离为5m～50m)摄影获取超高分辨率影像的无人机测量技术，它具有超高的空间分辨率和360°无死角的观测视角。

　　多旋翼无人机机动灵活、安全易操作、影像成果分辨率高等特性是贴近摄影测量实现的重要技术基础。而航线的规划则是贴近摄影测量成功实施的重要技术环节。

　　2 、案例选取

　　贴近摄影测量的对象大致可以分为四类：近似垂直的立面、斜坡面、柱体或近圆形建筑、常规工程建设。本文选取矿山地质勘查区域为案例对象。地质施工勘查区域位于甘肃天水东南的麦积山上，该地区地质结构较为复杂。该研究区域的海拔高度在1100m到1500m之间，气候的特点是寒冷、干燥、昼夜温差较大。这一区域的主要矿产种类是锡铜铅锌银，主要的开采方法是地下开采。因地形限制，传统的倾斜摄影方式无人机航高较高，获取的影像分辨率较低，地质结构成像的三维模型不够清晰。因此需要贴近摄影测量补充拍摄。

　　3 、贴近摄影测量作业流程

　　针对不同的作业对象，贴近摄影测量的作业流程也有所不同。但基本都遵循一个由“大”到“小”，由“粗”到“细”的过程。所谓大，是说在作业前必须要有该测区的大致地理概况的数据，一是准确提取无人机的起飞点、降落点；二是判断航飞范围内有无高大树木、凸起岩体、高压电线等障碍物，排除航飞安全隐患，为无人机航飞提供安全保障；三是为准确规划航线提供基础资料。所谓“小”，是说航飞的对象是大的地理环境中的某个点或某个面。

　　基础数据、软件、硬件设备准备完成后即可实施贴近摄影测量工作，其整个作业流程如下图：

　　图1  地质工程贴近摄影测量流程

　　4 、贴近摄影测量实施过程

　　贴近摄影测量的实施是一个流程化、精细化的过程。实施过程可以分为三大部分：航线规划、航摄实施、内业数据处理。

　　4.1、 航线规划

　　以选取的案例来对航线规划做具体说明。在本次作业之前，已收集了麦积山的倾斜摄影实景三维模型、高精度点云等基础数据，利用嘀哒好图的无人机订单平台来做航线规划。

　　图2  贴近测量航线规划

　　4.1.1 、确定范围

　　因为矿山地质勘查区域处于一个直立式悬崖上，航线规划的对象要选择立面。在软件的拍摄方式选择界面选择立面，加载已有的点云数据，在崖壁的左下角、右下角、崖顶量测三点，提取三个点的坐标，确定航拍宽度及高度。因为麦积山崖下地形起伏大，树木茂密，在定崖下点的时候着重考虑离地距离，确保飞行安全。

　　4.1.2、 生成航线

　　航线一般利用软件自动生成。在平台中已加载的点云数据中选择一个离航拍对象较近且空旷的位置一作为无人机起飞点，设置无人机拍摄方向、距离立面距离、数据采集精度、旁向航向重叠度等参数后点击进行航线计算自动生成航线。

　　4.2、 航拍实施

　　无人机的选择是贴近摄影测量实施的一个要点，无人机要尽量轻巧灵活，便于操控。在无人机选择方面，本次作业选择了大疆精灵Phantom 4 RTK，这款无人机小巧便携，又有厘米级的导航定位系统和高性能成像系统。作业难度和成本低，精度和效率高。本次无人机航拍时距离矿山地质表面仅20m，对无人机航摄来说这是一个相当有挑战性的距离。

　　4.3、 实景三维模型生产

　　航空摄影的数据处理选择了自动高效的ContextCapture软件进行空三加密及三维模型生产。在具体地质施工作业过程中，首先对贴近摄影测量的航拍数据进行空三加密，加密完成后在已有的倾斜摄影测量三维模型成果上提取贴近摄影测量同名点坐标，将这些同名点坐标当做控制点，导入贴近摄影测量空三工程中并转刺。内业数据生产的具体流程如图3所示。

　　5 、技术要点及难点

　　贴近摄影测量的技术要点和难点基本上是相伴而生，要点同时也是难点。下面是在本次测试中遇到的难点。

　　5.1、 贴近摄影飞行姿态的确定

　　贴近摄影测量不同于常规摄影测量，它与传统正射摄影测量的区别是投影面并非为水平投影面，其对象是各种或竖立或倾斜的面，这就决定了飞机的飞行姿态可能不是平行于地面飞行。对于竖直平面需要垂直于地面爬升飞行，对于类似于塔的柱体对象，需要环绕加爬升的飞行方式。

　　5.2、 贴近摄影测量航拍实施

　　贴近摄影测量距离被摄对象距离小，加大了航拍的难度和危险性。这就对无人机操作员有较高的要求，最好是由经验丰富的操作员参与前期的航线规划、起飞点的选择，从源头上排除风险。在本次测试中，矿山下树木高大茂密，同时，矿山地形较为复杂，航拍难度较大。本次负责航拍的无人机的操作员有多年的航拍经验，在航线规划时就避开了矿山底及矿山顶的危险区。

　　图3  内业数据生产的具体流程

　　5.3 、贴近摄影测量数据与倾斜摄影测量数据融合

　　贴近摄影测量的成果是一种分辨率极高的实景模型，但成果面积一般较小。相对于贴近摄影测量模型成果来说，倾斜摄影测量生产的三维模型精度较低，但面积大，范围广。因此，贴近摄影测量的三维模型成果需要与倾斜摄影测量成果进行融合。通过两种模型成果的融合来提高模型的精细程度和整体展示效果。

　　6 、结语

　　通过本次案例的实施可以看出，贴近摄影时无人机和被摄队形的距离特别近，因此航摄时存在一定的安全隐患，但风险与机遇并存，高风险的航飞带来的是前所未有的高精度实景三维模型成果。本次案例得到的高精细三维模型是其他技术无法比拟的。总体来说，贴近摄影测量具有以下特点：

　　(1)贴近摄影测量的影像投影面是与被摄面平行的任意面(并非水平面)。
　　(2)航摄时航摄相机垂直于任意被摄物体面，同时可根据物体形状动态调整。
　　(3)贴近摄影，顾名思义即近距离摄影，可获得mm级分辨率的影像。
　　(4)需要被摄物体的初始形态，提前获取摄区大致的三维场景，以三维模型为基础规划贴近航摄的航线。

　　参考文献

　　[1]褚杰、盛-楠.无人机倾斜摄影测量技术在城市三维建模及三维数据更新中的应用[J]测绘通报, 2017(S1):130-135.
　　[2]张祖勋贴近摄影测量由来与含义4]武汉:武汉大学遥感信息功臣学院,2019.
　　[3]黄敏儿、南胜、周兴华等点面结合的无人机倾斜摄影解决方案在应急测绘保障中的应用[J]城市勘测, 2017,21(2):89-92.