无人机倾斜摄影在矿山地形测量中的具体应用

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无人机倾斜摄影在矿山地形测量中的具体应用
杨 宝
摘要：本文介绍了无人机倾斜摄影技术原理，包括倾斜相机系统的构成和工作原理。

在数据采集方面，讨论了飞行路径规划和优化、飞行高度与重叠度设定等关键步骤。

在数据预处理阶段，覆盖了几何校正、相机校正、颜色校正和影像融合等处理步骤。

详细讨论了三维模型构建的过程，包括点云生成、点云滤波、建模表面和纹理映射等步骤。

强调了如何适应矿山地形的特殊性、提高数据采集效率和保障模型精度。

关键词：无人机；倾斜摄影；矿山；地形测量
无人机技术在地理信息领域的广泛应用，为矿山地形测量提供了全新的视角和高效的数据获取手段。

其中，无人机倾斜摄影技术以其高分辨率、灵活性和成本效益等优势，成为矿山地形测量领域备受关注的技术之一。

通过搭载倾斜摄影系统，无人机能够获取大范围、多角度的影像数据，为矿山地形的准确测量提供了强大的工具。

本文旨在深入探讨无人机倾斜摄影在矿山地形测量中的具体应用，着重介绍该技术的原理、数据采集过程、预处理方法以及三维模型构建等关键步骤。

通过对这些关键环节的深入分析，将阐述无人机倾斜摄影技术如何应对矿山地形的特殊性，提高数据采集效率以及构建精确、全面的三维地形模型的方法。

无人机倾斜摄影技术的应用将为矿山地形测量领域带来更为精确、高效和经济的解决方案，推动矿业领域的地理信息科技进步。

1 无人机倾斜摄影技术
1.1 技术原理
无人机倾斜摄影技术的实现基于多个关键技术原理。

首先，相机传感器的选择至关重要，常用的包括多光谱、红外线或全色谱相机，这些传感器可以捕捉不同波段的地表信息。

倾斜摄影头设置在一定的倾斜角度，通常在水平面以下，以获取地面目标的侧面信息，而相机的内外方位元素需要经过校准以确保影像的几何精度。

飞行控制系统负责规划无人机的飞行路径，调整高度和速度以适应不同地形和任务需求。

在飞行过程中，通过持续图像采集，构建倾斜影像集，捕捉地面各个方向的特征。

影像数据需要经过预处理，包括去畸变和配准等步骤，以提高数据的几何和光谱精度。

其次，利用计算机视觉和摄影测量学原理，通过三维模型构建技术，将影像数据转化为高精度的三维地表模型。

传感器融合技术也得以应用，多传感器协同工作，综合利用相机、惯性导航系统等信息，提高数据的精度和可靠性。

这些原理的有机结合使得无人机倾斜摄影技术能够在复杂环境中高效、准确地获取地表信息，为地形测量、规划和资源管理等应用领域提供了强大的工具。

1.2 优势与特点
（1）高分辨率影像获取。

无人机倾斜摄影技术以其出色的高分辨率影像获取能力在地表影像采集领域表现出显著的优势。

通过将相机设置在一定的倾斜角度，这项技术能够捕捉到地面目标的侧面信息，为影像提供更为详细和全面的视角。

倾斜摄影头的全景特性使相机能够以全景的方式捕捉地表，覆盖广泛区域，为数据提供更全面的基础。

此外，倾斜摄影技术通过更接近地表目标，实现更高的空间分辨率，从而能够识别和测量更小尺度的地物，提高了数据的精度和细节度。

多角度影像融合，包括正射影像和倾斜影像，有助于进一步提高影像质量，减少地形失真，提供更为真实的地表展示。

这种高分辨率影像不仅在城市规划、土地利用管理、环境监测等领域有着广泛的应用，而且在矿山地形测量中，为规划和资源管理提供了详细而全面的地形数据，成为多个领域地表分析的重要工具。

（2）高精度三维建模。

无人机倾斜摄影技术在高精度三维建模方面展现出卓越的能力。

通过将相机设置在一定的倾斜角度，这项技术能够捕捉到地面目标的侧面信息，从而提供了更为立体和真实的影像数据。

通过倾斜摄影技术获得的影像数据可用于生成高密度的三维点云模型，精确反映地表的细微特征，包括建筑物、植被和地形。

在进行影像采集后，内外方位元素的精确校正确保了影像的几何精度，为后续的三维建模奠定基础。

通过控制无人机的飞行高度和相机的倾斜角度，调整相机的姿态，更好地捕捉地表的立体信息，进一步提高了模型的准确性。

通过特征匹配和立体配准，将不同视角的信息融合，建立准确的三维地表模型。

利用倾斜摄影获得的多个视角影像，多视角融合有助于提高三维模型的精度和全面性。

这些高精度的三维模型在城市规划、土地管理、文化遗产保护以及矿山地形测量等领域有广泛的应用。

在矿山地形测量中，这些模型为规划和资源管理提供了详尽的地形数据，有助于有效监测和管理矿区的地表变化。

无人机倾斜摄影技术以其在高精度三维建模方面的卓越性能，为地理信息系统和
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相关领域提供了强大的工具，为各种应用场景中的地表特征提供了准确而细致的描述。

（3）数据采集效率提升。

无人机倾斜摄影技术在数据采集效率方面表现出显著的优势。

通过将相机设置在一定的倾斜角度，相较于传统垂直摄影，全景影像的捕捉方式使得相机能够覆盖更大面积的地区。

这种全景式的数据采集不仅提高了数据采集的效率，而且减少了对多次飞行的需求，节省了时间和资源。

同时，倾斜摄影技术允许更高的飞行高度，不降低数据的质量的前提下，提高了数据覆盖的速度。

高效的飞行计划和路径规划算法确保了在短时间内最大化地覆盖目标区域。

此外，实时数据传输的支持使得操作员能够在飞行过程中即时监控数据质量，实现及时调整和反馈。

自动化的数据采集过程，包括路径规划和相机设置的自动调整，降低了操作的复杂性，提高了数据采集的一致性和可重复性。

这些特点使得倾斜摄影技术在矿山地形测量等领域能够更加高效地获取详尽的地表信息，为规划和资源管理提供了及时而准确的数据支持，促进了矿区决策和管理的迅速响应。

2 矿山地形测量需求
2.1 地形测量的重要性
矿山地形测量在矿业运营中具有多方面的重要需求。

首先，它是进行资源评估的基础，通过获取矿区地表的形状、高程和地物分布等数据，为地质和矿产资源的准确评估提供了科学依据。

这有助于优化资源开发和提高开采效率。

其次，矿山地形测量支持矿区的开采规划，包括挖掘顺序、爆破设计和坡度分析等，从而优化采矿过程，提高矿石的回收率，降低开采中的风险。

最后，地形数据对于水文地质分析至关重要，揭示了矿区内的水文地质特征，有助于矿区的水资源管理和防洪防汛工作。

在环境监测方面，矿山地形测量可以及时监测土地变化、植被覆盖等。

2.2 矿山地形特殊性
矿山地形具有独特的特性，这些特性直接影响了地形测量和整个矿业活动的进行。

首先，矿山地形常常呈现出复杂的地貌，包括陡峭的坡度、悬崖峭壁和山谷等。

这种地形复杂性使得传统地形测量方法难以全面获取信息，因此需要更为先进的技术，例如无人机倾斜摄影，以获取高精度、全面的地表数据。

其次，矿山地区的地质结构异质性较高，包含多种岩层和矿石类型，对于地形测量需要考虑这些地质差异，以准确评估矿产资源分布和矿体特征。

另外，人工工程结构如采矿坑、道路和设备等也对地形产生影响，需要采用特殊方法获取相关信息。

动态的地表变化是矿山地形的又一特征，地形测量需要实时监测和记录这些变化，以支持矿区的可持续管理。

由于地形的复杂性，矿山地区存在较高的地质灾害和安全风险，地形测量在评估和管理这些风险方面发挥着关键作用，帮助制定安全规划和应急响应策略。

因此，地形测量需要考虑矿业活动对周边环境的潜在影响，支持可持续开采和环境保护。

3 无人机倾斜摄影在矿山地形测量中的具体应用
3.1 确定测量区域与任务目标
在使用无人机倾斜摄影技术进行矿山地形测量之前，首先需要明确测量区域和任务目标，以确保高效而有针对性的数据采集。

确定测量区域至关重要，使整个矿区或特定的采矿区域，具体取决于项目的需求。

同时，明确任务目标是关键的，这可能包括资源评估、开采规划、环境监测、安全评估等。

每个任务目标都需要不同的地形数据和分辨率，因此明确目标有助于确定测量参数和优化数据采集方案。

考虑时间维度同样重要，因为地表随季节、天气和矿业活动而变化。

选择适当的时间进行测量可以更好地满足项目的时间维度要求。

在确定测量区域和任务目标的同时，识别需要特别关注的地表特征，如采矿坑、坡地、水体等，对于优化数据采集路径和调整相机设置至关重要。

分辨率需求是另一个关键因素，不同的任务可能需要不同分辨率的地形数据。

明确任务的精度和细节要求，以选择合适的相机设置和飞行高度，以获得满足要求的地表影像。

安全和法规方面的考虑同样不可忽视，确保无人机飞行和地形测量活动符合当地的法规和安全标准。

考虑数据后处理的需求，包括地形模型的生成、影像融合、数据校正等。

合理规划后处理流程，确保最终获得准确且可用的地形数据。

通过仔细考虑以上因素，明确无人机倾斜摄影测量的范围和目标，从而有效规划数据采集过程，确保满足项目的实际需求。

3.2 飞行计划与路径规划
（1）飞行高度与重叠度的设定。

在进行无人机倾斜摄影测量时，合适的飞行高度和重叠度的设定至关重要，直接影响着获取高质量地形数据的效果。

对于矿山地形测量，通常建议选择相对较低的飞行高度，以获得更高的地表分辨率。

这有助于准确捕捉地表的细节，如植被、地形和设施等。

然而，需要注意飞行高度过低可能导致地表覆盖范围减小，因此需要在高分辨率和总覆盖范围之间取得平衡。

飞行高度的具体设置应考虑相机的规格、焦距等参数以及地形的起伏情况，通过飞行测试和模拟来优化。

关于重叠度的设定，对于倾斜摄影建议设置较高的纵向重叠度和横向重叠度，通常在60%～80%和
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40%～60%之间。

较高的重叠度有助于提高数据匹配的准确性，特别是在建立三维模型时。

在具有复杂地貌和地形的矿山区域，更高的重叠度也有助于处理垂直高差较大的地表。

适当的重叠度设置还能提高模型的稳定性和一致性，减少航线间差异引起的问题。

最终的飞行高度和重叠度的选择需要根据具体任务目标、地形特征以及所用无人机和相机设备进行调整。

在实际操作中，飞行前的规划和飞行测试是关键，通过实际效果进行优化，确保获得满足项目需求的高质量地形数据。

（2）飞行路径的规划与优化。

在进行无人机倾斜摄影测量时，飞行路径的规划与优化是确保高效数据采集和质量地形信息的关键步骤。

首先，飞行路径应全面覆盖目标区域，确保包括整个矿山地形和相关地貌特征，而适当的重叠度能支持后续的影像处理和地形建模。

考虑到矿山地形的复杂性，飞行路径规划需要适应陡峭的坡地和悬崖，以确保无人机能够安全而高效地穿越这些地貌，获取全面而准确的地表数据。

此外，安全因素至关重要，需要避免与地形或设施发生冲突，设置安全的缓冲区，并确保遵循当地的飞行法规。

为了提高效率和减少人为错误，建议使用现代飞行规划软件实现自动化路径规划，这些软件能够综合考虑地形、任务需求和安全因素生成最佳的飞行路径。

此外，优化航线间距是为了平衡数据的分辨率和采集的效率，通过飞行模拟和规划工具进行优化以满足任务需求。

在规划路径时，还应考虑多方位的拍摄角度，以获取更全面的地表信息，避免阴影效应，提高地形模型的准确性。

在飞行过程中要实时监控数据质量，并根据需要调整路径。

无人机设备通常支持实时视频传输，可以在飞行时监控图像，确保数据采集的实时质量。

通过综合考虑这些因素，规划和优化飞行路径能够确保在矿山地形测量中最大限度地利用无人机倾斜摄影技术，以获取高效且质量优良的地表数据。

3.3 数据采集与处理流程
（1）无人机数据采集。

在进行无人机倾斜摄影测量时，飞行路径的规划与优化是确保高效数据采集和质量地形信息的关键步骤。

首先，飞行路径应全面覆盖目标区域，确保包括整个矿山地形和相关地貌特征，而适当的重叠度能支持后续的影像处理和地形建模。

考虑到矿山地形的复杂性，飞行路径规划需要适应陡峭的坡地和悬崖，以确保无人机能够安全而高效地穿越这些地貌，获取全面而准确的地表数据。

此外，安全因素至关重要，需要避免与地形或设施发生冲突，设置安全的缓冲区，并确保遵循当地的飞行法规。

为了提高效率和减少人为错误，建议使用现代飞行规划软件实现自动化路径规划，这些软件能够综合考虑地形、任务需求和安全因素生成最佳的飞行路径。

此外，优化航线间距是为了平衡数据的分辨率和采集的效率，通过飞行模拟和规划工具进行优化以满足任务需求。

在规划路径时，还应考虑多方位的拍摄角度，以获取更全面的地表信息，避免阴影效应，提高地形模型的准确性。

在飞行过程中要实时监控数据质量，并根据需要调整路径。

无人机设备通常支持实时视频传输，在飞行时监控图像，确保数据采集的实时质量。

通过综合考虑这些因素，规划和优化飞行路径能够确保在矿山地形测量中最大限度地利用无人机倾斜摄影技术，以获取高效且质量优良的地表数据。

（2）三维模型构建。

三维模型构建是从无人机倾斜摄影数据中生成精确地表三维模型的关键环节。

首先，通过影像数据生成点云，这一过程涉及立体匹配等技术，以获取地表上各点的三维坐标信息。

生成的点云可能包含噪声或无关的点，因此，需要进行点云滤波操作，采用高度阈值滤波、密度滤波等方法，确保点云集中在地表上。

其次，利用经过滤波的点云数据，采用三角网格或体素化等方法建立地表的表面模型，包括插值和平滑操作以获得真实和光滑的地表模型。

通过纹理映射将处理过的影像数据映射到三维表面模型上，生成具有真实纹理的三维地形模型，以提高模型的直观性和可视化效果。

再次，进行质量评估，检查模型的准确性和完整性，通常包括与地面控制点的比对和模型内部一致性检查。

最后，生成的三维地形模型可以输出为不同格式的文件，以满足不同应用场景的需求，如三角网格模型（OBJ、STL等格式）、点云文件（LAS、PLY等格式）等。

在整个构建三维模型的过程中，需综合考虑影像数据质量、点云生成算法精度、建模算法效率等因素，选择合适的软件和工具以满足项目需求。

4 结语
本文剖析无人机倾斜摄影技术的实际操作和关键步骤。

通过对技术原理的阐释，清晰了解了无人机倾斜摄影系统的工作方式，以及它在获取高分辨率地形数据方面的优越性。

在数据采集方面，详细探讨了飞行路径规划、优化和预处理步骤，强调了这些环节对于获得高质量影像数据的不可或缺性。

此外，深入讨论了三维模型构建过程，包括点云生成、滤波、表面建模和纹理映射等步骤，阐述了如何从倾斜摄影数据中生成精确的地表模型，并应用到矿山测量方面。

（作者单位：甘肃煤田地质局综合普查队）
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