基于无人机遥感技术的露天矿边坡三维测绘研究.pdf

2023年8月下 世界有色金属29测绘技术Mapping technology基于无人机遥感技术的露天矿边坡三维测绘研究王山，李骁俊（甘肃省地图院，甘肃 兰州 7 3 0 0 0 0）摘 要：在进行边坡稳定评估时，通常要求对边坡进行可视化描述，其中最直接的方法就是三维建模。本文以一个在山体后面的露天矿场为对象，使用了一种低空飞行的无人机技术，获取了一组边坡的图像，并将得到的数据进行了处理和运算，最终构建出了一个边坡的三维模型。该方法克服了以往测量中只有一点，以点带面的缺点。利用可视化模型，不仅可以全面展现边坡的总体形状，而且可以着重强调局部的细节，为评价边坡的稳定性提供了一个直观的依据。关键词：无人机遥感技术；露天矿边坡；测绘中图分类号：P 2 3 7 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2-5 0 6 5（2 0 2 3）1 6-0 0 2 9-3Research on 3D surveying and mapping of open-pit mine slopes based on drone remote sensing technologyWANGShan,LIXiao-jun(G a n s u P r o v i n c i a l Ma p I n s t i t u t e,L a n z h o u 7 3 0 0 0 0,C h i n a)Abstract:Wh e n e v a l u a t i n g s l o p e s t a b i l i t y,i t i s u s u a l l y r e q u i r e d t o v i s u a l l y d e s c r i b e t h e s l o p e,a n d t h e mo s t d i r e c t me t h o d i s 3 D mo d e l i n g.T h i s a r t i c l e t a k e s a n o p e n-p i t mi n e b e h i n d a mo u n t a i n a s t h e o b j e c t,u s e s a l o w a l t i t u d e f l y i n g d r o n e t e c h n o l o g y t o o b t a i n a s e t o f s l o p e i ma g e s,a n d p r o c e s s e s a n d c a l c u l a t e s t h e o b t a i n e d d a t a,u l t i ma t e l y c o n s t r u c t i n g a t h r e e-d i me n s i o n a l mo d e l o f t h e s l o p e.T h i s me t h o d o v e r c o me s t h e d i s a d v a n t a g e o f me a s u r i n g o n l y o n e p o i n t i n t h e p a s t,w i t h a p o i n t t o a r e a a p p r o a c h.B y u s i n g v i s u a l mo d e l s,n o t o n l y c a n t h e o v e r a l l s h a p e o f t h e s l o p e b e f u l l y d i s p l a y e d,b u t a l s o l o c a l d e t a i l s c a n b e e mp h a s i z e d,p r o v i d i n g a n i n t u i t i v e b a s i s f o r e v a l u a t i n g t h e s t a b i l i t y o f t h e s l o p e.Keywords:d r o n e r e mo t e s e n s i n g t e c h n o l o g y;Op e n p i t s l o p e;ma p p i n g收稿日期：2 0 2 3-0 6基金项目：甘肃省自然资源厅科技项目2 0 2 2 5 4。作者简介：王山，女，生于1 9 8 8 年，汉族，黑龙江人，本科，工程师，研究方向：遥感技术。随着矿山开采技术的发展，对露天矿山进行了深挖。与此同时，边坡也呈现出逐渐变陡的趋势，这对边坡的稳定构成了很大的危险，极易造成施工过程中出现的安全事故，危及施工人员的生命和财产。因此，矿山必须加强对边坡的治理，以降低其发生的风险，其中一条重要途径就是对其进行有效的预防。做好边坡稳定性的监测手段，并对监测数据进行处理，对边坡发展动态进行研究，可以从根源上解决边坡事故的预防和治疗问题，同时也对露天矿山的生产和建设具有重要的影响。本文采用了无人机拍摄的图像资料，并结合相关的建模软件，建立了一个准确的露天边坡的三维模型，为该地区的边坡稳定性分析、预报、防治等工作奠定了坚实的理论基础。近几年，利用无人驾驶飞机采集到的遥感图像资料，经过进一步的加工，可以得到非常逼真的地形3D模型。其中，3D激光扫描技术的应用最为显著，与传统的单点测量相比，其采样点更广，覆盖范围更广，能够实现全方位、大范围、高精度、高灵活性的测量。比起以前的方法，这是一个巨大的进步。三维激光扫描器存在着如下缺点：首先，在扫描过程中存在着一些迟滞；第二是由于所述扫描的范围是有限的，因此无法进行远程的作业P；第三，扫描仪的成本是相当高的。所以，对于超大规模的斜坡，很少采用三维激光扫描技术进行监测。随着无人机技术的飞速发展，多镜头摄像头与无人机的结合，使其具有了更快的机动性、更高的实时性、更好的经济性。露天采矿场边坡较大，易发生崩塌。针对上述问题，本项目拟采用最新研制的多旋翼无人驾驶飞机，搭载多个摄像机，从多个角度对斜坡进行全方位的采集，并将采集到的资料与现代计算机的快速处理功能相结合，构建斜坡的数字高程模型（DEM）与精细化的三维模型，为斜坡的监测与稳定评估提供必要的空间依据。1 无人机遥感系统组成自从无人侦察机被发明出来之后，就引起了很多人的注意。就当前的情况而言，国内的科研工作者正在大力发展和提高无人机的探测能力。为了更好地理解和掌握无人驾驶飞机的飞行信息，对无人驾驶飞机的飞行信息进行研究是十分必要的。结果表明，无人驾驶飞机遥感系统的构成有七个方面。（1）飞行平台。飞机的主要部件包括机身、动力装置、传感器、导航装置、动力装置等。无人驾驶飞机的总重量，飞行速度，续航能力，抗风能力，均应符合相关要求，否则，无人驾驶飞机不能使用。在表格1中列出了UAV（航拍测量）的基本参数。（2）飞行导航与控制系统。GPS的定位系统，也就是GPS接收系统，能够保证无人侦察机的飞行轨迹不会发生偏世界有色金属2023年8月下30测绘技术Mapping technology差。速度传感器与IMU/GPS在飞行控制中起着举足轻重的作用，直接关系到飞行的稳定性与安全性。飞控系统是无人侦察机在整个飞行过程中所扮演的角色，所以必须持续提高其性能。表1飞机主要类型及标准类型标准飞机总重量2kg飞行速度控制60-160km/h续航能力1.5h抗御风能力4级（3）遥感设备。高解析度数字照相机，多光谱成像仪，合成孔径雷达，红外扫描仪等等都是遥感仪器的一部分。利用遥测装置，可以获取飞行中的影像资料。远程探测装置的性能直接关系到无人机任务的完成，因此必须保证远程探测装置的性能。为了确保无人侦察机的实时性和实时性，需要对其传感器进行检测，以确保无人侦察机的性能。（4）任务规划与控制站。地面控制台是对UAV卫星进行远程监控的核心，它对UAV卫星在飞行过程中获得的各种信息进行了实时的处理与显示。除此之外，他们还要在地面上监视着这架飞机的运行，避免它在执行任务的时候，发生任何意外。（5）数据后处理系统。飞行器在执行任务时，会对其进行实时测量，但由于飞行器的飞行状态并非始终与地面保持一致，其测量结果往往与真实情况有较大的差异。利用数据后处理技术对数据进行校正，保证了数据的准确性和可靠性。（6）通信系统。通讯系统是一种信息交换和传送的体系。通讯体系是保障通信品质，提升通信品质，提升通信品质的重要手段。目前，国家正在对通讯系统进行更新，以期更好地发挥通讯系统的作用。（7）发射与回收系统。发射系统是指为飞机提供离地动力，使其能够在离地过程中进入正常的飞行模式的一种装置。恢复系统是指当飞机执行使命时，可以使其安全降落。在无人驾驶飞行器的飞行过程中，发射系统起到了关键的作用，而在无人驾驶飞行器的最后阶段，则起到了关键的作用。2 无人机遥感测绘技术应用规范2.1 提出任务相关工作人员对无人机遥感测绘工作进行了建议，他们要对测绘对象进行界定，并对测绘区域的地点、范围、内容等进行界定。而测绘工作人员要根据相关的要求和规范，来构建一个完美的测绘方案，并制定一个合理的测绘计划，这就为无人机遥感测绘技术的有效使用打下了坚实的基础。2.2 航线设计航迹的设计水平直接关系到无人机遥感制图的质量和飞行的安全性等。在进行飞行操作之前，必须对航路进行科学的规划。主要研究内容包括以下几个方面：航路规划。在进行航迹规划时，首先要对航迹有明确的认识，对航迹有明确的认识，然后才能确定航迹。这样既能确保飞机的飞行效率，又能确保飞机的高效率地执行飞行任务。以获得的地区图像为基础的航线规划。无人机遥感测绘的任务是测绘范围，而无人机则是要完成该范围的测绘。航路设计对于获取准确的测绘资料至关重要，因此要注意根据地区图像的获取范围，要求，进行航路设计。在这个过程中，要对航路进行规划，就必须对航路的间距、飞行高度、航路的数量和长度进行计算。船舶打捞作业的航路规划。空降回收，拦截回收是目前常用的回收方式。在回收过程中，为了便于回收，应事先对回收地点进行规划。为了最大限度地保障垃圾的回收安全性，同时也为了更好地解决垃圾的回收问题，必须设置一个紧急的回收站。一般情况下，紧急恢复点不能多于3个。2.3 申请空域为了避免在进行无人驾驶飞行器的远程测量时出现意外，在进行无人驾驶飞行器的远程测量之前，必须先向空域管理局办理相应的飞行许可。只有得到了批准，他们才会被允许去做其他的事情，而不是去做其他的事情。从这一点就可以看出，在进行飞行时，领空的要求也是必不可少的。领航区域的使用是保证航空安全的一个重要方面。2.4 飞行作业飞行操作就是无人驾驶飞机在空中进行各种操作，为了提高其操作的质量，必须掌握其操作要领。根据测量计划，对测区进行定位和气象条件的认识。有风或没有风但有足够阳光的好天气，适于飞行。如果气候条件适合进行飞行，则允许进行，反之，则不能进行。在实际操作中，既要注意气象条件，又要注意对飞行时间的控制。通常来说，早上十时到晚上两时是最适宜进行航班操作的时段。装配无人机，确保飞行的安全性和稳定性：对地面系统进行调试，以方便进行制图工作：将无人机与地面系统连接起来，使其能够起到监视无人机的功能。为了保证制图工作的顺利进行，需要对地面系统摄像参数和航迹进行设定。运行地面系统，实现对UAV的起飞模式、飞行路线和图像数据的采集等的控制。在获取完影像资料之后，再将影像资料传送至地面。在实际飞行中，有时候不能按预定的方法进行图像数据的获取，此时，地面控制器应根据实际测量的结果，进行航迹的修正。这样，就可以利用无人侦察机对地图上的地图进行补照，使地图上的地图准确定位。在完成了地图绘制工作后，无人机就要返回，然后着陆。对无人机收集到的影像数据进行检验，若所收集到的影像数据满足有关的标2023年8月下 世界有色金属31测绘技术Mapping technology准规格，满足测绘工作的需要，则需要对其进行处理和分析。另外，为了得到有用的影像资料，还必须事先计划好时间，并进行飞行作业。2.5 遥感影像处理在获取了这些图像之后，还要对这些图像进行进一步的处理，才能充分地利用这些图像，为工程的测绘和工程的建设提供基础。本文提出了一种基于高光谱图像的快速、准确、快速、准确地获取高光谱图像的方法。其次，对前一步骤中得到的资料进行了加密。移动条形法，光束法是常用的数据加密方法。在这些方法中，磁条法的优势在于运算速度快，但不够精确，而波束法的运算速度却很慢。对于数据的加密，有关部门可依据具体需要，选用带状法，束状法。最后，完成了DEM,DOM的制作。在此基础上，利用数字微分校正和数字拼接技术，得到DSM模型，并对其进行处理，得到DEM模型。为了确保对遥感图像进行有效的处理，必须严格遵守有关规定。3 露天矿边坡无人机影像数据获取本文选择了一个金属矿的边坡作为试验场。选择了一架8轴旋转的无人侦察机，该无人侦察机由松下公司的DMC-FX75数码摄像机控制。在该地区，使用手动遥控无人机对该地区进行了低空飞翔，并对该地区进行了定焦（焦距4mm），总共获得了180张高度重叠的航拍照片，这些照片中的像素尺寸都是2560 x1920，平均地面分辨率是3cm。4 露天矿边坡无人机影像快速处理常规的照相测量技术要求对图像进行专门的采集，并对其进行数据处理，因此必须投入巨大的人力、物力。近年来，伴随着在计算机视觉领域中，特征点提取和图像匹配理论、运动恢复结构（Structure from Motion,SfM）算法以及多视图立体视觉算法（Multi-View Stereopsis,MVS）等新技术的不断发展，使得基于图像的三维重建技术取得了重大突破。与传统的照相测量方式相比，机器视觉算法可以实现照相机的自校正，并且可以从2D图像中直接提取出场景的3D点云，这对于大畸变、短基线、小像幅等特征的无人机图像数据处理来说，是一种更灵活、更通用的方法。在对无人机图像进行运动复原时，首先要对图像进行特征点提取与高精度图像配准。首先，采用SIFT特征抽取算子，从每个无人机图像中抽取特征点；其次，采用K-D树中的一种接近度计算方法，实现了对目标的初步识别。在此基础上，采用8个点的随机提取相容性好的特征点集，通过八个点的基础矩阵，排除错误的点，构建出符合对极点几何约束条件的特征点，实现多个特征点之间的重合，从而实现特征点的重合。1乔亚奇，无人机遥感技术在测绘工程测量中的应用J.工程建设与设计，2019，1（7）：92-93+96.2陈优良，虞列沛，解宏伟等.基于测量机器人的露天矿边坡变形在线分析与预测J.有色金属科学与工程，2018，9（6）：72-80.3尚国安，杨秀周，邹志刚等.旋翼无人机航测技术在露天矿山开采中的应用J.世界有色金属，2018，1（24）：47-48.在透视相机模型下，假设待求相机参数和空间点坐标分别为 C=（C1，C2，C，）和 X=（X1，X2，X），定义误差函数为重投影误差的平方和，则目标函数可写成：其中：Vij作为一个变量，当空间点Xj在相机Ci中可见时为1，否则为0；f（P（Ci，Xj，）qij）=|P（Ci，Xj），qij|表示Xj点在相机Ci上的重投影误差。最后，采用基于稀疏光束法的分步调整方法，使投影点与观察点间的重复投影误差达到最小，从而获得最佳摄像机位置、姿态以及场景中的3D点云坐标。针对该问题，提出了一种新的基于分块的多视角立体视觉方法。该方法基于SfM获得的摄像机参数，经过特征点匹配、重构、空间点扩散和滤波等步骤，获得高精度的密集点云模型。目前，在这个领域有较大影响的开放源代码软件有：Snavely等人开发的Bundler,Wu Changchang等人开发的Visual SFM等，它们都是自动化程度高、健壮性强的。在一些商用的软件中，例如PhotoModeler、PhotoScan等，也都采用了这种方法。在低空无人机照相测量领域，目前市面上最有名的一款商用软件就是Pix4Dmapper，它是Pix4D公司开发的一款无人机航像自动快速处理软件。在不需要人为介入的情况下，本系统可以自动生成无人机拍摄到的图像，并生成专门的2 D图及3D模型。5 结语总之，无人驾驶飞机遥测技术对促进我国工程施工行业的发展起到了积极的作用。目前，航空航天遥感制图技术已步入新的发展时期，其应用价值显著提高。目前，多采用无人驾驶飞机遥测技术进行工程勘测。通过应用无人驾驶飞机遥测测量技术，可以逐步减少测量费用，同时测量精度也在逐步提高。因此，航空航天遥感制图技术受到越来越多的重视。为了更好地加强无人机遥感测绘技术的使用，需要对与测绘工作有关的各项因素进行综合分析，建立一套健全的工程测绘计划，使其能够更好地使用，更好地完成测绘工作，为项目建设提供真实全面的信息基础，从而提升项目的建设质量。