CN104376598A

CN104376598A - 利用飞机航拍影像的露天矿采剥量计算方法

Info

Publication number: CN104376598A
Application number: CN201410749287.8A
Authority: CN
Inventors: 汪忠海; 陶东海; 王植; 徐白山; 陈国岩; 刘志龙
Original assignee: Angang Group Mining Co Ltd
Current assignee: Angang Group Mining Co Ltd
Priority date: 2014-12-09
Filing date: 2014-12-09
Publication date: 2015-02-25

Abstract

本发明属于矿山生产管理技术领域，尤其是涉及一种利用飞机航拍影像的露天矿采剥量计算方法，本发明利用飞机航拍影像技术，根据露天矿地理情况，进行飞机航迹规划和设计，对飞机搭载的数码相机进行检校，控制数码相机进行航拍，同时进行影像获取与存储，记录拍照时刻提供的飞机位置和姿态信息，从而构建露天矿地表三维点云模型。本发明无需控制点的光束平差法构建露天矿地表三维点云模型，建立露天矿地表不规则三角网模型，对采矿量和排岩量进行自动测量和统计，将不同时间露天矿三角网模型的体积累加值相减精确计算得到开挖(回填)体的土石方量，实现露天矿采剥量计算，提升露天矿测量工作效率，提高采剥量统计精度。

Description

利用飞机航拍影像的露天矿采剥量计算方法

技术领域

本发明属于矿山生产管理技术领域，尤其是涉及一种利用飞机航拍影像的露天矿采剥量计算方法。

背景技术

当前国家正在开展地理国情监测方面的研究，露天矿采场矿山测量和矿情监测是其中的一个重要方向。由于开采的持续进行，露天矿地形变化速度很快，而且由于采矿和尾矿堆积同时进行，地形变化也比较复杂。目前国内外露天矿山采矿剥离量的测量技术仍以全站仪、GPS单点测量，粗略统计为主，需要大量人工外业工作，测量周期长、数据处理周期长。最新的飞机航拍测量新技术发展迅速，取得了很好的试验成果，证明该类新技术可显著提高测量工作效率，但对于矿山测量还有部分技术成果需要探索和研究，尚未形成矿山测量新技术常态化工作业务流程。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用飞机航拍影像构建的三维矿山模型的采剥量计算方法，在矿山生产过程中，对采矿量和排岩量进行自动测量和统计，提升露天矿测量工作效率，提高采剥量统计精度。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的：

本发明的利用飞机航拍影像的露天矿采剥量计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

A)任务规划：根据露天矿地理情况，进行飞机航迹规划和设计；对飞机搭载的数码相机进行检校，测定相机焦距、主点、像元尺寸参数；

B)数据获取：控制搭载着数码相机的飞机起飞，飞行高度100-500米；控制数码相机进行航拍，对焦方式设置成自动对焦，拍摄模式为连续自动拍摄，保证序列影像沿着航向重叠度≥60％，旁向重叠度≥40％，同时进行影像获取与存储，记录拍照时刻飞控提供的飞机位置、姿态信息；

C)露天矿建模：对飞机航拍覆盖整个露天矿采场后，飞机降落，从相机拷贝序列影像输入计算机，进行影像预处理，滤波去噪声，删除出错影像；通过无需控制点的光束优化平差算法构建露天矿地表三维点云模型；将点云构建成不规则三角网，建立露天矿地表三维模型；

D)采剥量计算：基于不同时间序列的露天矿地表三维模型计算出露天矿采矿及排岩总量。

所述的无需控制点的光束优化平差算法是基于图像序列的摄影测量分析的关键一步，能够有效提高三维重建的精度；其以一个摄影光束(即一张像片)作为平差计算的基本单元，以共线条件方程为基础，首先在像片上量测出各控制点和加密点的像点坐标后，进行区域网的概算，以确定区域中各像片的外方位元素及加密点坐标的近似值，而后依据共线条件，按控制点和加密点分别列误差方程式，进行全区域的随机抽取一致性优化算法进行非线性优化计算，解算出各像片的外方位元素和加密点的地面坐标(X,Y,Z)。

所述的无需控制点的光束优化平差算法采用随机抽取一致性优化算法迭代估计模型参数，其基本步骤如下：

1)初始化模型参数的最小抽样集为n，集合D的样本数#(D)＞n，从D中随机抽取包含n个数据点的D的子集S初始化模型M(S)；

2)余集SC＝D\S中与模型M(S)之间的几何距离＜阈值t的样本集以及S共同组成集合S*，S*认为是内点集，称为模型实例M(S)的一致集；

3)若一致集S*中数据点的个数#(S*)≥阈值T，则用集合S*采用最小二乘等方法重新估计模型M；如果#(S*)≤阈值T，返回步骤1)；

4)在经过K次随机抽样后，选择最大一致集S*，并用S*重新估计模型M。

所述的无需控制点的光束优化平差算法采用随机抽取一致性优化算法求解基本矩阵F，剔除误匹配点，其基本步骤如下：

所述的不规则三角网采用数据点渐次***算法，先在包含所有数据点的一个多边形中建立初始三角网，然后将余下的点逐一***，形成不规则三角网。

所述的基于不同时间序列的露天矿地表三维模型计算出露天矿采矿及排岩总量，指对同一区域不同时间进行本发明所述的测量方法,利用任意一次观测得到的高程数据与标准底面构建三维模型后，进行拓扑相减,计算出观测期间区域内矿产的变化情况，所述方法是通过分别计算不同时期三角网的三棱柱体积累加值，将体积累加值相减可精确计算变化体积，得到采剥的土石方量。

本发明的优点：

本发明的利用飞机航拍影像的露天矿采剥量计算方法是利用飞机航拍影像技术，根据露天矿地理情况，进行飞机航迹规划和设计，对飞机搭载的数码相机进行检校，控制数码相机进行航拍，同时进行影像获取与存储，记录拍照时刻提供的飞机位置和姿态信息，从而构建露天矿地表三维点云模型。本发明无需控制点的光束平差算法构建露天矿地表三维点云模型，建立露天矿地表不规则三角网模型，对采矿量和排岩量进行自动测量和统计，将不同时间露天矿三角网模型的体积累加值相减精确计算得到开挖(回填)体的土石方量，实现露天矿采剥量计算，提升露天矿测量工作效率，提高采剥量统计精度。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明的俯视方向影像配准关系示意图。

图3为本发明的侧视方向三维点云生成示意图。

图4为不同时间建立的露天矿三维点云高程差分布图。

图5为点云绝对误差(单位：m；横轴为点号)。

图6为点云相对误差(单位：mm/m；横轴为线段号)。

图7为采剥量计算示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。

C)露天矿建模：对飞机航拍覆盖整个露天矿采场后，飞机降落，从相机拷贝序列影像输入计算机，进行影像预处理，滤波去噪声，删除出错影像；通过无需控制点的光束优化平差法构建露天矿地表三维点云模型；将点云构建成不规则三角网，建立露天矿地表三维模型；

所述的露天矿采剥量计算方法，其所述适用于露天金属矿、露天煤矿。

所述的露天矿采剥量计算方法，其所述C)步中无需控制点的光束优化平差法是一种非线性优化方法，以共线条件方程为基础，共线方程是指在理想情况下，摄影瞬间像点、投影中心、物点位于同一条直线上，描述这三点共线的数学表达式称之为共线条件方程。

x = f \frac{a_{1} (\begin{matrix} X & X_{S} \end{matrix}) + b_{1} (\begin{matrix} Y & Y_{S} \end{matrix}) + c_{1} (\begin{matrix} Z & Z_{S} \end{matrix})}{a_{3} (\begin{matrix} X & X_{S} \end{matrix}) + b_{3} (\begin{matrix} Y & Y_{S} \end{matrix}) + c_{3} (\begin{matrix} Z & Z_{S} \end{matrix})}

y = f \frac{a_{2} (\begin{matrix} X & X_{S} \end{matrix}) + b_{2} (\begin{matrix} Y & Y_{S} \end{matrix}) + c_{2} (\begin{matrix} Z & Z_{S} \end{matrix})}{a_{3} (\begin{matrix} X & X_{S} \end{matrix}) + b_{3} (\begin{matrix} Y & Y_{S} \end{matrix}) + c_{3} (\begin{matrix} Z & Z_{S} \end{matrix})}

其中f为焦距，(a_i，b_i，c_i)为变换参数，(X,Y,Z)为地面坐标，(x,y)为影像中像点坐标，(Xs,Ys,Zs)为相机外方位元素。

首先在各张像片上自动提取出同名点的像点坐标，进行影像匹配，本发明的无需控制点的光束优化平差法采用随机抽取一致性优化算法，估计出一个鲁棒的基本矩阵F，进一步剔除误匹配点，最终得到满足对极几何约束的匹配特征点对，提高匹配正确率。

假设给定任意两幅图像中的匹配点对x＝(u,v,1)^T，x＝(u,v,1)^T，基本矩

阵

F = \begin{matrix} f_{11} & f_{12} & f_{13} \\ f_{21} & f_{22} & f_{23} \\ f_{31} & f_{32} & f_{33} \end{matrix}

满足方程x^TFx＝0。一组对应点方程可以表示为下述形式：

uuf₁₁+vuf₁₂ uf₁₃+uvf₂₁ vvf₂₂+vf₂₃ uf₃₁+vf₃₂ f₃₃+0

得到

f＝(f₁₁,f₁₂,f₁₃,f₂₁,f₂₂,f₂₃,f₃₁,f₃₂,f₃₃)^T

给定n对同名匹配点，可以得到线性方程组：

其中A是一个N 9矩阵，(u_i,v_i)为矩阵变换参数。

在实际中，不能直接通过求解线性方程组来确定基本矩阵，而是通过在约束条件‖f‖＝1下求解方程组，即满足条件：

min‖Af‖

subject to‖f‖＝1

令A的奇异值(SVD)分解为A＝UDV^T，则V的最后一个列向量即为上式的解，即f＝v₉，则矩阵F可根据f＝v₉构造。

基本矩阵F的一个重要约束性质是秩为2，然而实际中存在点对应误差，使得通过上式所确定的矩阵F是满秩的，因此需用一个秩为2且使得‖F F‖最小的F去代替F作为基本矩阵估计，具体做法为对矩阵F进行SVD分解，令F＝UDV^T，并且有D＝diag(r,s,t),r s t，则F＝Udiag(r,s,0)V^T。总结上述讨论，估计基本矩阵的算法流程如下：

由于匹配点集中会存在一定数量的误匹配点对(即外点)，直接估算出的基本矩阵会产生很大的误差，即恢复得到的对极几何关系是不正确的。因此本发明提出了随机抽取一致性优化算法估计出的基本矩阵F剔除噪声数据，具体方法是从一组包含异常数据的样本数据集中，通过迭代方式估算随机样本集的数学模型参数，得到有效样本数据的算法。随机抽取一致性优化算法不是尽量采用包含局外点在内的所有点去估计模型最佳参数，而是用尽可能少的局内点计算出模型并尽可能地扩大一致性数据集，随机抽取一致性优化算法是一种有容错能力的鲁棒性随机抽样方法，可以提高匹配点对的准确性。

假设待估计模型M和含有噪声的测量数据点集D，采用随机抽取一致性优化算法迭代估计模型参数的基本步骤如下：

本发明采用随机抽取一致性优化算法求解基本矩阵F，剔除误匹配点算法流程如下：

以上述步骤完成区域网的概算后，确定了区域中各像片的外方位元素及加密点坐标的近似值，而后依据共线条件，按控制点和加密点分别列误差方程式，进行全区域的统一优化平差计算，解算出各像片的外方位元素和三维点云的地面坐标(X,Y,Z)。具体步骤如下：

在针孔相机模型下，任意空间三维点X_j经过透射变换投影到图像平面像点x_j，则有：

{\tilde{x}}_{j} = P (C_{i}, X_{j}) = K_{i} [R_{i} | t_{i}] {\tilde{X}}_{j}

式中：为比例缩放因子；R_i、t_i分别表示相机C_i旋转、平移矩阵；K_i为相机C_i内参数矩阵，它包括焦距f_i和两个径向畸变参数k_1i和k_2i。

然而由于实际中各种噪声的存在，使得空间三维点X_j按照公式投影到图像平面后，影像投影点q_ij与检测到的图像特征点P(C_i,X_j)之间存在一定的距离，称之为重投影误差。假设待求相机和场景参数分别为C＝{C₁,C₂,…,C_n}和X＝{X₁,X₂,…,X_m}，定义重投影误差函数为重投影误差的平方和，则重投影误差函数可写成:

其中：v_ij作为一个变量，当空间点X_j在相机C_i中可见时为1，否则为0；函数f(P(C_i,X_j),q_ij)＝‖P(C_i,X_j)q_ij‖表示点X_j在相机C_i上的重投影误差。通过逐步迭代不断最小化投影点和观测图像点之间的重投影误差，解算出最佳相机位置、姿态，得到场景地面坐标(X,Y,Z)。

所述的露天矿采剥量计算方法中，其所述C)步中基于点云数据构建的不规则三角网，减少了规则格网带来的数据冗余，同时在计算(如坡度)效率方面又优于纯粹基于等高线的方法。不规则三角网能随地形起伏变化的复杂性而改变采样点的密度和决定采样点的位置，因而它能够避免地形起伏平坦时的数据冗余，又能按地形特征点如山脊，山谷线，地形变化线等表示数字高程特征。采用数据点渐次***算法，先在包含所有数据点的一个多边形中建立初始三角网，然后将余下的点逐一***，形成不规则三角网。

所述的露天矿采剥量计算方法中，其所述D)步中,基于不同时间序列的露天矿地表三维模型计算出露天矿采矿及排岩总量，指对同一区域不同时间进行本发明所述的测量方法,利用任意两次观测得到的高程数据与标准底面构建三维模型后，进行拓扑相减,计算出两次观测期间区域内矿产的变化情况。分别计算不同时期三角网的三棱柱体积累加值，将两个体积累加值相减可精确计算变化体积，得到采剥的土石方量。

如图1所示，是本发明的流程图，步骤包括航迹规划和设计、相机校验、影像获取与存储(包括拍照时刻飞控提供位置、姿态等信息)、影像预处理、光束优化平差法露天矿表面三维模型重建、采剥量计算；

如图2所示，是俯视方向影像配准关系示意图，飞行航摄作业阶段，按照既定航迹路线完成目标影像的获取与存储，同时飞控***记录相机在拍照时刻的飞行位置、姿态等信息，这些辅助数据与每张影像保持对应，并自动保存到航迹文件中，如表1所示，分别为编号(对应每张影像)、影像拍照时间、经纬度坐标以及飞行姿态参数信息。

表1飞机飞控***记录的辅助数据

影像处理阶段，是飞机测量***的核心部分，具体包括影像预处理、影像特征点提取与匹配、基于飞控***提供的位置和姿态信息进行目标定位和三维结构重建以及模型精度评估。

图3为本发明的侧视方向点云生成示意图，采用光束法优化平差法解决目标函数的非线性最小二乘问题。通过逐步迭代不断最小化投影点和观测图像点之间的重投影误差，解算出最佳相机位置、姿态，得到场景三维点云坐标。

所述流程如下：从序列影像中挑选两幅基线较宽且匹配特征点个数较多的影像，利用飞控信息初始内参估计，建立相机初始姿态参数，利用三角测量法计算初始三维点云坐标；逐步添加其余影像到初始结构中，并不断更新摄像机参数和初始结构；利用无控制点的光束优化平差法对整个重建模型进行优化。

图4为不同时间建立的露天矿三维点云高程差分布图，选取了一些地面标识点作为控制点,用GPS RTK进行测量(精度1mm)，比较测量值与本发明构建的点云坐标，误差如表2所示。

表2GPS RTK测量值与构建的点云坐标误差表

图5为点云绝对误差，经过试验验证，本发明方法构建的点云模型与实际测量结果相比较，绝对误差小于0.2m，满足矿山生产管理要求。

图6为点云相对误差经过试验验证，本发明方法构建的点云模型与实际测量结果相比较，相对误差小于4‰，满足矿山生产管理要求。

图7为采剥量计算示意图，可以看出在接近矿底的地方深度变化较大，最大深度达到44m，这是由于开采使得坑底深度明显增加引起的。将两个体积累加值相减精确计算得到采剥的土石方量4256751立方米。

本发明的利用飞机航拍影像的露天矿采剥量计算方法是利用飞机航拍影像技术，根据露天矿地理情况，进行飞机航迹规划和设计，对飞机搭载的数码相机进行检校，控制数码相机进行航拍，同时进行影像获取与存储，记录拍照时刻提供的飞机位置和姿态信息，从而构建露天矿地表三维点云模型。本发明无需控制点的光束优化平差法构建露天矿地表三维点云模型，建立露天矿地表不规则三角网模型，对采矿量和排岩量进行自动测量和统计，将不同时间露天矿三角网模型的体积累加值相减精确计算得到采剥的土石方量，实现露天矿采剥量计算，提升露天矿测量工作效率，提高采剥量统计精度。

Claims

1.一种利用飞机航拍影像的露天矿采剥量计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的利用飞机航拍影像的露天矿采剥量计算方法，其特征在于所述的无需控制点的光束优化平差算法是基于图像序列的摄影测量分析的关键一步，能够有效提高三维重建的精度；其以一个摄影光束(即一张像片)作为平差计算的基本单元，以共线条件方程为基础，首先在像片上量测出各控制点和加密点的像点坐标后，进行区域网的概算，以确定区域中各像片的外方位元素及加密点坐标的近似值，而后依据共线条件，按控制点和加密点分别列误差方程式，进行全区域的随机抽取一致性优化算法进行非线性优化计算，解算出各像片的外方位元素和加密点的地面坐标(X,Y,Z)。

3.根据权利要求1或2所述的利用飞机航拍影像的露天矿采剥量计算方法，其特征在于所述的无需控制点的光束优化平差算法采用随机抽取一致性优化算法迭代估计模型参数，其基本步骤如下：

4.根据权利要求1、2或3所述的利用飞机航拍影像的露天矿采剥量计算方法，其特征在于所述的无需控制点的光束优化平差算法采用随机抽取一致性优化算法求解基本矩阵F，剔除误匹配点，其基本步骤如下：

5.根据权利要求1所述的利用飞机航拍影像的露天矿采剥量计算方法，其特征在于所述的不规则三角网采用数据点渐次***算法，先在包含所有数据点的一个多边形中建立初始三角网，然后将余下的点逐一***，形成不规则三角网。

6.根据权利要求1所述的利用飞机航拍影像的露天矿采剥量计算方法，其特征在于所述的基于不同时间序列的露天矿地表三维模型计算出露天矿采矿及排岩总量，指对同一区域不同时间进行本发明所述的测量方法,利用任意一次观测得到的高程数据与标准底面构建三维模型后，进行拓扑相减,计算出观测期间区域内矿产的变化情况，所述方法是通过分别计算不同时期三角网的三棱柱体积累加值，将体积累加值相减可精确计算变化体积，得到采剥的土石方量。