基于無人機三維建模技術的礦山實習教學優化

薛勝超，王慶飛，鄭彥威

[摘 要] 礦山基地綜合實習是銜接本科資源勘查專業課程學習和生產實習的重要實踐環節。然而由于受實地條件限制礦山基地重要觀察點通常無法近距離觀察學習，限制了綜合實習的效果，無人機三維建模技術的應用是該類實習教學優化有效手段。通過野外實地觀察和三維模型輔助，將新興技術與傳統地質實習相結合，完善了密云鐵礦綜合實習教學，利于學生快速進入生產實習角色，實現了綜合實習效果的最大化，同時在學校實踐教學改革中起到了示范和指導作用。

[關鍵詞] 資源勘查專業;綜合實習;三維建模;教學優化

[基金項目] 2021年度中國地質大學（北京）教改項目“思政實踐和大學生科技競賽”（640121006）

[作者簡介] 薛勝超（1987—），男，河北保定人，博士，中國地質大學（北京）地球科學與資源學院副教授，主要從事礦床學理論及教學研究;王慶飛（1978—），男，山東德州人，博士，中國地質大學（北京）地球科學與資源學院教授，主要從事礦床學與礦產資源勘查評價研究;鄭彥威（1986—），男，山西臨汾人，學士，中國地質大學（北京）信息網絡中心工程師，主要從事網絡教學與科研信息化研究。

[中圖分類號] G642? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）46-0065-04? ?[收稿日期] 2021-05-22

一、教學優化背景

21世紀以來我國高等教育中理科和工科教學愈加注重基礎知識與實踐能力的緊密銜接。如何將地質學專業本科教育的理論教學更為高效地運用到野外生產實習中，是地質高校教師亟待解決的問題[1]。礦山基地資源勘查工程綜合訓練（也稱為礦山基地綜合實習）是中國地質大學（北京）為強化實踐教學而新增的一項實踐課程，能夠更好地串聯與銜接資源勘查專業本科二年級與三年級野外實習內容，提升地礦類專業必修課教學質量[2，3]。該課程的最終目標為提供綜合的礦床地質理論、實踐應用和科學研究訓練。在素質目標方面培養學生增強專業知識、方法和技能在工作中綜合運用的意識;培養學生樹立高尚的職業道德，發揮地質人求真務實的寶貴品質;培養學生了解與國家發展息息相關的緊缺礦產，提升礦床學科的民族使命感。這門實踐課程所依托的密云鐵礦實習基地集礦山地質考察、礦山生產流程與綠色礦山建設、多產業鏈發展、地質科普展示于一體[4]。綜合實習的礦床類型是BIF鐵礦床，密云地區的BIF鐵礦床具有明顯的條帶狀特征和較好的成層性，賦存于元古宙的密云巖群沙廠組變質巖系，磁鐵礦為主要礦石礦物。實習基地建立在密云地區目前唯一正在開采的霍各莊鐵礦床，該礦由北京威克冶金有限責任公司進行開采。

礦山綜合實習大部分重要內容均在該鐵礦的露天采坑完成，內容包括：熟悉礦區地質、礦體產出特征，成礦期和成礦期后構造和巖漿活動對礦床的改造;掌握野外露天采場地質工作的基本方法，熟悉如何圍繞某一科學問題系統采樣[4]。然而，該露采礦山目前開采程度過高，露天采場的南段和北段采坑已采完并積水導致無法實地觀測，正在開采的中段采坑僅能在坑底部分位置進行觀測，采坑壁各級臺階由于安全原因無法進入導致很多地質現象不能近距離觀察描述。上述原因造成學生對礦體產狀和出露特點、礦體與圍巖接觸關系、不同期次斷裂及巖漿活動對礦體和圍巖的影響等難以獲得整體的認識，進而導致學生缺乏對于整個鐵礦床的全面認識，嚴重制約了礦山綜合實習的效果及學生綜合地質思維的培養。

無人機，正在成為繼地質學野外考察工作中“三大件”：地質錘、羅盤、放大鏡之外的“第四件”。近年來，無人機地質三維建模成為野外地質調查中最新發展的有效技術手段，可建立從野外出露點到地質體剖面產狀、厚度測量、走向分析，再到區域地形地貌觀測、面積測量等的可視化、矢量化、標準化三維模型，目前該技術已在礦山建設、環境評估、災害調查等方面發揮了非常重要的作用[5，6]。無人機地質三維建模可以為補充野外教學實習難以實地觀察的位置提供有效技術支撐，為我們建立密云鐵礦采坑不可實地觀測的考察點和能夠實地觀測考察點的礦體、構造斷裂、巖脈、圍巖連續剖面信息提供了可能[7]。根據這一思路，我們開展了基于無人機三維建模技術的密云礦山綜合實習教學優化探索，以期利用可視化數據完善實習作業區的教學內容。

我校信息網絡中心組建了以服務本校科研教學為宗旨，以解決教學和科研面臨的實際問題為導向的無人機信息化應用團隊。該中心配備了不同類型無人機以滿足不同專業需求，配套的無人機高分數據處理和信息挖掘軟件用于本科教學及科學研究。利用我校信息網絡中心總結出的一套以無人機野外數據獲取、室內三維模型建立為主體的方法流程，針對密云鐵礦綜合實習中學生無法實際觀察的采坑、巖壁、礦體及其與圍巖接觸關系、斷層、巖脈特征，建立數字化的可視模型，可以為學生實際野外觀測提供有力輔助，使綜合實習效果最大化，為后續生產實習奠定堅實基礎。

二、方案建設和操作

（一）礦山三維建模方案

1.野外調研與方案確定。在進行野外數據采集之前，收集密云鐵礦相關的地質背景資料，了解礦床所在區域的基底、蓋層、侵入巖、變質變形等基本特點;熟悉礦區基本地質概況、交通及地貌特征;熟悉礦床地質、礦體產出特征，成礦期和成礦期后構造和巖漿活動對礦床的改造，進而開展鐵礦區及外圍地層、環斑花崗巖體野外實地調研，篩選出學生無法實地觀測的重點教學區域，進而圈定模型構建范圍、確定所需要的模型精度，選定無人機飛行平臺與搭載傳感器類型，制定無人機飛行方案。

2.密云鐵礦區航線設定。劃分出密云鐵礦作業區（主要針對北段—中段—南段采坑、礦區全貌和礦區外圍環斑花崗巖）、完成飛行參數設計（航線設計、航高確定、航向重疊率、旁向重疊率）、像控點布設方案設計，根據規范要求確定基準面高程和高程區間，設定相應的仿地形飛行高度，按照規范要求設計航線。

3.野外作業和數據采集。按照密云鐵礦區設定的航線開展無人機飛行作業，獲取具有一定重疊的航空影像，并依據野外控制點對目標區域坐標進行平差處理，得到礦區加密點的平面坐標和高程坐標，按照設計完成野外信息和數據的采集。

4.數據處理和三維建模。基于影像匹配、空三測量、三角網構建、紋理映射的關鍵技術流程和操作方法，利用匹配后的無人機影像獲取高密度點云，構建三維模型，形成密云鐵礦區野外地質剖面地表三維模型的矢量結構，建立密云鐵礦區綜合實習所需數字化的可視模型，計劃模型三種：北段—中段—南段采坑高精度三維模型、鐵礦區三維模型（包括采礦區、恢復區、選礦區、辦公區及尾礦壩）、礦山外圍環斑花崗巖典型出露點聯合三維模型。

5.建立實地觀測與三維模型的聯合教學流程。系統整理礦區采坑不可實地觀測的剝露點和出露點，將這些區域與三維模型中的可視化點位相對應，系統建立礦體、構造斷裂、巖脈、圍巖連續剖面的教學內容，建立鐵礦生產作業區和外圍環斑花崗巖體地表產狀、巖性變化等宏觀認識的教學內容，優化相關教案和課件。

（二）具體實施方案

收集密云鐵礦區不同年限的地質和生產資料及區域相關的地質背景資料。以此為基礎開展野外調研，以密云鐵礦區的霍各莊鐵礦床及礦區外圍大面積出露的環斑花崗巖體為基礎，在霍各莊鐵礦采坑南—中—北段、整個生產作業區（包括采坑、粗選礦廠、精選礦廠、辦公區和尾礦壩等）、沙廠附近的環斑花崗巖三個重點實習考察區確定模型構建范圍面積，確定使用無人機類型（如固定翼）、搭載鏡頭類型（如全畫幅相機配備35mm焦距鏡頭）等。

三個重點考察區各具特點，霍各莊鐵礦采坑以不同高程數據收集為主，目前采坑深度不超過200米，為保證最終獲取模型的精度，航線的設計以每50米為一個高程區間，設計3個起降點飛行6個架次完成野外數據的采集;整個生產作業區的數據收集面積約3.8平方公里，外圍環斑花崗巖體的數據收集面積約0.5平方公里（重點針對巖體陡峭、人無法靠近的區域現象），根據無人機的最大航程、飛行高度及傳感器的尺寸和焦距等條件約束，設定相應的仿地形飛行高度，總共設計約7個起降點飛行15個架次獲取兩個考察點野外數據的采集。

通過一定算法尋求多幅影像之間的相同點，建立影像間的幾何關系，影像匹配獲取的相同點參與到空三加密過程中;將匹配后的影像校正到統一參考空間下，對形成的影像模型進行相關的數據處理;通過影像匹配和空三加密，形成基于正確空間方位的影像模型，構建不規則三角網;確定所構建的每個三角網與紋理信息唯一對應，保證所構建的三維模型的視覺效果[8，9];輸出北段—中段—南段采坑高精度三維模型、生產作業區三維模型、礦物外圍環斑花崗巖典型出露點聯合三維模型。

三、課程實施效果

根據三個重點教學考察區的三維模型，建立了礦區采坑不可實地觀測的考察點和能夠實地觀測考察點的礦體、構造斷裂、巖脈、圍巖連續剖面信息。實習課程開展后，先帶領學生完成采場內能夠實地考察的觀察點的野外觀測學習，并在各考察點采集代表性鐵礦礦石、地層巖石、侵入巖和相關蝕變巖石樣品;對于無法實地觀測的地段，在室內通過數字化高清三維建模圖像輔助教學，圖像通過Acute3DViewer軟件進行立體展示，結合野外采回的不同類型樣品，讓學生在感官上可以達到實地觀測的效果。這一新奇的學習體驗也大大激發了學生的實習積極性，從原來的被動聽課學習變為主動參與完善礦區連續剖面信息，真正開拓了綜合實習課程的趣味性和感染力。通過礦山基地綜合實習的訓練，學生掌握了地質資料的搜集與整理、熟悉了礦山野外工作的方法和流程，鍛煉了室內專業課知識的野外綜合運用能力，同時提升了學生對于資源勘查這一艱苦專業的興趣[4]，從而能更好地適應生產實習的崗位要求;對于教師來說，解決了學生在野外地質考察階段存在的問題、完善了礦山實習基地的野外授課內容、實現了傳統野外地質實踐課程與現代新興技術的有機融合。

此外，無人機三維建模技術對礦山綜合實習教學優化的成功探索，也為我校地質專業學生的北戴河地質認知實習的效果最大化提供了借鑒意義。以湯河地塹的觀察學習為例，該地塹是由湯河河谷西側大平臺和東側雞冠山經由一系列高角度正斷層活動形成。湯河河谷東北端寬、西南端窄、谷坡陡，湯河從東北流向西南。西側大平臺斷層為F1和F2，東側雞冠山斷層為F3和F4，這四條正斷層在平面上向南西方向收斂，構成湯河地塹構造。由于該地塹構造規模宏大，斷層和出露的地層位于湯河河谷兩岸的巖壁，而在湯河谷底由于植被繁茂，不能同時觀察兩岸現象，在雞冠山頂也僅能觀察到對岸大平臺一側現象。針對上述觀察限制，顯然無人機三維建模技術可以很好地解決這一問題。類似的情況還出現在鴿子窩海洋公園的河口三角洲、亮甲山—石門寨西亮甲山組—下石河子組地層、上莊坨河流地質作用等觀察點，均可以利用該技術輔助實踐教學。

四、結語

“礦山基地資源勘查工程綜合訓練”是針對高年級資源勘查工程專業學生所開設，本課程是對學生已學專業知識和野外工作方法的強化和綜合訓練，重點培養學生理論聯系實際，綜合分析問題、解決問題的能力，以及科研技能，為學生進行后期的生產實習、畢業實習及走上工作崗位從事生產和科研工作打下扎實的專業基礎。本次針對該實習課程的教學內容優化，是聚焦于實習的全面性和連續性，以無人機三維實景建模技術為支撐，以建立礦山采場連續剖面為主要內容，最終以提高該實習的學習效果為目的。這是地質類院校實踐課程與現代技術發展有機結合的一次成功嘗試，也為不同年級階段、不同實踐內容的教學優化提供了有益參考。

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Optimization of Mine Field Practice Training Based on UAV 3D Modeling Technology

XUE Sheng-chaoa， WANG Qing-feia， ZHENG Yan-weib

（a. School of Earth Sciences and Resources， b. Information Network Center， China University of Geosciences 〔Beijing〕， Beijing 100083， China）

Abstract： Comprehensive field practice in mine bases is an important practical link to connect the undergraduate courses of resource exploration major and the production practice. However， due to the limitations of the field conditions in mine bases， some important observation points are difficult to directly observe， which limits the effect of field practice training. The application of UAV 3D modeling technology is an effective way to optimize this training course. Through field observations and 3D modeling assistance， the emerging technology is integrated into the traditional geological practice， and the comprehensive field practice teaching in the Miyun iron deposit is improved， which helps students to quickly position themselves in the practice， maximizes the effect of comprehensive field practice， and at the same time plays a demonstration and guiding role in the schools practice teaching reform.

Key words： resource exploration major; comprehensive field practice; 3D modeling; teaching optimization