基于傾斜攝影測量的礦山三維地質(zhì)建模快速構(gòu)建方法研究

倪小春，黃 星

（江西省新達地質(zhì)災害防治研究院，江西 新余 338000）

隨著礦山三維地質(zhì)數(shù)字化采礦技術(shù)的發(fā)展，研究礦山三維地質(zhì)建模技術(shù)，提高礦山采礦的智慧化水平。結(jié)合傾斜攝影測量技術(shù)和無人機攝影等技術(shù)，建立礦山三維地質(zhì)建模快速構(gòu)建模型，通過圖像三維重構(gòu)技術(shù)和邊緣特征重組技術(shù)，進行礦山三維地質(zhì)建模快速重組，提取礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測量的模板特征量，采用彩色重建區(qū)域融合的方法，進行礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測量，提高礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測繪能力[1]。研究基于傾斜攝影測量的礦山三維地質(zhì)建模快速構(gòu)建方法，在提高礦山三維地質(zhì)建模的準確性和地質(zhì)礦山的勘測能力方面具有重要意義。本文提出基于傾斜攝影測量的礦山三維地質(zhì)建模快速構(gòu)建方法。首先采用傾斜攝影測量的方法進行礦山三維地質(zhì)層圖像采集，建立礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測量的子空間邊界匹配濾波分離模型，進行礦山構(gòu)造成圖和構(gòu)造建模，采用三維地質(zhì)建模快速重構(gòu)的方法，進行工區(qū)數(shù)據(jù)測試，根據(jù)三維重建輪廓區(qū)域的巖性特征分布，進行礦山三維地質(zhì)建模的方法的輪廓特征重組，通過傾斜攝影測量和地質(zhì)空間重構(gòu)，實現(xiàn)礦山三維地質(zhì)建模快速構(gòu)建。最后進行仿真測試分析，展示了本文方法在提高礦山三維地質(zhì)建模和重構(gòu)能力方面的優(yōu)越性能。

1 礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測量圖像采集及預處理

1.1 圖像采集

傾斜航空攝影是利用傾斜航空相機獲取地物信息的一種新型航空攝影方式。傾斜航空攝影區(qū)別于傳統(tǒng)的豎直航空攝影方式，傾斜相機通常采用五個方位進行數(shù)據(jù)采集，分為正攝、前視、后視、左視、右視，配合慣導系統(tǒng)獲取高精度的位置和姿態(tài)信息，通過特定的數(shù)據(jù)處理軟件進行數(shù)據(jù)處理，將所有影像納入到統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)中，傾斜航空攝影。

（1）真實性。傾斜影像能讓礦山地質(zhì)測量工作人員從多個角度觀察，更加真實再現(xiàn)地物的實際情況，無限接近實際礦山地質(zhì)情況，彌補了傳統(tǒng)正射影像的不足。

（2） 可量測性。傾斜影像通過配套軟件的應用，可以直接基于成果影像進行高度、長度、面積、角度的量測，實時獲取數(shù)據(jù)。

（3）豐富紋理。與傳統(tǒng)垂直影像相比，傾斜影像有它自己獨特的優(yōu)勢，它能提供豐富的礦山開采區(qū)地質(zhì)信息，即獲取了礦山開采區(qū)表面紋理，對于三維地質(zhì)建模有著深遠的影響。

為了實現(xiàn)基于輪廓特征的礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測量信噪比提升拼接技術(shù)，首先對礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測量的邊緣模板進行分組檢測，根據(jù)邊緣檢測結(jié)果，通過多尺度空間匹配濾波檢測，采用多重逆掩斷層重組的方法[2]，建立礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測量的角點分割模型，通過地質(zhì)層面和斷層約束控制的方法，進行礦山三維地質(zhì)傾斜度測量，得到礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測量的三維斷層拓撲分布結(jié)構(gòu)。提取礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測量的極低密度填圖參數(shù)，采用模糊度融合匹配算法，構(gòu)建礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測量空間特征匹配模型，在多數(shù)元素地球化學模式下，將礦山三維地質(zhì)傾斜攝影圖像進行有效分割。

根據(jù)上述分析，構(gòu)建礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測量的圖像采集模型，根據(jù)圖像采集結(jié)果，進行礦山的三維地質(zhì)建模[3]。在具體應用過程中，將圖像采集情況作為依據(jù)，按照如下具體步驟完成對圖像及圖像中礦山三維地質(zhì)數(shù)據(jù)的采集。第一步，基于傾斜攝影技術(shù)，針對各個需要進行檢測的節(jié)點進行定位，并在一個相同的平行架結(jié)構(gòu)上，安裝多個用于對礦山三維地質(zhì)圖像數(shù)據(jù)信息進行采集的傳感器裝置以及用于實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)耐ㄐ叛b置。通過對同一個需要進行檢測的節(jié)點在多個維度上的測定，實現(xiàn)三維地質(zhì)建模所需信息數(shù)據(jù)的獲取。第二步，將所有獲取到的圖像資源和圖像中的數(shù)據(jù)信息資源整合，并生成一個建模軟件能夠識別的文件格式。在該文件當中，主要包括圖像、監(jiān)測信息以及監(jiān)測動態(tài)數(shù)據(jù)。同時，為了方便后續(xù)使用，將用于不同構(gòu)建內(nèi)容的圖像和數(shù)據(jù)以PDF或WORD格式完成對數(shù)據(jù)報告的生成。同時，在進行對礦山三維圖像的獲取和對數(shù)據(jù)的采集時，合理利用傾斜攝影測量技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對礦山三維地質(zhì)數(shù)據(jù)的全方位高精度采集，并實現(xiàn)對礦山三維地質(zhì)的立體成像，以此為后續(xù)三維地質(zhì)模型既其相關(guān)數(shù)據(jù)信息360°無死角展示。

1.2 圖像特征分析與處理

根據(jù)礦山地質(zhì)區(qū)域的分布特征和成礦元素含量，采用等離子體質(zhì)譜儀測定的方法，得到礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測量的暗原色分布集。復原圖像的邊緣特征分布集，得到礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測量內(nèi)部信息的差異度模型，對透射率同質(zhì)區(qū)域進行平滑處理，得到礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測量的模糊區(qū)域信噪比提升拼接特征。

在確定礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測量的邊緣輪廓特征檢測輸出內(nèi)容后，將其作為依據(jù)，為了避免在生成的模型存在剖面“生硬”問題，可通過引入礦山地質(zhì)專業(yè)技術(shù)的方式，結(jié)合實際礦山地質(zhì)工作經(jīng)驗，對其剖面圖進行繪制，通過反應區(qū)域內(nèi)礦山三維地質(zhì)地表、地信和地貌特征；礦山地下結(jié)構(gòu)特征、地下水運動特征等信息的代入，形成一個完整的礦山三維地質(zhì)坡面邊界線數(shù)據(jù)。在上述流程基礎上，通過對圖件進行矢量化處理，并完成對地質(zhì)剖面邊界現(xiàn)線的拓撲差錯，將其中影響最終建模精度的矢量數(shù)據(jù)篩選并去除。再通過對拓撲造區(qū)的處理，形成一個矢量的剖面數(shù)據(jù)[4]。在剖面結(jié)構(gòu)上，包含的礦山三維地質(zhì)圖像參數(shù)包括：鉆孔數(shù)據(jù)、標準地層表、剖面參數(shù)屬性圖例等。在完成上述一系列內(nèi)容后，為了確保最終模型的構(gòu)建精度，還需要對其進行一致性檢查。由于在外部剖面數(shù)據(jù)當中存在同一個鉆孔可能由多種不同參數(shù)數(shù)據(jù)顯示的問題，因此針對這一問題，為了實現(xiàn)對其快速、有效的修改，選擇通過單元格自動生成的方式，針對生成的矢量剖面結(jié)構(gòu)進行一致性檢查，其檢查內(nèi)容包括對厚度一致性、屬性一致性、分層界限一致性等內(nèi)容的檢查。在確保上述檢查內(nèi)容均達到標準要求后，最終得到的地質(zhì)模型才能夠滿足實際所需。

2 傾斜攝影測量和地質(zhì)空間重構(gòu)

利用基于傾斜攝影測量的礦山三維模型所采集的矢量范圍，實現(xiàn)地質(zhì)勘測信息動態(tài)裁剪，同時結(jié)合矢量信息，將三維模型邏輯單體化，滿足精細化要求，實現(xiàn)實景三維數(shù)據(jù)、正射影像數(shù)據(jù)綜合管理。將本文所應用方法與傳統(tǒng)方法進行對比，本文所提出的方法可滿足礦產(chǎn)資源監(jiān)測與地質(zhì)空間重構(gòu)的需求。地上實景三維模型與地下探測相結(jié)合，實現(xiàn)地質(zhì)測量三維立體圖像呈現(xiàn)。

根據(jù)三維重建輪廓區(qū)域的巖性特征分布，進行礦山三維地質(zhì)建模的方法的輪廓特征重組，通過傾斜攝影測量和地質(zhì)空間重構(gòu)，根據(jù)花崗斑巖與橋源組地層接觸方法，建立三維重建輪廓序列分布模型[5]。在金屬硫化物的成礦遠景區(qū)，采用匹配濾波方法得到礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測量數(shù)值。

綜上分析，據(jù)三維重建輪廓區(qū)域的巖性特征分布，進行礦山三維地質(zhì)建模的方法的輪廓特征重組，通過傾斜攝影測量和地質(zhì)空間重構(gòu)，實現(xiàn)礦山三維地質(zhì)建模快速構(gòu)建。

3 仿真實驗測試

為了驗證本文方法在實現(xiàn)礦山三維地質(zhì)建模及重建中的應用性能，進行實驗測試，實驗中取礦山三維地質(zhì)建模的地質(zhì)分布坐標見表1。

表1 礦山三維地質(zhì)建模的地質(zhì)分布坐標

根據(jù)表1的礦山三維地質(zhì)建模的地質(zhì)分布坐標分布情況，進行礦山三維地質(zhì)建模，得到建模重構(gòu)的參數(shù)解析結(jié)果見表2。

表2 建模重構(gòu)的參數(shù)解析結(jié)果

分析表2得知，本文方法能有效實現(xiàn)建模重構(gòu)的參數(shù)解析，通過傾斜攝影測量和地質(zhì)空間重構(gòu)，實現(xiàn)礦山三維地質(zhì)建模快速構(gòu)建，參數(shù)測量結(jié)果準確可靠，采用Matlab和CAD仿真技術(shù)，得到礦山三維地質(zhì)重建圖層分布如圖1所示。

圖1 礦山三維地質(zhì)重建圖層分布

分析圖1得知，采用該方法進行礦山三維地質(zhì)建模構(gòu)建的精準度較高，三維圖層的可視化分布效果較好。同時，在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，本文上述提出的構(gòu)建方法在實際應用中，通過引入傾斜攝影測量技術(shù)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對測量物體的輪廓進行精準定位，同時針對其內(nèi)部各個結(jié)構(gòu)也能夠進行更加詳細的展示，能夠滿足后續(xù)礦山勘察或礦山開采等工作開展使得數(shù)據(jù)需要[6]。而以往采用CAD、3D等相關(guān)輔助型繪圖工具完成對礦山地質(zhì)模型的構(gòu)建后，其精度無法達到實際要求，并且只能夠針對部分結(jié)構(gòu)的基本輪廓進行定位，無法實現(xiàn)對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可視化展現(xiàn)。除此之外，以往在使用各類輔助性的繪圖軟件時，會受到外界干擾因素的影響，并且由于礦山地質(zhì)環(huán)境更加特殊，因此干擾程度也進一步增加。這一因素的存在，也使得最終模型構(gòu)建成果與實際需要進行勘查的節(jié)點定位存在嚴重的偏差[7]。但應用傾斜攝影測量后，本文上述構(gòu)建方法并沒有出現(xiàn)這一問題，能夠確保模型當中各個紋理、紋路的精度，礦山地質(zhì)環(huán)境當中的干擾因素對于本文構(gòu)建方法而言不會造成影響。因此，綜合上述論述得出，本文提出的構(gòu)建方法在實際應用中能夠在確保模型構(gòu)建精度的基礎上，提高模型的真實性，并進一步提高礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)的利用價值。對于礦山企業(yè)而言，若在實際應用中，引入本文上述提出的模型構(gòu)建方法，則能夠在實際層面上滿足礦山地質(zhì)后續(xù)工作開展的需要。

4 結(jié)語

結(jié)合傾斜攝影測量技術(shù)和無人機攝影等技術(shù)，建立礦山三維地質(zhì)建模快速構(gòu)建模型，通過圖像三維重構(gòu)技術(shù)和邊緣特征重組技術(shù)，進行礦山三維地質(zhì)建模快速重組，本文提出基于傾斜攝影測量的礦山三維地質(zhì)建模快速構(gòu)建方法，提取礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測量的極低密度填圖參數(shù)，采用模糊度融合匹配算法，構(gòu)建礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測量空間特征匹配模型，復原圖像的邊緣特征分布集，得到礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測量內(nèi)部信息的差異度模型，對透射率同質(zhì)區(qū)域進行平滑處理，實現(xiàn)三維重構(gòu)。分析得知，本文進行三維地質(zhì)傾斜攝影測量及重構(gòu)建模的效果較好。