無人機三維實景建模技術應用于礦山深部及外圍地質情況勘查中的應用價值

伍雅晴，張健雄

（湖南省國土空間調查監測所，湖南 長沙 410129）

礦山勘查、生態修復等相關工作對于快速獲取大比例尺地形圖具有較高需求，因為礦山地質、地形條件基本上較差，生產環境較為惡劣，所以以往的地質勘查工作效率較低，需要投入大量時間處理采集的信息才可以實現成果出圖。在無人機傾斜攝影技術與三維建模軟件快速發展的過程中，無人機三維實景建模技術得到了充分的發展。當前，借助無人機3D實景模型獲取地理要素的方法已經獲得廣泛應用[1]。

1 無人機傾斜攝影測量技術概況

1.1 無人機傾斜攝影技術

無人機傾斜攝影技術主要是基于無人機垂直攝影技術發展而來，它利用多臺傳感器實現多方位、多角度數據采集來彌補垂直攝影中只能夠開展垂直方向拍攝影像的不足，進而還原目標區域的真實地貌。無人機傾斜攝影技術將無人機作為飛行平臺采集多角度影像數據，并利用慣性導航以及CNSS導航采集姿態信息與位置信息，借助傾斜影像進行“非現場”測量，該技術集成了傾斜攝影系統、導航系統與飛行平臺，進而得到多視角影像信息，可以為3D模型構建提供足夠紋理信息。該技術在早期一般在建筑物外立面的紋理信息采集方面應用比較廣泛，但是在礦山工程測量與地形測量等方面并未得到廣泛應用。在多元數據處理技術、GPS技術快速發展過程中，傾斜攝影過程中的信息處理難題得到進一步解決，促使其應用領域得到進一步拓展。

在開展礦山測繪工作中，該測量技術應用非常廣泛，能夠針對礦山測繪任務展開全景勘查處理。與傳統測繪手段相比，該技術適用性更加突出、功能更加完善。相關人員對該技術和無人技術展開聯合運用，能夠充分強化測繪效率。另外，該技術在惡劣環境下也可以順利開展礦山測繪任務，同時還能夠充分保證測繪精度。該技術能夠以攝影中的相關信息為基礎，借助相關軟件實現模型創建，進而為工作人員創建具體的、全面的礦山模型，并且能顯示特別真實的礦山紋理，為地質工作人員提供高精度的地理信息。無人機傾斜測量技術應用過程中，主要涵蓋地面控制點測量、影像信息預處理、空三加密處理等環節。在數據處理過程中，工作人員可以利用配套軟件實現高效、自動化信息采集以及傳輸目的。

應用該技術時，工作人員需要借助傾斜攝影系統完成測繪任務，而該技術在設備方面具有較高要求。特別是設備型號、鏡頭型號不同，其使用場景也有所不同，所以采購設備時，應該針對性選擇鏡頭。在測繪實踐中，需要通過特定攝影手段獲取特定圖像，然而不論選擇何種手段，工作人員開展測量任務時，均應該保證像素超出3500w，確保進行傾斜攝影時，能夠保證圖像精度。工作人員在長期工作中，應該選擇不同標準控制像素，可以保證與技術發展相適應，全面升級技術。開展測量工作時，要想保證飛機能夠長時間工作，應該增加電池容量，為無人機提供充足的電能，另外還應該確保無人機不會被附近環境中電磁所干擾，進而確保無人機飛行安全。工作人員應該全面分析特定環境下的影響，保證無人機可以在惡劣環境中，開展1.5h以上的測量工作。同時工作人員在開展每次測量工作前，應該檢測電池，為測量任務有序進行提供良好保障，另外，還應該定期開展無人機、攝像頭等設備維保工作，以有效保障該技術的設備質量，進而高效完成下次測量任務。

1.2 無人機傾斜攝影技術應用價值

在礦山深部及外圍地質情況勘查中采用無人機傾斜攝影技術能夠提高工作效率，節約項目成本。利用無人機傾斜攝影技術完成多角度測量工作，能夠充分滿足工作人員的勘查測繪需求，同時，還可以大大減少整體勘查測繪次數，提高工作效率。傳統的礦山地質勘查工作，需要多人去野外作業現場進行勘查并進行數據采集，由于野外環境艱苦，工作時間較長，效率不高。隨著無人機攝影技術的發展，無人機數據采集和處理的自動化水平日漸提高，它利用前沿的計算機技術和無人機技術可以快速高效地完成傳統野外測繪工作以及復雜的數據處理、3D建模工作，大大減少了人力資源的投入，工作效率也得到了很大程度的提升。同時，還能大大減少了雷雨等不良氣候對工作進度的影響，降低野外因為環境惡劣造成工作人員安全事故的概率，保證項目安全、保質、保量地完成。因此，無人機傾斜攝影技術在礦山深部及外圍地質情況勘查具有很高的應用價值。

傾斜攝影測量技術一般安裝一個垂直和多個傾斜攝像頭進行影像采集，能夠從不同角度采集全方位高清晰影像，從而恢復真實的地物地貌情況，并能夠清晰、完整地將被測目標紋路展現出來，進而為工作人員全面分析地物地貌和地質結構提供良好參考依據。另外，開展數據處理工作時，與傳統測繪方法相比更加立體、直觀，充分克服傳統測量手段局限性。采用該技術之后，拍攝的單張圖像中具有大量礦山信息，不僅能夠以宏觀層面分析礦山，另外，還能夠以局部層面為切入點，分析礦山，對礦山具體狀況與信息進行全面掌握，將傳統測繪方法中一些局限性問題全面消除掉。

2 礦山實景3D模型建立方法及流程

建立真實的3D實景模型可以對礦山場景進行真實還原，與傳統的人工建模方法相比，利用無人機傾斜技術建立三維實景模型更加自動化，工作效率更高，地理信息更加精確，紋理也更加真實。礦山實景3D模型建立流程見下圖。

圖1 礦山實景3D模型建立流程

（1）數據獲取。利用無人機和GPS進行數據采集獲取影像和控制點數據并進行預處理，按照軟件要求整理相機參數、控制點以及POS數據，檢查和篩選航片，刪除模糊、畸變等不能用的影像，如果發現測區有漏洞、漏片或航帶上連續出現對焦不準的航片，無法通過其他視角鏡頭獲取的影像進行補充時，及時回饋給外業人員，進行補飛，并做好補飛記錄。

（2）新建工程。利用ContextCapture等建模軟件建立工程，確定工程路徑、JOB路徑等信息。

（3）相對定向。將預處理后的相機參數、影像數據、POS數據導入軟件中進行多視角影像特征點密集匹配，并以此進行區域網的自由網多視影像聯合約束平差解算，建立在空間尺度可以適度自由變形的立體模型，完成相對定向。

（4）絕對定向。量測控制點并再次進行平差，將相對定向后的模型納入到地面坐標系統中，完成模型的絕對定向。

（5）三維重建。設置三維重建參數，提交任務后軟件自動進行礦山3D實景模型建立及紋理映射。

（6）模型修飾。重建礦山模型后，利用DP-Modeler等軟件對模型進行三角網及紋理裁剪，獲取三維幾何形狀、紋理，通過漏洞填充、紋理修復等得到精細化的礦山實景3D模型。

3 無人機3D實景建模技術應用價值分析

3.1 可以采集多角度信息

基于傳統攝影條件，勘查人員主要是采集垂直攝影信息，但是對于其他角度信息并不能夠充分獲取，進而開展地物測算工作時，無法借助1個角度圖像對地物進行全面了解。然而無人機傾斜攝影技術能夠保證此類缺陷得到充分彌補，其能夠采集不同角度的地物信息，進而基于3D實景模型構建前提下，為測量工作順利開展提供良好保障，有效強化測量質量。

3.2 具有較高的成像清晰度

采用無人機傾斜攝影技術開展航測工作時，因為安裝多攝像頭裝置，所以可以實現高清攝影，同時能夠實現不同角度攝影目的，進而能夠將被測對象紋路清晰、完整地呈現出來。同時，進行無人機傾斜攝影過程中，在被測地物附近環境方面也能夠清晰呈現，可以為勘查人員提供全面的信息參考[2]。

3.3 可以高度還原被測對象

還原被測對象時，一般需要根據相應步驟展開規范施工，可以為后續項目穩步跟進提供良好指導。另外，通過各種角度的信息能夠為被測對象的還原提供保障，進而提高被測對象還原質量。

4 應用實例

4.1 無人機傾斜攝影系統

本次選擇大疆M300無人機搭載睿鉑DG35傾斜相機進行數據采集，飛行時長為45min。航攝儀參數如下：總像素為1.2億；曝光間隔最小值為0.8s；側視鏡的傾斜角為45°；像元大小為3.9um；正射相機焦距為28mm；傾斜相機焦距40mm；傳感器尺寸為23.5＊15.6mm。

4.2 測區概況與成圖要求

測區為多邊形，測區面積在0.6K㎡左右。海拔高度在30m～99m范圍內，地形主要以丘陵形式為主，沒有高大建筑物以及高山，飛行空域比較好。對于測圖比例尺，要求為1：1000，平面部位的中誤差控制在±0.6m內，等高線插點的中誤差要求控制在±0.5m內，等高距要求為1m。

4.3 像片進行測量控制

在地面紋理特征比較明顯的地物處、方便現場查找的特征點的區域布設像控點。布設原則如下：

（1）在選擇像控點時，應充分考慮布點要求，將像控點的布設與布點方案結合在一起，選擇地形測量對天通視良好且可以明確辨認的地物點和目標點；

（2）布設的標志應對空視角好，避免被建筑物、樹木等地物遮擋；

（3）黑白反差不大，地物有陰影以及某些弧形地物不應作為控制點點位目標；

（4）像控點距相片邊緣不小于1.5cm。

像控點的選取還需滿足以下兩個標準：

①像控點應盡量布設在航向旁向重疊的公共區域使控制點能夠公用；②控制點應選在旁向重疊中線附近，離開中線的距離不應大于3cm，當旁向重疊過大或過小而不能滿足要求時，應分別布點。

此次控制點選擇區域網布點手段，像控點根據400m～500m距離進行像控點布設，共布設12個控制點。像控施測選擇網絡RTK測量手段，對于各個控制點，觀測次數為2次，兩次觀測結果取平均值作為該像控點測量最終成果。平面坐標系選擇2000國家大地坐標系，高程基準選擇1985國家基準要求。借助檢查與計算，分析高程中誤差與平面中誤差，保證相關參數滿足規范標準要求[3]。

4.4 無人機航飛攝影

本次選擇大疆M300無人機搭載睿鉑DG35傾斜相機進行航飛攝影，基礎背景圖選擇谷歌影像信息，對勘查區域范圍進行確定，地面分辨率要求為0.05m,根據地面分辨率及周圍環境設計航高為360m，旁向與航向重疊度分別為70%、80%。

4.5 制作實景3D模型

現階段，實景3D模型軟件主要有DP-smart、PhotoMesh、ContextCapture、StreetFactory、Pix4Dmapper、Smart 3D軟件等。這些軟件以GPU為基礎可以對3D場景進行快速運算，并不需要人工干預即能夠借助連續、簡單的影像制作實景3D場景模型。

4.6 礦山的地形要素

此次礦山要素采集選擇EPS測圖軟件，以此為基礎的DLG數據采集工作選擇2D、3D一體化方式，可以促使測量外業活動實現內業化發展，2D與3D符號相同，2D與3D編輯聯動，簡易、快速。

在該測區中，地形地貌是主要礦山地物，同時涵蓋少量房屋、水系與道路構筑物，因此對于地形要素較為注重。借助EPS軟件對實景3D模型的osgb格式進行加載，并不需要采用立體眼鏡進行處理，可以在實景3D模型中直接采集地形要素。

5 精度分析

選擇ContextCapture軟件和Pix4D mapper分別建設3D模型進行對比分析。

（1）模型精度。①選擇ContextCapture軟件。進行空三結算、自動匹配特征點，借助電腦集群化開展3D建模處理，利用實測檢查點統計分析模型位置精度：高程中誤差為±0.067m，平面中誤差為±0.051m。②Pix4D mapper軟件，進行空三計算、自動匹配特征點，借助單電腦開展3D建模處理，利用實測檢查點統計分析模型位置精度：高程中誤差為±0.603m，平面中誤差為±0.582m。對比發現ContextCapture軟件的3D模型精度更高。

（2）紋理分析。借助對比山體、典型建筑紋理的各種軟件精度進行對比。對于建筑物模型來講，ContextCapture軟件可以更好地保持建筑物紋理，清晰地顯示建筑物棱角等細節信息。而Pix4D mapper軟件建立的3D模型，并不能夠清晰展示建筑物棱角等細節信息。對于植被模型與山體模型，ContextCapture可以更好地保護植被立體形狀，山體中土路紋理非常清晰。而Pix4D mapper軟件并不能夠顯示植被立體形狀，只能夠顯示植被陰影，山體土路紋理非常模糊。

（3）色彩分析。借助對比兩種軟件在山體植被、道路與典型建筑色彩方面的建模精度情況。對原始圖片和兩種軟件建立的模型色彩，對比發現，對于建筑模型來講，ContextCapture軟件建立的3D模型能夠更好地保持建筑物色彩，和原始圖片之間并無較大差異。Pix4D mapper軟件建立的3D模型，基本上可以保持建筑物的色調，然而并不能夠充分保持建筑細節色彩。對于山體植被以及道路模型來講，Pix4D mapper軟件與ContextCapture軟件都可以對原始影像色彩進行充分保持，然而相比于ContextCapture軟件，ContextCapture軟件保持效果更加突出。

6 結語

綜上所述，無人機3D實景建模技術成本低、效率高、精度高，在礦山深部及外圍地質情況勘查中具有較高的應用價值。本文介紹了礦山實景3D模型建立的方法及流程，并利用ContextCapture等軟件建立礦區實景3D模型，以模型紋理、色彩以及位置精度為基礎展開分析，希望為相關單位采用無人機傾斜技術開展礦山實景3D建模工作提供參考。