無人機傾斜攝影測量技術在礦山監測中的應用

周勇兵

（武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022）

0 引言

近年來，隨著無人機軟硬件水平的不斷提高，傾斜攝影測量技術也隨之快速發展。傳統的航空攝影測量雖能快速獲取目標地物的相對位置及頂面信息，但難采集到地物的側面紋理信息，已無法滿足現階段三維建模的需求［1］。自然資源部辦公廳于2022 年印發了《關于全面推進實景三維中國建設的通知》，明確了實景三維中國建設的目標、任務及分工情況等，標志著實景三維中國建設逐步由前期的局部試點實施轉向全面鋪開。相較于傳統的二維正射影像，實景三維模型能全方位直觀真實地反映人類生產生活的時空信息，為數字中國建設提供統一的空間框架和分析基礎，成為國家重要的新型基礎設施。

傾斜攝影測量技術是測繪領域近年來發展起來的一項前沿技術，其突破了傳統正射影像僅能從下視方向拍攝的局限，通過搭載在飛行平臺上的多視角相機從不同角度來獲取目標地物數據，可高效獲取地物豐富的側面紋理信息，并對目標區域的地物進行實景三維模型重建。通過無人機傾斜攝影測量技術生成的實景三維模型，可直觀真實再現目標地物場景，使用者可通過改變觀察視角來獲取全方位的地物紋理信息。因此，其在國土資源調查、地形圖測量、生態修復以及應急保障等領域中具有重要的應用價值［2-5］，也受到越來越多的相關領域專家及從業人員的關注。

中國擁有數量眾多、類型豐富的礦產資源，礦產資源的開發在一定程度上促進國民經濟的發展，而一些不合理的開發（主要是超采超挖）對生態環境造成了嚴重的破壞。隨著國家生態文明建設的逐步推進，礦山生態修復問題亟待解決。礦山監測是礦山修復的前提，通過定期監測分析可有效獲取礦山現狀及修復情況，但礦山范圍較大，且多地處偏僻區域，傳統的人工巡查方式效率低，還容易出現遺漏。本研究基于無人機傾斜測量技術來獲取礦山及周邊區域內的三維實景模型，在此基礎上，對礦山開挖情況進行巡查及統計分析，極大提高礦山監測工作的效率和效果。

1 無人機傾斜攝影測量技術

傾斜攝影測量技術不僅是指使用無人機進行采集，只因無人機便捷高效、成本低及周期短，應用的越來越廣泛［6-7］。相較于傳統的建模方法，無人機傾斜攝影測量技術構建的模型逼真度更高、建模效率更快，生產成本也更低［8］。目前，無人機分為固定翼、多旋翼和復合翼（又稱垂直起降固定翼）3 種類型。其中，固定翼無人機的航速快、航程遠、升限高，適合大面積航空攝影。多旋翼無人機操作簡單，維護方便，比較適合小面積航空攝影。復合翼無人機則兼具固定翼無人機和多旋翼無人機的優勢，在測繪生產中的使用頻率越來越高。本研究采用成都縱橫大鵬無人機科技有限公司生產的CW-10 垂直起降固定翼無人機作為飛行平臺，并搭載成都睿博研制的DG3 Pro 五鏡頭相機（鏡頭參數見表1）進行傾斜航空攝影。

表1 鏡頭參數

外業采集完成后，先進行數據下載與預處理，對色彩有問題的照片可事先進行增強處理，預處理完成后，將照片、相機參數、POS 數據、控制點導入到建模軟件中。ContextCapture 軟件（原Smart3D 軟件升級版）是目前應用最廣的傾斜建模軟件，但其建模效率較低，且處理大面積空中三角測量的失敗率較高，本研究采用武漢大勢智慧科技有限公司的重建大師進行空三運算及模型輸出。檢查導入數據無誤后，提交空中三角測量，針對大范圍空三處理容易報錯的情況，可將測區劃分為多個區塊分別進行空三處理，每個區塊還可進一步分割子區塊，確保每個子區塊不超過10 000 張照片。在完成空三處理后，將各區塊空三合并，設置模型坐標系、原點坐標和瓦塊大小等，進行三維模型輸出，具體工作流程如圖1 所示。空三處理和模型輸出都是非常耗時的過程，單機處理運算效率低，無法滿足大范圍實景三維重建的需求，本研究采用多個運算節點并配合高性能存儲設備，來實現網絡化集群運算，可極大提高工作效率。

圖 無人機三維建模步驟

2 網絡集群運算

采用單機模式進行空中三角測量和模型重建的效率非常低，常規的工作站進行模型重建時，一天只能處理不到0.5 km2的區域，難以滿足大范圍實景三維重建的需求。為了提高空中三角測量和模型輸出的效率，要采用網絡化集群模式進行運算。ContextCapture 軟件支持集群模式進行三維模型生產，但該軟件的模型輸出效率不高，且在處理大范圍空中三角測量時容易失敗。因此，本研究采用大勢智慧科技有限公司研發的重建農場進行空三處理和模型重建，重建農場是一款軟硬件一體的高密三維模型重建系統，其采用第二代Intel至強可擴展處理器和OneAPI工具包，能有效解決實景三維數據生產中空間占用大、功耗需求高、生產效率低、統一管理難等問題。一套重建農場設備包含10 個運算節點，每個節點均安裝有空三計算及三維建模軟件重建大師，該軟件可支持多節點任務分發及協同處理。在創建工程時，要將照片路徑和工程目錄均設置為共享狀態，建議采用網絡路徑，并設置每個節點的任務目錄和引擎監控目錄，其他操作與單機處理一致。提交空中三角測量和模型重建任務后，各計算節點會自動從相應目錄接收任務，并進行自動化處理。

針對大范圍的模型重建任務，要多套農場（一套農場含10 個節點）同時開展工作，而空中三角測量和模型重建都是數據密集型任務，且在空三處理和模型重建時軟件會生成大量的中間成果，其中包含大量的碎片小文件，從而對網絡存儲設備的讀寫和吞吐性能提出更高的要求。為滿足多節點運算需求，防止節點在搶占數據讀寫時因堵塞而導致效率降低，本研究采用澤塔云zOcean海量分布式存儲系統來保障各運算節點的并發讀寫需求。zOcean是針對海量大數據及高并發I/O 應用開發的一款集硬件平臺、分布式存儲系統和智能管理模塊于一體的存儲設備，其具有高性能、高擴展、高可靠性。在實際生產環境中，由于實景三維重建設備和工作場所中的其他設備能通過同一個交換機進行數據傳輸，為進一步提升節點訪問存儲設備的速率，有必要將重建農場與zOcean 存儲設備通過高速傳輸網線直連，防止通過交換機傳輸受到其他終端訪問占用帶寬的影響，導致性能下降。

對大范圍的三維模型重建，一般采取瓦塊輸出，在減輕瀏覽壓力的同時，方便后續瀏覽調用。根據項目需求和硬件性能來選擇瓦塊大小，對常規的工程項目，為保障瀏覽的流暢性，一般將瓦塊大小設置為50～150 m。在進行模型輸出時，要設置模型成果的坐標系和原點坐標值，其和瓦塊大小共同決定了瓦塊劃分在空間的分布情況。在不同的模型重建任務中，只要保證成果坐標系、原點坐標值和瓦塊大小設置一致，則瓦塊的空間位置索引可實現兼容，極大地方便了三維模型的局部更新。在局部更新中，只要獲取更新區域三維模型瓦塊的索引集合，在提交重建任務時，選擇該集合的瓦塊進行輸出，輸出完成后，將成果文件夾拷貝替換原有的數據即可。

3 建模及效率分析

本研究選取的試驗礦山區域面積約為16 km2，該區域以平原和丘陵為主，局部有一些低矮的山丘，整體高低起伏不大，礦山周圍分布有大量的中低層建筑，紋理較為復雜。將目標區域按飛行高度進行外擴，并采用五鏡頭相機規劃航線飛行，共獲取約35 000張照片，同時飛行中會記錄像機曝光時Pos 位置和姿態參數。將照片和Pos 數據導入重建大師中，采取常規模式進行自由網空中三角測量，然后導入控制點進行絕對定向空中三角測量。通過內業航測獲取控制點，利用原有航攝資料來恢復目標區域的立體像對，并采集標線、墻角等明顯特征點作為控制點。將控制點坐標文件導入重建大師軟件進行刺點，剔除已經發生變化的特征點，共采用控制點21 個。得益于重建大師強大的空三處理能力，通過分割子區塊可一次性完成兩次空三過程，每次空三運算完成后，要查看空三報告，重點關注照片入網率、重投影誤差以及控制點誤差是否滿足項目要求等。檢查空三報告無誤后，即可進行模型重建，新建重建任務時要正確配置各項參數信息，重點是成果坐標系、原點坐標、瓦塊大小等。本次建模面積約為16 km2，面積大小適中，為測試網絡化集群建模效率，采用40個節點（4套重建農場設備）進行模型建模，僅用時約8 h即可完成對目標區域模型重建，通過DasViewer三維模型瀏覽器打開重建完成的模型，檢查模型的結構、精度、色彩等，模型局部示意如圖2所示。從圖2可以看出，模型房屋的結構較為規整，色彩飽和自然，通過瀏覽器工具量取部分特征點，檢查其坐標精度均滿足項目需求。

圖2 模型局部示意圖

為測試存儲設備的性能，使用10 個節點重新輸出模型，共耗時32 h，建模時間消耗與節點個數成正比關系，證明zOcean存儲設備可有效負荷40個節點的高并發訪問，性能沒有隨著節點的增多而出現下降的情況。此外，為對比重建大師的建模效率，在重建農場設備中安裝ContextCapture 三維建模軟件，并將試驗區域的空三成果導出為XML 文件，然后在ContextCapture中新建重建工程，導入重建大師空三區塊，并按照相同設置參數輸出實景模型，也采用40 個節點運算，最終共耗時約13 h 完成所有任務，即重建大師的建模效率要明顯優于ContextCap?ture軟件的建模效率。相較ContextCapture 軟件，重建大師進行三維模型重建時，初次提交建模時易出現失敗的情況，經統計后發生該情況的發生概率約5%。根據目標區域的紋理復雜情況，概率可能會有一定差異，對發生重建失敗的瓦塊，后續可采取增強模式或修改重建參數重新提交建模，部分邊緣區域和紋理信息非常少（如水面）的區域可能無法重建成功，水面區域模型缺失可通過軟件進行修補。

4 礦山監測分析

相比于二維影像，三維實景模型可全方位多角度地對地物進行展示，用戶可通過Dasviewer 瀏覽器打開模型進行查看。通過三維模型獲取目標地物豐富的側面紋理及高度信息，這些信息對礦山監測具有重要作用，圖3 為礦山三維模型幾個局部區域的示意圖，從圖中可以看出，基于無人機傾斜攝影測量技術生成的三維模型紋理非常精細，具有良好的目視判讀效果。

圖3 礦山模型局部示意圖

除了人工目視觀察礦山外，還可在三維實景模型上進行一些基礎的量測工作，如測量距離、高度、周長及面積等，尤其是高質量測量對礦山監測具有重要意義。圖4 是在三維模型上進行基礎量測操作的示意圖，其中左圖為測量A點到B點的距離、平距及高差，右圖為測量閉合多段線的周長和面積。

圖4 礦山模型測量示意圖

除了基礎的量測功能外，還可采用一些更高級的統計分析工具對礦山情況進行分析。其中，最重要的分析工作就是對礦山的超采超挖情況進行統計。一般來說，礦山都要在規定的高程面上進行開采，低于該高程基準進行開采的行為屬違法行為。通過DasViewer 瀏覽器打開三維實景模型，切換到體積測量工具界面，首先設置規定高程為基準面，并選取合適的采樣距離，然后在模型中繪制感興趣的區域范圍，繪制完成后可方便獲取目標范圍內超出和低于高程基準面的挖方量和填方量，如圖5 所示。其中，A 區域為填方區域（低于基準面，填方量即為超挖量），B區域為挖方區域（高于基準面）。

圖5 礦山挖填方示意圖

5 結語

實景三維模型可直觀真實全方位地描述地表地物信息，可作為國土空間管控和規劃設計的數據底座，在越來越多的行業中發揮著重要作用。特別是在自然資源部公布“實景三維中國”項目后，實景三維建設在各地的應用逐漸步入高潮，相關的標準體系、工藝技術、軟硬件產品將為測繪生產效率帶來巨大的提升。隨著實景三維模型的應用范圍不斷擴大，無人機傾斜三維技術受到的關注也越來越多。針對大范圍的傾斜三維重建，單機處理模式效率很低，難以滿足現有的工作需求。為提高模型重建的效率，本研究采用基于高性能分布式存儲的多節點網絡化集群處理。重建農場是軟硬件一體的私有云集群三維重建系統，而zOcean存儲能有效滿足空三和模型重建的海量大數據及高并發I/O 應用的需求，將兩者有機地結合起來，構成一個高效率的實景三維生產平臺。通過對目標區域進行試驗，該平臺能極大地縮短模型生產工期，取得良好效果，具有實際推廣價值。

生態文明建設是關系人民福祉和民族未來的長遠大計，礦山監測對生態環境建設工作具有重要的意義，傳統的人工現場巡查方式不僅效率低下，且耗時費力，難以滿足實際應用的需求。本研究通過無人機傾斜攝影測量技術快速生成礦區的三維實景模型，在此基礎上，用戶可觀察礦山真實全面的現狀信息，并通過工具進行統計分析，相較人工巡查方式，該方式能顯著提高礦山監測的效率和效果，為礦山整治修復提供新思路。