基于無人機傾斜攝影與激光掃描的露天礦山三維模型構建與應用研究

摘要：露天礦山地形起伏大、構造復雜，為解決露天礦山傳統測繪難度大、不安全的難題，提出了利用無人機傾斜攝影和三維激光掃描技術進行三維模型重構，得到傾斜實景三維模型、三維激光點云模型等多源數據的方法，并對模型精度進行了實地驗證。經實際應用，此種方法解決了無人機豎直航攝、無人機傾斜攝影的一些問題，在露天礦山土方量算、生態評估、地圖制作、工程規劃等方面具有較好的應用價值。

關鍵詞：露天礦山無人機傾斜攝影三維激光掃描實景三維模型三維點云

中圖分類號：TD17

ResearchontheConstructionandApplicationof3DModelofOpen-PitMinesBasedonUAVObliquePhotographyand3DLaserScanningTechnology

YANXuezheng1GUOZhaodi2HUANGDongliang1YANGYang3

1.HunanVocationalCollegeofEngineering，Changsha，Hu’nanProvince，430001China;2.HunanHuayingSurveyingandMappingTechnologyCompany，Changsha，Hu’nanProvince，430001China;3.HunanNO.2SurveyingandMappingInstitute，，Changsha，Hu’nanProvince，430001China

Abstract：Open-pitmineshavealargeterrainfluctuationandcomplexstructure.Inordertosolvethedifficultyandinsecurityoftraditionalsurveyingandmappingofopen-pitmines，amethodof3DmodelreconstructionusingUAVObliquePhotographyand3DLaserScanningtechnologyisproposed，andobtainsmulti-sourcedatasuchastiltedrealistic3Dmodeland3Dlaserpointcloudmodel，andverifiestheaccuracyofthemodelonthespot.Throughpracticalapplication，thismethodsolvessomeproblemsofUAVVerticalAerialPhotographyandUAVObliquePhotography，andhasgoodapplicationvalueinearthworkcalculation，ecologicalassessment，mapmaking，engineeringplanningandotheraspectsofopen-pitmines.

KeyWords：Open-pitmine;UAVobliquephotography;3Dlaserscanning;Realistic3Dmodel;3Dpointcloud

在黨的十九大報告中，習近平總書記指出“必須樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念”，綠色礦山建設成為湖南省礦業發展的必然趨勢。在綠色礦山建設過程中，露天礦山的測繪工作非常重要。礦山勘查、規劃設計、生態評估、工程施工、土方計算、地質監測、生態修復等各方面工作都離不開測繪成果。但傳統的GNSS等測繪技術具有工作強度大、周期長、成本高的缺點，而且在露天礦山測繪中，陡坡陡崖、滑坡、坍塌等問題給RTK外業測量帶來嚴重的安全隱患；而近年發展迅速的無人機航測技術，現在使用較多的仍是豎直中心攝影，獲取3D產品（DEM、DOM、DLG）以此來輔助露天礦山測繪工作。在地形復雜、高低起伏大的露天礦區，該技術很難獲得良好的三維空間精度，且其地形地貌、表面紋理信息不直觀，無法滿足現代綠色礦山建設的各項工作需求。

近年來，隨著科技迅猛發展，新型無人機測繪技術越來越廣泛地應用到露天礦山測繪中來。聞彩煥等人[1]將無人機傾斜攝影測量技術應用于露天礦生態修復研究中，西安石油大學左東治等人[2]利用三維激光掃描點云構建三維數字礦山模型。然而，單純的無人機傾斜攝影與三維激光掃描技術都有其缺陷，本文以湖南省衡陽市尚卿礦業關市鐵礦部分區域為實驗區域，擬利用多源數據構建復雜地形地貌的露天礦區的三維模型，探索其技術特點與應用場景，拓寬新型測繪技術的應用邊界。

1礦區概況

礦區位于衡陽縣關市鎮拖壁塘村，屬侵蝕構造低山丘陵地貌。礦區高差極大，地形最高點位于生態修復區北西部，海拔標高668.4m，最低點位于礦區東北部下源江沖，海拔169.5m，地形坡度多為30°～40°，最大坡度達50°。建模區域主要包括338、389兩個礦洞口、洞口破碎廠、工業廣場及四處廢石堆。該區域最高點與最低點間高差接近300m，地形復雜、巖壁陡峭、樹木繁多，從高空俯視遮擋嚴重，為傳統現場調查和無人機航攝帶來了巨大挑戰。

2無人機傾斜攝影三維建模

無人機傾斜攝影三維建模的作業流程如圖1所示。

從工序流程上，主要分為兩個階段：傾斜攝影數據采集階段與傾斜影像數據處理階段。

2.1無人機傾斜影像采集

影像采集前，在任務區的東部、中部與西部布設6個像控點，用于提高模型空間精度，因礦區缺乏位于平地、易于識別與定位的細小地物拐點（如斑馬線、箭頭、曬坪直角等），提前在指定位置的平地上繪制了“L”形直角標識，并采用RTK采集了像控點的三維坐標。其相對平面精度與高程精度在5cm以內。

礦區傾斜影像采集使用飛馬D2000無人機搭載OP3000傾斜像機完成。該像機配備五向鏡頭，包括1個焦距為25mm的下視鏡頭，4個焦距為35mm的傾斜鏡頭。為滿足建模要求，航線重疊度設置為：航向80%，旁向70%，下視鏡頭地面分辨率為3cm。

在普通地區進行無人機航攝時，一般基于任務區的地面最高點來進行航高設計，其目的是為了確保安全飛行高度，避免炸機風險。但本露天礦區內高差極大，如果采用統一航高，一方面會大大降低地面分辨率，同時也會難以完整采集陡峭巖壁側面紋理。本礦區采用了無人機仿地航攝技術采集數據?；跍y區DEM，共設計17條航線，變高點91個，相對地面高度140m。最終采集影像6165張。

2.2無人機傾斜影像處理

礦區氣流散亂，影像資料存在重疊度不規則、影像畸變較大、色差與亮度差較大的問題。本次先檢查了影像重疊度，進行了像片畸變校正、勻光勻色，使影像成果變形減小、整體色調色差一致，然后再在ContextCapture軟件中進行三維重建。其具體步驟參照了聞彩煥等人[1]的實驗步驟。

傾斜三維模型紋理清晰、層次豐富，可視性強，且非常方便進行三維量測，相比正射影像，具有明顯的優勢，如圖2所示。

3三維激光點云模型重構

無人機傾斜攝影在多遮擋、多層、結構復雜的礦區無法準確表達所有地貌特征，如礦洞、廢采區、修復林區等地貌。為此，本項目采集了三維激光點云數據用于構建精細白膜。為精確重建露采場巖壁以及礦山各功能區立面模型，補充遮擋、空洞、縫隙等點云漏洞，本項目從空、地同時采集任務區點云數據[3-4]。

空中，采用大疆M300型無人機搭載禪思L1激光雷達鏡頭采集三維點云數據。航攝范圍沿用傾斜攝影任務范圍，采用變高飛行，相對航高140m，航線數7條，點云密度約每平方米60個點。地面，采用FAROS70地面三維激光掃描儀采集了388#礦井口及工業廣場的點云數據。

三維激光掃描工作原理為：由激光雷達鏡頭發射固定波長的激光束，控制器記錄激光束發射姿態，接收回波并解調、分析其相位變化，以此計算發射與接收的時間間隔，推算被測目標的距離。根據GNSS定位數據、光束姿態、與目標間距離，即可直接解求目標點云空間坐標。

將采集的地面點云與機載Lidar點云分別進行預處理，輸出為CGCS2000坐標系統下的標準Las格式點云，在國產點云處理軟件華測CoProcess中，利用同名特征地物，對二者進行配準、融合，并進行分類與濾值等操作，制作三維點云模型數據。部分模型場景如圖3所示。

4模型精度對比

評估多源三維模型精度，本測區采集了33個精度點用于對比分析。其中，高程精度點25個，一般位于道路、邊坡、開掘坪等地形高程位置，平高精度點8個，一般選取在建筑角點、加固坎角點等三維特征明顯的位置。以RTK實測點為基準，通過傾斜攝影實景三維模型、機載Lidar與地面三維激光掃描融合點云、現場RTK實測的精度對比，分析多源三維模型重構的準確性。

在對比過程中，發現高程與平面精度沒有明顯偏差。對對比結果進行簡化，將高程檢查點與平高檢查點結果進行統一，詳細分析如表1、表2所示。

值得注意的是，對傾斜攝影實景三維模型和機載Lidar與地面三維激光掃描融合點云直接進行對比，兩者在道路、廢石邊坡、工業廣場、房屋、工棚等裸露、連續的表面重合度非常高，在礦洞周邊、建筑周邊、道路邊線等區域則時常出現較大誤差。經分析：一方面可能由于二者未共用控制點，以及采用不同的遙感姿態恢復方法，會在空三或三維重建中出現系統誤差；另一方面可能由于空中、地面點云配準造成系統誤差。

5多源三維模型在礦山評估中的應用

5.1礦體量算

傳統礦體體積計算方法主要是采用塊段估算法。主要是將待估算礦體分割為若干塊段，再根據塊段投影面積和平均厚度計算塊段體積。該方法精度較差，很難滿足復雜礦山體積量算的需求。在多源三維模型中，可由傾斜實景三維模型人工識別目標礦體范圍（見圖4），再經由三維激光點云成果以及預計高程（見圖5），將目標區域劃分為若干方格，對每個方格按長方體進行體積計算。最終求和得到目標礦體體積。

5.2生態現狀調查

多源三維模型數據可視化強，紋理豐富細致，地表精度高，可基于三維場景、專題圖紙判定生態現狀，再進行現場補調，能大大提高效率，對礦壁、堆石場等陡峭地貌調查的安全性大為增強。

如圖6所示，可根據實景三維人工判斷廢石堆復綠情況，對細節的判讀還可判定礦區主要樹種等。

5.3輔助工程建設規劃

實景三維模型可以提供可視化效果，使工程規劃更直觀；三維點云模型與傾斜攝影三維模型能提供露天礦山空間構造，幫助設計建造坡度、間距、形制等，并能輔助精確計算面積、土方、工程量。在王堃[5]等的研究中，傾斜三維為礦山建設規劃制定提供了強有力的底圖支撐（見圖7-a）。在本文的研究中，通過傾斜三維和點云模型的三維地形構造，輔助了廢石堆復墾等一系列生態修復工程設計（見圖7-b）。

6結語

本文對地形起伏大的復雜礦區構建了多源三維模型。經檢測，三維點云模型精度略高于傾斜模型數據，其綜合精度達到5cm級別。利用多源三維模型，繪制了礦區矢量圖與專題地圖，輔助制作了等高線圖，量算了廢石堆體積，助力了礦區生態現狀評估與生態修復工程設計[6-7]。

根據多源三維模型的應用情況，其優點主要有：（1）相比傳統測繪手段，安全、高效；（2）實景三維模型紋理細節豐富，可視性強，能直觀辨認地形變化、地物類型；（3）三維激光點云對樹層下、巖壁等功能區重建效果良好，能更準確描述露天礦區實際構造；（4）三維模型易量測，在土方量算、現狀調查、工程規劃等各方面都有較強的應用價值。

基于此技術的優點，其未來應用前景廣闊，在綠色礦山建設中還有較大的開發應用空間。

參考文獻

[1]聞彩煥，王文棟.基于無人機傾斜攝影測量技術的露天礦生態修復研究[J].煤炭科學技術，2020，48（10）：212-217.

[2]左東治，周婷.基于激光掃描的精準三維數字礦山模型構建及應用[J].電子技術與軟件工程，2022（3）：251-254.

[3]黃宣東.無人機傾斜攝影技術在礦山生態修復的應用[J].現代礦業，2021，37（4）：219-222.

[4]孫麗紅，朱大明，李勇發，等.基于傾斜攝影測量的礦山生態修復規劃應用[J].城市勘測，2021（2）：87-91.

[5]王堃，周桂松，張浩，等.基于實景三維建模技術的綠色礦山規劃研究與應用[J].采礦技術，2020，20（6）：10-12.