无人机倾斜摄影技术在矿山地质勘查中的应用

赵 彬，狄广礼

（河南省地质矿产勘查开发局 第一地质矿产调查院，河南 洛阳 471000）

我国矿物资源丰富，储量较大且分布位置广泛，但是正是由于矿物资源的分布范围较广，其开采工作情况较为复杂。如果没有得到有效控制，极易造成矿山地质灾害，导致生态环境破坏，严重时会发生山体滑坡、土体崩坏以及水土流失问题，甚至会危害当地居民的生命、财产安全[1]。近年来，多个地区的政府都尝试开展地质勘查，但是开展地质勘查之前都需要先了解当地矿区的开采现状、地质变化趋势、边界条件以及矿物储存情况。开展地质勘查工作主要是为了了解矿山环境中的地质问题类型、潜在危害分布情况以及未来地质变化趋势，并且为后续区域治理奠定良好基础[2-4]。

无人机倾斜摄影技术综合测绘技术与遥感技术，近年来得到普遍应用，该技术在环境适应性方面具有较大优势，而且安全性、可视功能以及可持续使用功能受到众多研究者的青睐[5]。有学者使用无人机倾斜摄影技术与虚拟现实技术相结合，通过无人机采集的影像数据生成矿区的AR效果，提升勘查环境的真实性，实现精细化勘查，但是该项技术成本较高，仍旧需要进一步改进[6]；还有学者在利用无人机倾斜摄影技术勘查矿区地质环境时采用对比分析方式，从多个层面深入分析矿山区域地质环境变化情况，获得较为详细的勘查分析结果，但是该方式过于复杂，仍旧处于研究阶段[7]。

基于上述分析，本文提出在矿山地质勘查中使用无人机倾斜摄影技术，获得研究区域的基本图像信息，以此为依据使用三维模型生成软件获得研究区域的三维模型，实现该地区的地质环境勘查研究。

1 研究区概况

研究区位于河南省平顶山市，该矿区是河南省矿业产业改革后废弃遗留下来的无人管理石灰岩矿山区域，在开采阶段遭受大量人为破坏，地质环境以及生态环境均发生严重破坏。该矿区靠近西北侧的山谷是石料主要开采区域，石料采集量约为20.83万m3，矿区荒废之后形成大量结构松散石渣坡以及不计其数的石矿开采后的陡壁。该研究区域地质构造方面具有背斜褶皱，断层对该区域的地质结构造成破坏，只能归类为中等类型地质结构。该研究区域整体地质构造复杂性较低。

2 矿山地质勘查路线

无人机倾斜摄影技术在矿山地质勘查中的应用整体技术路线如图1所示。

图1 无人机倾斜摄影技术矿山地质勘查路线Fig.1 Mine geological survey route of UAV tilt photography technology

本文矿山地质勘查路线包含线路规划、勘查点定位、数据采集等。在数据获取后，使用三维软件建立研究区域的三维模型，实现研究区域矿山地质勘查，获得最终研究结果。

3 数据采集与航点坐标定位

（1）数据采集。通过构建三维模型实现研究区域的矿山地质勘查，构建模型之前需要先使用无人机获取研究区域的实际情况，确定研究区域模型构建范围。本文研究使用搭载GPS定位模块与高清摄像设备的小型旋翼无人机，该无人机材质为全碳纤维结合钛合金材料，传感器芯片为工业级，无人机规格为936 mm×1 161 mm×689 mm，飞行时最大承重为13 kg，持续续航35 min，最大飞行半径约为15 km，能够抵抗7级以下强风，无人机上所搭载的倾斜航摄仪布置4个摄像头，其中有3个45°倾斜镜头与1个下视镜头，最高像素为1亿，曝光时间低于1/3 500 s，每间隔1.5 s曝光一次。

图像采集时先使用无人机倾斜摄影技术，获得研究区域中需要构建模型的实景图像，拍摄之前还需要提前规划航线。规划拍摄航线时，不能按照研究区域大小规划，而是需要使航线范围超出研究区域，同时航线与研究区域之间重合度需要达到75%以上，这样才能保证收集的图像数据较为完整[8-10]。

数据采集时需要关注图像的清晰度，将采集后小角度拍摄与异常曝光图像剔除。如果筛选之后数据数量不足以支撑模型构建所需数据时，可以考虑重新采集图像，图像采集时需要不断调节无人机的高度和拍摄范围，合理调整拍摄点位置。数据采集完成后，根据图像内容定位研究区域中的相关目标信息。

（2）基于无人机倾斜摄影的定位研究。矿山地质勘查中最为关键的部分就是定位研究，定位通过坐标确定[11-13]。使用无人机搭载摄影设备，可以使用摄影结果实现定位，通过计算同名光线交汇获得定位坐标。同名光线交汇原理如图2所示。

图2 同名光线交汇原理Fig.2 Principle of ray intersection of the same name

图2中的2个方形物体分别表示无人机采集的2个倾斜图像，O表示物方焦点，O1和O2是在这2个倾斜图像上的物方焦点投影，2个倾斜图像的摄影中心分别使用T1和T2描述。只有获取图像的实时姿态，才能使用光线交汇原理实现最终坐标确定，也就是说需要掌握内、外方位元素数值，才能构建出预想的定位数学模型。使用该模型只需要对两个图像展开计算就能确定所需勘查点的坐标位置。定位数学模型也是一种共线方程，以该模型作为基础，将倾斜与竖直图像的旋转与位移参数添加进去，把倾斜状态的图像向竖直状态转换，再开展计算，最终确定目标信息。

4 矿山地质勘查三维模型构建

用Photoscan软件处理上文中确定的目标信息，以及图像采集中获得的其他数据内容，排列计算图像中的内容，生成密集点云。

在点云基础上，生成研究区域地物剖面线，将这些剖面线导入3D Mine软件中，该软件是一种经常应用在矿区山体地理信息勘查研究的软件，使用该软件能够准确构建研究区域中山体、沟谷的三维立体模型，该软件包含的模块能够准确构建出山体的变化趋势以及区域地物形状。模型构建实际上就是先构建紧密相连的数个三角面，内部包含不透明的实体，逐渐连接最终形成一个连接在一起的网格整体[14]。在3D Mine软件中加载剖面线后生成的模型形态如图3所示。

图3 3D mine软件中加载剖面线后闭合效果Fig.3 Closure effect after loading profile line in 3D mine software

剖面线导入时可以使用图3这种存在差异的颜色实现地物区分。使用三角网格连接剖面线，随机选取任意2个三角网闭合线。以此为基础，依次多段三角网连接，直到得到需要的完整三角网格结构，就可以使用键盘上的Esc按键结束网格连接[15-17]，此时初步构建完成研究区域的模型构建，部分区域三维网格模型如图4所示。

图4 部分区域三维网格模型Fig.4 3D grid model of some regions

对于图4中这种连接到一起的三维网格，可以进一步完成编辑，例如纹理映射、表面重建、颜色调整等[18-20]。依据研究区域实际比例大小，调整模型极大极小坐标，构建完全包裹的研究区域模型，最终实现单元模块填充。通过最终生成的研究区域三维模型实现矿山地质勘查，确定研究区域岩体稳定情况和生态保护情况。

5 应用效果

本文所研究的石灰岩矿山已经作出部分改造，使用所提方法能够了解该区域开采石矿的情况以及地质变化情况。研究区域部分影像如图5所示。

图5 研究区域部分影像Fig.5 Partial images of the study area

使用所提方法构建研究区域三维模型，通过剖线连接、网格连接、纹理映射等步骤后，完成研究区域三维重构，将研究区域中较为复杂的分布结构中的细节充分体现出来。三维重建后的研究区域部分效果如图6所示。

从图6中能够看出，使用所提方法重建的三维模型具有较为真实、良好的构建效果，矿区实际结构以及岩土结构均呈现出真实状态。为了验证所提方法模型重建坐标与实际地物坐标之间的误差情况，在实际环境与相对应的重构模型中随机选择多个对应点，验证定位准确性，结果见表1。

图6 研究区域三维重建模型Fig.6 Three-dimensional reconstruction model of study area

表1 定位准确性验证Tab.1 Positioning accuracy verification

从表1中的结果中能够看出，所提方法的无人机倾斜摄影坐标与实际环境中的坐标基本一致。由此可以看出，所提方法的无人机倾斜摄影技术实现的坐标定位，均能呈现出良好的矿山地质勘查效果。

高程检测也是矿区勘查研究的重要指标之一，随机选取对应点，检测高程定位准确性结果见表2。

表2 高程检测Tab.2 Elevation detection

由表2可知，研究区域中实际高程检测结果与本文所勘查结果一致，进一步说明本文使用无人机倾斜摄影技术勘查矿区地质具有较高准确性。

本文所重建的研究区域三维模型已经能够充分说明所提方法的优势，但是目前研究领域中，大量需求数字划线图（DLG）和正射数字图（DOM），本文所使用的方法功能强大，能够在重建三维图像基础上生成DOM图与DLG图，生成结果如图7所示。

图7 DOM图与DLG图生成效果Fig.7 DOM diagram and DLG diagram generation effect

在本文所使用的三维模型中，添加一个编辑软件转换三维模型的格式，经过绘制就可以生成DLG图，这种通过三维图像进一步生成的DLG图具有更加立体的效果，且精度更高，生成等高线时，能够得到更加准确的效果，同时在地物勘查测量方面具有更大优势。

在本文所构建的模型上，只需要更加简便的绘制方法，就能获得DOM图。由于本文所构建的三维模型已经具备纹理信息，且拍摄角度多样，所以能够满足DOM图生成过程中需要的填充像素效果，获得DOM图正射标准较高。

通过以上实验分析结果可知，所提方法能够准确捕捉研究区域中的地质情况与环境情况。

6 结论

在矿山地质勘查中，利用无人机倾斜摄影技术收集研究区域矿山地质勘查图像信息，以此为基础，构建研究区域三维模型，用于实现矿山地质与环境勘查。

（1）所提方法重建的三维模型具有较为真实、良好的构建效果，矿区实际结构以及岩土结构均呈现出真实状态。

（2）所提方法的无人机倾斜摄影坐标与实际环境中的坐标基本一致，能呈现出良好的矿山地质勘查效果。

（3）研究区域中实际高程检测结果与本文所勘查结果一致，表明使用无人机倾斜摄影技术勘查矿区地质具有较高的准确性。

（4）所提方法能够准确捕捉研究区域中的矿山地质情况与环境情况。