无人机三维实景建模技术应用于矿山深部及外围地质情况勘查中的应用价值

伍雅晴，张健雄

（湖南省国土空间调查监测所，湖南 长沙 410129）

矿山勘查、生态修复等相关工作对于快速获取大比例尺地形图具有较高需求，因为矿山地质、地形条件基本上较差，生产环境较为恶劣，所以以往的地质勘查工作效率较低，需要投入大量时间处理采集的信息才可以实现成果出图。在无人机倾斜摄影技术与三维建模软件快速发展的过程中，无人机三维实景建模技术得到了充分的发展。当前，借助无人机3D实景模型获取地理要素的方法已经获得广泛应用[1]。

1 无人机倾斜摄影测量技术概况

1.1 无人机倾斜摄影技术

无人机倾斜摄影技术主要是基于无人机垂直摄影技术发展而来，它利用多台传感器实现多方位、多角度数据采集来弥补垂直摄影中只能够开展垂直方向拍摄影像的不足，进而还原目标区域的真实地貌。无人机倾斜摄影技术将无人机作为飞行平台采集多角度影像数据，并利用惯性导航以及CNSS导航采集姿态信息与位置信息，借助倾斜影像进行“非现场”测量，该技术集成了倾斜摄影系统、导航系统与飞行平台，进而得到多视角影像信息，可以为3D模型构建提供足够纹理信息。该技术在早期一般在建筑物外立面的纹理信息采集方面应用比较广泛，但是在矿山工程测量与地形测量等方面并未得到广泛应用。在多元数据处理技术、GPS技术快速发展过程中，倾斜摄影过程中的信息处理难题得到进一步解决，促使其应用领域得到进一步拓展。

在开展矿山测绘工作中，该测量技术应用非常广泛，能够针对矿山测绘任务展开全景勘查处理。与传统测绘手段相比，该技术适用性更加突出、功能更加完善。相关人员对该技术和无人技术展开联合运用，能够充分强化测绘效率。另外，该技术在恶劣环境下也可以顺利开展矿山测绘任务，同时还能够充分保证测绘精度。该技术能够以摄影中的相关信息为基础，借助相关软件实现模型创建，进而为工作人员创建具体的、全面的矿山模型，并且能显示特别真实的矿山纹理，为地质工作人员提供高精度的地理信息。无人机倾斜测量技术应用过程中，主要涵盖地面控制点测量、影像信息预处理、空三加密处理等环节。在数据处理过程中，工作人员可以利用配套软件实现高效、自动化信息采集以及传输目的。

应用该技术时，工作人员需要借助倾斜摄影系统完成测绘任务，而该技术在设备方面具有较高要求。特别是设备型号、镜头型号不同，其使用场景也有所不同，所以采购设备时，应该针对性选择镜头。在测绘实践中，需要通过特定摄影手段获取特定图像，然而不论选择何种手段，工作人员开展测量任务时，均应该保证像素超出3500w，确保进行倾斜摄影时，能够保证图像精度。工作人员在长期工作中，应该选择不同标准控制像素，可以保证与技术发展相适应，全面升级技术。开展测量工作时，要想保证飞机能够长时间工作，应该增加电池容量，为无人机提供充足的电能，另外还应该确保无人机不会被附近环境中电磁所干扰，进而确保无人机飞行安全。工作人员应该全面分析特定环境下的影响，保证无人机可以在恶劣环境中，开展1.5h以上的测量工作。同时工作人员在开展每次测量工作前，应该检测电池，为测量任务有序进行提供良好保障，另外，还应该定期开展无人机、摄像头等设备维保工作，以有效保障该技术的设备质量，进而高效完成下次测量任务。

1.2 无人机倾斜摄影技术应用价值

在矿山深部及外围地质情况勘查中采用无人机倾斜摄影技术能够提高工作效率，节约项目成本。利用无人机倾斜摄影技术完成多角度测量工作，能够充分满足工作人员的勘查测绘需求，同时，还可以大大减少整体勘查测绘次数，提高工作效率。传统的矿山地质勘查工作，需要多人去野外作业现场进行勘查并进行数据采集，由于野外环境艰苦，工作时间较长，效率不高。随着无人机摄影技术的发展，无人机数据采集和处理的自动化水平日渐提高，它利用前沿的计算机技术和无人机技术可以快速高效地完成传统野外测绘工作以及复杂的数据处理、3D建模工作，大大减少了人力资源的投入，工作效率也得到了很大程度的提升。同时，还能大大减少了雷雨等不良气候对工作进度的影响，降低野外因为环境恶劣造成工作人员安全事故的概率，保证项目安全、保质、保量地完成。因此，无人机倾斜摄影技术在矿山深部及外围地质情况勘查具有很高的应用价值。

倾斜摄影测量技术一般安装一个垂直和多个倾斜摄像头进行影像采集，能够从不同角度采集全方位高清晰影像，从而恢复真实的地物地貌情况，并能够清晰、完整地将被测目标纹路展现出来，进而为工作人员全面分析地物地貌和地质结构提供良好参考依据。另外，开展数据处理工作时，与传统测绘方法相比更加立体、直观，充分克服传统测量手段局限性。采用该技术之后，拍摄的单张图像中具有大量矿山信息，不仅能够以宏观层面分析矿山，另外，还能够以局部层面为切入点，分析矿山，对矿山具体状况与信息进行全面掌握，将传统测绘方法中一些局限性问题全面消除掉。

2 矿山实景3D模型建立方法及流程

建立真实的3D实景模型可以对矿山场景进行真实还原，与传统的人工建模方法相比，利用无人机倾斜技术建立三维实景模型更加自动化，工作效率更高，地理信息更加精确，纹理也更加真实。矿山实景3D模型建立流程见下图。

图1 矿山实景3D模型建立流程

（1）数据获取。利用无人机和GPS进行数据采集获取影像和控制点数据并进行预处理，按照软件要求整理相机参数、控制点以及POS数据，检查和筛选航片，删除模糊、畸变等不能用的影像，如果发现测区有漏洞、漏片或航带上连续出现对焦不准的航片，无法通过其他视角镜头获取的影像进行补充时，及时回馈给外业人员，进行补飞，并做好补飞记录。

（2）新建工程。利用ContextCapture等建模软件建立工程，确定工程路径、JOB路径等信息。

（3）相对定向。将预处理后的相机参数、影像数据、POS数据导入软件中进行多视角影像特征点密集匹配，并以此进行区域网的自由网多视影像联合约束平差解算，建立在空间尺度可以适度自由变形的立体模型，完成相对定向。

（4）绝对定向。量测控制点并再次进行平差，将相对定向后的模型纳入到地面坐标系统中，完成模型的绝对定向。

（5）三维重建。设置三维重建参数，提交任务后软件自动进行矿山3D实景模型建立及纹理映射。

（6）模型修饰。重建矿山模型后，利用DP-Modeler等软件对模型进行三角网及纹理裁剪，获取三维几何形状、纹理，通过漏洞填充、纹理修复等得到精细化的矿山实景3D模型。

3 无人机3D实景建模技术应用价值分析

3.1 可以采集多角度信息

基于传统摄影条件，勘查人员主要是采集垂直摄影信息，但是对于其他角度信息并不能够充分获取，进而开展地物测算工作时，无法借助1个角度图像对地物进行全面了解。然而无人机倾斜摄影技术能够保证此类缺陷得到充分弥补，其能够采集不同角度的地物信息，进而基于3D实景模型构建前提下，为测量工作顺利开展提供良好保障，有效强化测量质量。

3.2 具有较高的成像清晰度

采用无人机倾斜摄影技术开展航测工作时，因为安装多摄像头装置，所以可以实现高清摄影，同时能够实现不同角度摄影目的，进而能够将被测对象纹路清晰、完整地呈现出来。同时，进行无人机倾斜摄影过程中，在被测地物附近环境方面也能够清晰呈现，可以为勘查人员提供全面的信息参考[2]。

3.3 可以高度还原被测对象

还原被测对象时，一般需要根据相应步骤展开规范施工，可以为后续项目稳步跟进提供良好指导。另外，通过各种角度的信息能够为被测对象的还原提供保障，进而提高被测对象还原质量。

4 应用实例

4.1 无人机倾斜摄影系统

本次选择大疆M300无人机搭载睿铂DG35倾斜相机进行数据采集，飞行时长为45min。航摄仪参数如下：总像素为1.2亿；曝光间隔最小值为0.8s；侧视镜的倾斜角为45°；像元大小为3.9um；正射相机焦距为28mm；倾斜相机焦距40mm；传感器尺寸为23.5＊15.6mm。

4.2 测区概况与成图要求

测区为多边形，测区面积在0.6K㎡左右。海拔高度在30m～99m范围内，地形主要以丘陵形式为主，没有高大建筑物以及高山，飞行空域比较好。对于测图比例尺，要求为1：1000，平面部位的中误差控制在±0.6m内，等高线插点的中误差要求控制在±0.5m内，等高距要求为1m。

4.3 像片进行测量控制

在地面纹理特征比较明显的地物处、方便现场查找的特征点的区域布设像控点。布设原则如下：

（1）在选择像控点时，应充分考虑布点要求，将像控点的布设与布点方案结合在一起，选择地形测量对天通视良好且可以明确辨认的地物点和目标点；

（2）布设的标志应对空视角好，避免被建筑物、树木等地物遮挡；

（3）黑白反差不大，地物有阴影以及某些弧形地物不应作为控制点点位目标；

（4）像控点距相片边缘不小于1.5cm。

像控点的选取还需满足以下两个标准：

①像控点应尽量布设在航向旁向重叠的公共区域使控制点能够公用；②控制点应选在旁向重叠中线附近，离开中线的距离不应大于3cm，当旁向重叠过大或过小而不能满足要求时，应分别布点。

此次控制点选择区域网布点手段，像控点根据400m～500m距离进行像控点布设，共布设12个控制点。像控施测选择网络RTK测量手段，对于各个控制点，观测次数为2次，两次观测结果取平均值作为该像控点测量最终成果。平面坐标系选择2000国家大地坐标系，高程基准选择1985国家基准要求。借助检查与计算，分析高程中误差与平面中误差，保证相关参数满足规范标准要求[3]。

4.4 无人机航飞摄影

本次选择大疆M300无人机搭载睿铂DG35倾斜相机进行航飞摄影，基础背景图选择谷歌影像信息，对勘查区域范围进行确定，地面分辨率要求为0.05m,根据地面分辨率及周围环境设计航高为360m，旁向与航向重叠度分别为70%、80%。

4.5 制作实景3D模型

现阶段，实景3D模型软件主要有DP-smart、PhotoMesh、ContextCapture、StreetFactory、Pix4Dmapper、Smart 3D软件等。这些软件以GPU为基础可以对3D场景进行快速运算，并不需要人工干预即能够借助连续、简单的影像制作实景3D场景模型。

4.6 矿山的地形要素

此次矿山要素采集选择EPS测图软件，以此为基础的DLG数据采集工作选择2D、3D一体化方式，可以促使测量外业活动实现内业化发展，2D与3D符号相同，2D与3D编辑联动，简易、快速。

在该测区中，地形地貌是主要矿山地物，同时涵盖少量房屋、水系与道路构筑物，因此对于地形要素较为注重。借助EPS软件对实景3D模型的osgb格式进行加载，并不需要采用立体眼镜进行处理，可以在实景3D模型中直接采集地形要素。

5 精度分析

选择ContextCapture软件和Pix4D mapper分别建设3D模型进行对比分析。

（1）模型精度。①选择ContextCapture软件。进行空三结算、自动匹配特征点，借助电脑集群化开展3D建模处理，利用实测检查点统计分析模型位置精度：高程中误差为±0.067m，平面中误差为±0.051m。②Pix4D mapper软件，进行空三计算、自动匹配特征点，借助单电脑开展3D建模处理，利用实测检查点统计分析模型位置精度：高程中误差为±0.603m，平面中误差为±0.582m。对比发现ContextCapture软件的3D模型精度更高。

（2）纹理分析。借助对比山体、典型建筑纹理的各种软件精度进行对比。对于建筑物模型来讲，ContextCapture软件可以更好地保持建筑物纹理，清晰地显示建筑物棱角等细节信息。而Pix4D mapper软件建立的3D模型，并不能够清晰展示建筑物棱角等细节信息。对于植被模型与山体模型，ContextCapture可以更好地保护植被立体形状，山体中土路纹理非常清晰。而Pix4D mapper软件并不能够显示植被立体形状，只能够显示植被阴影，山体土路纹理非常模糊。

（3）色彩分析。借助对比两种软件在山体植被、道路与典型建筑色彩方面的建模精度情况。对原始图片和两种软件建立的模型色彩，对比发现，对于建筑模型来讲，ContextCapture软件建立的3D模型能够更好地保持建筑物色彩，和原始图片之间并无较大差异。Pix4D mapper软件建立的3D模型，基本上可以保持建筑物的色调，然而并不能够充分保持建筑细节色彩。对于山体植被以及道路模型来讲，Pix4D mapper软件与ContextCapture软件都可以对原始影像色彩进行充分保持，然而相比于ContextCapture软件，ContextCapture软件保持效果更加突出。

6 结语

综上所述，无人机3D实景建模技术成本低、效率高、精度高，在矿山深部及外围地质情况勘查中具有较高的应用价值。本文介绍了矿山实景3D模型建立的方法及流程，并利用ContextCapture等软件建立矿区实景3D模型，以模型纹理、色彩以及位置精度为基础展开分析，希望为相关单位采用无人机倾斜技术开展矿山实景3D建模工作提供参考。