基于无人机倾斜摄影与激光扫描的露天矿山三维模型构建与应用研究

摘要：露天矿山地形起伏大、构造复杂，为解决露天矿山传统测绘难度大、不安全的难题，提出了利用无人机倾斜摄影和三维激光扫描技术进行三维模型重构，得到倾斜实景三维模型、三维激光点云模型等多源数据的方法，并对模型精度进行了实地验证。经实际应用，此种方法解决了无人机竖直航摄、无人机倾斜摄影的一些问题，在露天矿山土方量算、生态评估、地图制作、工程规划等方面具有较好的应用价值。

关键词：露天矿山无人机倾斜摄影三维激光扫描实景三维模型三维点云

中图分类号：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

在党的十九大报告中，习近平总书记指出“必须树立和践行绿水青山就是金山银山的理念”，绿色矿山建设成为湖南省矿业发展的必然趋势。在绿色矿山建设过程中，露天矿山的测绘工作非常重要。矿山勘查、规划设计、生态评估、工程施工、土方计算、地质监测、生态修复等各方面工作都离不开测绘成果。但传统的GNSS等测绘技术具有工作强度大、周期长、成本高的缺点，而且在露天矿山测绘中，陡坡陡崖、滑坡、坍塌等问题给RTK外业测量带来严重的安全隐患；而近年发展迅速的无人机航测技术，现在使用较多的仍是竖直中心摄影，获取3D产品（DEM、DOM、DLG）以此来辅助露天矿山测绘工作。在地形复杂、高低起伏大的露天矿区，该技术很难获得良好的三维空间精度，且其地形地貌、表面纹理信息不直观，无法满足现代绿色矿山建设的各项工作需求。

近年来，随着科技迅猛发展，新型无人机测绘技术越来越广泛地应用到露天矿山测绘中来。闻彩焕等人[1]将无人机倾斜摄影测量技术应用于露天矿生态修复研究中，西安石油大学左东治等人[2]利用三维激光扫描点云构建三维数字矿山模型。然而，单纯的无人机倾斜摄影与三维激光扫描技术都有其缺陷，本文以湖南省衡阳市尚卿矿业关市铁矿部分区域为实验区域，拟利用多源数据构建复杂地形地貌的露天矿区的三维模型，探索其技术特点与应用场景，拓宽新型测绘技术的应用边界。

1矿区概况

矿区位于衡阳县关市镇拖壁塘村，属侵蚀构造低山丘陵地貌。矿区高差极大，地形最高点位于生态修复区北西部，海拔标高668.4m，最低点位于矿区东北部下源江冲，海拔169.5m，地形坡度多为30°～40°，最大坡度达50°。建模区域主要包括338、389两个矿洞口、洞口破碎厂、工业广场及四处废石堆。该区域最高点与最低点间高差接近300m，地形复杂、岩壁陡峭、树木繁多，从高空俯视遮挡严重，为传统现场调查和无人机航摄带来了巨大挑战。

2无人机倾斜摄影三维建模

无人机倾斜摄影三维建模的作业流程如图1所示。

从工序流程上，主要分为两个阶段：倾斜摄影数据采集阶段与倾斜影像数据处理阶段。

2.1无人机倾斜影像采集

影像采集前，在任务区的东部、中部与西部布设6个像控点，用于提高模型空间精度，因矿区缺乏位于平地、易于识别与定位的细小地物拐点（如斑马线、箭头、晒坪直角等），提前在指定位置的平地上绘制了“L”形直角标识，并采用RTK采集了像控点的三维坐标。其相对平面精度与高程精度在5cm以内。

矿区倾斜影像采集使用飞马D2000无人机搭载OP3000倾斜像机完成。该像机配备五向镜头，包括1个焦距为25mm的下视镜头，4个焦距为35mm的倾斜镜头。为满足建模要求，航线重叠度设置为：航向80%，旁向70%，下视镜头地面分辨率为3cm。

在普通地区进行无人机航摄时，一般基于任务区的地面最高点来进行航高设计，其目的是为了确保安全飞行高度，避免炸机风险。但本露天矿区内高差极大，如果采用统一航高，一方面会大大降低地面分辨率，同时也会难以完整采集陡峭岩壁侧面纹理。本矿区采用了无人机仿地航摄技术采集数据。基于测区DEM，共设计17条航线，变高点91个，相对地面高度140m。最终采集影像6165张。

2.2无人机倾斜影像处理

矿区气流散乱，影像资料存在重叠度不规则、影像畸变较大、色差与亮度差较大的问题。本次先检查了影像重叠度，进行了像片畸变校正、匀光匀色，使影像成果变形减小、整体色调色差一致，然后再在ContextCapture软件中进行三维重建。其具体步骤参照了闻彩焕等人[1]的实验步骤。

倾斜三维模型纹理清晰、层次丰富，可视性强，且非常方便进行三维量测，相比正射影像，具有明显的优势，如图2所示。

3三维激光点云模型重构

无人机倾斜摄影在多遮挡、多层、结构复杂的矿区无法准确表达所有地貌特征，如矿洞、废采区、修复林区等地貌。为此，本项目采集了三维激光点云数据用于构建精细白膜。为精确重建露采场岩壁以及矿山各功能区立面模型，补充遮挡、空洞、缝隙等点云漏洞，本项目从空、地同时采集任务区点云数据[3-4]。

空中，采用大疆M300型无人机搭载禅思L1激光雷达镜头采集三维点云数据。航摄范围沿用倾斜摄影任务范围，采用变高飞行，相对航高140m，航线数7条，点云密度约每平方米60个点。地面，采用FAROS70地面三维激光扫描仪采集了388#矿井口及工业广场的点云数据。

三维激光扫描工作原理为：由激光雷达镜头发射固定波长的激光束，控制器记录激光束发射姿态，接收回波并解调、分析其相位变化，以此计算发射与接收的时间间隔，推算被测目标的距离。根据GNSS定位数据、光束姿态、与目标间距离，即可直接解求目标点云空间坐标。

将采集的地面点云与机载Lidar点云分别进行预处理，输出为CGCS2000坐标系统下的标准Las格式点云，在国产点云处理软件华测CoProcess中，利用同名特征地物，对二者进行配准、融合，并进行分类与滤值等操作，制作三维点云模型数据。部分模型场景如图3所示。

4模型精度对比

评估多源三维模型精度，本测区采集了33个精度点用于对比分析。其中，高程精度点25个，一般位于道路、边坡、开掘坪等地形高程位置，平高精度点8个，一般选取在建筑角点、加固坎角点等三维特征明显的位置。以RTK实测点为基准，通过倾斜摄影实景三维模型、机载Lidar与地面三维激光扫描融合点云、现场RTK实测的精度对比，分析多源三维模型重构的准确性。

在对比过程中，发现高程与平面精度没有明显偏差。对对比结果进行简化，将高程检查点与平高检查点结果进行统一，详细分析如表1、表2所示。

值得注意的是，对倾斜摄影实景三维模型和机载Lidar与地面三维激光扫描融合点云直接进行对比，两者在道路、废石边坡、工业广场、房屋、工棚等裸露、连续的表面重合度非常高，在矿洞周边、建筑周边、道路边线等区域则时常出现较大误差。经分析：一方面可能由于二者未共用控制点，以及采用不同的遥感姿态恢复方法，会在空三或三维重建中出现系统误差；另一方面可能由于空中、地面点云配准造成系统误差。

5多源三维模型在矿山评估中的应用

5.1矿体量算

传统矿体体积计算方法主要是采用块段估算法。主要是将待估算矿体分割为若干块段，再根据块段投影面积和平均厚度计算块段体积。该方法精度较差，很难满足复杂矿山体积量算的需求。在多源三维模型中，可由倾斜实景三维模型人工识别目标矿体范围（见图4），再经由三维激光点云成果以及预计高程（见图5），将目标区域划分为若干方格，对每个方格按长方体进行体积计算。最终求和得到目标矿体体积。

5.2生态现状调查

多源三维模型数据可视化强，纹理丰富细致，地表精度高，可基于三维场景、专题图纸判定生态现状，再进行现场补调，能大大提高效率，对矿壁、堆石场等陡峭地貌调查的安全性大为增强。

如图6所示，可根据实景三维人工判断废石堆复绿情况，对细节的判读还可判定矿区主要树种等。

5.3辅助工程建设规划

实景三维模型可以提供可视化效果，使工程规划更直观；三维点云模型与倾斜摄影三维模型能提供露天矿山空间构造，帮助设计建造坡度、间距、形制等，并能辅助精确计算面积、土方、工程量。在王堃[5]等的研究中，倾斜三维为矿山建设规划制定提供了强有力的底图支撑（见图7-a）。在本文的研究中，通过倾斜三维和点云模型的三维地形构造，辅助了废石堆复垦等一系列生态修复工程设计（见图7-b）。

6结语

本文对地形起伏大的复杂矿区构建了多源三维模型。经检测，三维点云模型精度略高于倾斜模型数据，其综合精度达到5cm级别。利用多源三维模型，绘制了矿区矢量图与专题地图，辅助制作了等高线图，量算了废石堆体积，助力了矿区生态现状评估与生态修复工程设计[6-7]。

根据多源三维模型的应用情况，其优点主要有：（1）相比传统测绘手段，安全、高效；（2）实景三维模型纹理细节丰富，可视性强，能直观辨认地形变化、地物类型；（3）三维激光点云对树层下、岩壁等功能区重建效果良好，能更准确描述露天矿区实际构造；（4）三维模型易量测，在土方量算、现状调查、工程规划等各方面都有较强的应用价值。

基于此技术的优点，其未来应用前景广阔，在绿色矿山建设中还有较大的开发应用空间。

参考文献

[1]闻彩焕，王文栋.基于无人机倾斜摄影测量技术的露天矿生态修复研究[J].煤炭科学技术，2020，48（10）：212-217.

[2]左东治，周婷.基于激光扫描的精准三维数字矿山模型构建及应用[J].电子技术与软件工程，2022（3）：251-254.

[3]黄宣东.无人机倾斜摄影技术在矿山生态修复的应用[J].现代矿业，2021，37（4）：219-222.

[4]孙丽红，朱大明，李勇发，等.基于倾斜摄影测量的矿山生态修复规划应用[J].城市勘测，2021（2）：87-91.

[5]王堃，周桂松，张浩，等.基于实景三维建模技术的绿色矿山规划研究与应用[J].采矿技术，2020，20（6）：10-12.