小型無人機傾斜攝影三維建模技術在礦山地質環境治理中的應用

劉天奇

（中化地質礦山總局福建地質勘查院，福建 福州350013）

1 小型大疆Phantom4Pro RTK 無人機性能

精靈Phantom 4Pro RTK 是一款小型多旋翼高精度單鏡頭航測無人機，配備1 英寸2 000 萬像素CMOS。 具備厘米級導航定位系統和高性能成像系統，便攜易用。 精靈PhantomPro 4 RTK 集成RTK 模塊，RTK 模塊下備有高靈敏度GNSS 系統，定位系統支持連接D-RTK 2 高精度GNSS 移動站，可通過4G無線網卡或WiFi 熱點與NTRIP （ 通過互聯網進行RTCM 網絡傳輸的協議） 連接。 系統提供衛星原始觀測值與相機曝光文件，支持PPK 后處理，不受限于通信鏈路與網絡覆蓋。 App 幫助用戶可在選擇航線的同時，調整重疊率、飛行高度及速度、相機參數等。

2 項目實例

福州某山采石場，面積15 萬平方米，為了地質環境治理的需要，需要獲取本項目1 ∶500 比例尺地形圖、1 ∶500 比例尺橫斷面圖。 場地地形復雜，采石場經過多年開采形成一道道雜亂陡坎，到處是亂石堆和一個個深坑，不利于測繪人員攀爬行走，采用傳統全站儀獲取數據較為困難。 為了提高外業測量工作效率和降低成本，采用大疆單鏡頭Phantom4Pro RTK 進行傾斜影像測量建模方法，再利用三維模型測制1 ∶500 比例尺地形圖和利用DSM 測制1 ∶500比例尺橫斷面。 三維建模軟件采用Bentley 公司Smart 3D 軟件。

2.1 數據采集

基于Phantom4Pro RTK 無人機傾斜攝影技術生成三維模型的數據采集階段主要為：場地選擇，航向規劃與飛行設置，空中與地面數據采集等幾個部分［1］。 通過無人機航攝技術進行正攝及前視、左視、右視與后視共5 個不同的角度采集影像原始數據，除正攝外，其他4 個角度調整相機鏡頭傾斜角度為60°，航向重疊80%，旁向重疊70%，飛行高度90 m，共進行5 架次航拍，獲取2.5 cm 分辨率的照片999 張。 并進行像控點測量，共測量7 個點，并按不同高程均勻布設。

2.2 數據處理

數據處理階段主要為：數據預處理、數據導入、空中三角測量、生成三維模型、DOM、DSM 六大部分。

（1）數據預處理。 在得到傾斜攝影數據后，數據預處理，首先檢查影像數據和POS 數據是否一一對應，然后檢查影像數據是否清晰、有無大范圍的模糊遮擋現象等質量問題。 由于傾斜攝影像機在地物數據獲取過程中，各條航帶所獲取的地物數據在時間與角度各不相同，會造成各個影像數據在光線強度、色彩亮度上存在差異，影響后期三維建模的精度和效果。 因此需對影像數據進行勻光勻色處理。 最后，由于無人機原始POS 數據中的GPS 數據是WGS84 坐標系，需要根據項目需求坐標進行坐標系的轉換工作［2］。

（2）原始數據導入。 照片數據、POS 數據、像控點數據、 相機參數分別導入Smart 3D 軟件， 由于Phantom4Pro RTKPOS 數據數據直接寫在照片里，SmartD 軟件讀取照片時，可以直接讀取POS 數據，不用再導入POS 數據。

（3）多視角影像空中三角測量。 空中三角測量處理具體流程為：將一個垂直鏡頭和四個傾斜鏡頭所得到的影像進行連接點自動匹配，對獲取的特征點采用多像密集匹配技術自動匹配同名點，然后進行粗點檢測，構建自由網，輸入像控點坐標，進行刺點后進行光束法區域網平差，根據平差結果進行反復調整，包括參數設置、像控點刺點位置調整，直到空三結果滿足所需要求，最后得到空三結果報告，以供后續三維重建使用。

（4）生成三維模型

三維模型的生成流程：設置模型空間參考系統、三維模型格式、生成三維模型范圍等，最后生成三維模型如圖1 所示。

圖1 三維實景模型

2.3 傾斜攝影輸出成果數據

在進行空中三角測量計算、生成礦區3D 地形模型成果后、可以再生成、輸出相應項目的DOM（正射影像圖）、DSM（數字表面模型），以供瀏覽和后期加工如圖2 所示。

圖2 正射影像圖

2.4 地形圖和橫斷面圖繪制

（1）地形圖繪制。 將構建好的實景三維模型導入清華山維EPS 三維測圖系統，利用三維模型進行全要素采集。 通過構建一體化的多視角三維測圖環境，形成嚴格成像關系下的精密重建，彌補了下視影像的視角、分辨率、遮擋等局限。 實現了在真三維環境中高精度的地形采集、屋檐改正、部件測量、地貌采集等，大幅降低外業調繪的工作強度，保證地形圖繪制質量，提高了生產效率。 利用清華山維EPS 數字化成圖軟件平臺無需佩戴立體眼鏡，可以降低對內業繪圖人員的要求，一般會測繪地形圖人員都能操控如圖3 所示。 （2）橫斷面圖繪制。 將DSM 數據導入Global Mapper 軟件，軟件會根據指定線段自動生成橫斷面圖如圖4 所示。

圖3 三維測圖

圖4 生成橫斷面圖

3 結果及分析

3.1 精度評定

（1）模型的精細度。 模型的精細度檢查主要在Pix4d Mapper 或其他軟件平臺，透過對模型放大、旋轉瀏覽，從多個角度觀察模型各類地理要素、地物的紋理等與實地場景比對，結合《三維地理信息模型數據產品規范》［3］要求進行判別。 經過瀏覽檢查，本項目模型結構完整、地理各類要出齊全，模型沒有存在模型缺失等問題。 各類地物紋理、色澤、形狀、空間位置相對關系實景吻合。

（2）模型幾何精度評定。 模型幾何精度包括平面精度和高程精度這兩個方面的評定指標，本項目共在現場均勻布設了12 點平面、高程檢查點，三維模型檢測精度如表1：

表1 3D 三維模型精度評定表/ m

從表1 可以看出三維模型平面最大點位誤差0.268 m，平 面 點 位 中 誤 差 ± 0. 091 m （ 平 面中＝ ±）。 最大高程誤差為0.162 m，高程中誤差±0.131 m （H中＝ ±）。 依 據 《 工程測 量 規范》［4］要求1 ∶500 比例尺地形圖平面中誤差為±0.3 m，高程中誤差平地±0.17 m、丘陵±0.25 m。 三維模型平面點位中誤差0.091 m 規范規定的±0.3 m，高程中誤差±0.131 m 規范規定的±0.17 m，三維模型其平面、高程精度符合要求。

（3）模型高度精度評定。 模型高度精度評定：通過實測各類地物的高度與模型中量測高度進行比對評定模型高度精度［3］。 共在現場采用手持測距儀量測共12 段建筑物高度，并在模型當中相同位置量取12 段建筑物高度。 模型高度精度評定結果如表2。 模型高度中誤差為±0.20 m，根據《三維地理信息模型數據產品規范》規定，1 ∶500 比例尺成圖高度中誤差為±0.50 m，高度中誤差為±0.20 m 規范規定的±0.50 m，模型高度精度符合規范要求。

表2 3D 模型高度精度評定表/ m

3.2 傾斜攝影三維模型法測圖與常規測圖方法對比具有明顯優勢

（1）效率高：常規采用全站儀、GPS RTK 完成本項目外業地形和橫斷面數據采集需要人員2 ～3 人，時間需要2～3 d，而且人員需不斷爬上爬下，勞動強度大。 采用精靈PhantomPro 4 RTK 傾斜攝影三維模型法測圖外業數據采集只需一個人半天就輕松可以完成。

（2）限制少：非接觸性測量，不受地形條件限制。

（3）精度高：采用常規方法測圖，特別是人工難以到達的地方，要控制好這些點的點位平面和高程精度非常困難，傾斜攝影三維模型法測圖輕松解決，且精度滿足規范要求。

（4）成果數據多樣化：能提供DOM、DSM、3D 地形模型、地形圖、橫斷面圖。

3.3 存在問題和解決辦法

（1）存在問題。 無人機傾斜攝影在對于地形、地物進行自動拍攝時，有些地物遮檔厲害，可能造成有些地物自動拍攝時漏拍，制作出來的三維模型，某些地方存在模型缺失等一系列的問題，造成了局部模型的不完整性。 無人機傾斜攝影無法獲取植被覆蓋的原地面模型，這是無人機傾斜攝影技術硬傷所在。

（2）解決辦法。 對于有些地物遮擋厲害，造成有些地物自動拍攝時漏拍，造成三維模型的局部不完整性的，可以在外業采用手動方式進行補拍，從而將三維圖像創建得更加完整。 植被覆蓋原地面只能采用傳統全站儀方法進行人工補測，獲取原地面高程。

4 結語

經過對項目的研究，可以看出，無人機傾斜攝影三維建模在礦山地質環境治理中獲取礦區地形圖方面具有很大的優勢，通過DOM、3D 地形模型設計人員可以很直觀的在室內看到礦山治理前的情況，通過DSM，設計人員隨地方便提取任意線段橫斷面圖，不用再到實地測量橫斷面，而傳統的測繪方法只能提供單一的地形圖。 無人機傾斜攝影三維建模不僅作業速度快，減少外業工作量及成本，不僅能提供地形圖，而且還能提供DOM、DSM、3D 地形模型等數據成果，通過這幾種成果結合使用，效果突出，小成本大疆Phantom4Pro RTK 無人機傾斜攝影三維建模，通過3D 地形模型繪制1 ∶500 地形圖在該礦區中能夠滿足規范的要求，可在以后的小型礦山治理建設中發揮更大的作用。