基于無人機與Photoscan軟件的礦山地質環(huán)境三維立體建模及應用

李朋偉，王雁林,2，徐友寧

(1.長安大學地質工程與測繪學院，陜西 西安 710054；2.陜西省自然資源廳，陜西 西安 710082；3.中國地質調查局西安地質調查中心，陜西 西安 710016)

“兩山”理論是習近平總書記提出的“綠水青山就是金山銀山”科學論斷的簡稱。“兩山”理論所昭示的人與自然、生態(tài)與經濟的關系，為我們從生態(tài)文化角度重新審視生態(tài)文明建設提供了新視角。隨著“兩山”理論的推行和實踐，礦山地質環(huán)境防治工作愈發(fā)重要。而在礦山地質環(huán)境工作中，無人機的發(fā)展在技術層面具有十分重要的推動作用。

近十年來，小型無人機發(fā)展日新月異，國內出現(xiàn)了大量的民用小型無人機公司，無人機產業(yè)踏上了快速發(fā)展軌道。小型無人機遙感技術因其成本低、操作靈活便利等優(yōu)點，在地質調查中的作用愈來愈重要[1]。無人機技術可以為礦山地質工作提供豐富的數(shù)據(jù)資料，眾多工作者對無人機技術在礦山領域的應用做了探索。趙星濤等[2]使用無人機低空航攝對礦山地質災害做了探測方法研究；周文生等[3]用無人機結合人工目視解譯的方式統(tǒng)計了寧東能源基地羊場灣煤礦的礦山地質環(huán)境問題分布特征；張永庭等[4]使用無人機機載Lidar技術對馬蓮臺煤礦進行了采煤沉陷量監(jiān)測，平均誤差0.043 4 m。

目前無人機的應用已從二維影像階段進入三維立體階段?；跓o人機的三維建模軟件有很多，從運算方式上區(qū)分主要有兩大類：第一類為個人PC運算軟件，如Smart3D、OpenDroneMap、Pix4Dmapper、Agisoft Photoscan、Datumate等；第二類為云端運算軟件，如Altizure、Skycatch、DroneDeploy等。部分工作者已采用無人機立體建模方法開展了礦山地質環(huán)境方面的探索。王耿明等[5]基于無人機和Smart3D軟件建立實景三維模型對新豐鐵帽頂鐵礦礦山地質環(huán)境進行了監(jiān)測；張中雷等[6]使用無人機與Pix4Dmapper軟件對舟山露天采石礦山進行了實景建模并對模型在生產調度中的應用做了研究。王寧娜等[7]使用無人機與Smart3D軟件建立三維模型對廣西某稀土礦進行了礦山地質環(huán)境恢復治理評價。

相比于其他軟件一定的版權保護費用、云端生成模型的速度受制于網絡帶寬等限制條件，Photoscan軟件可以在本地終端處理數(shù)據(jù)生成模型，且是半開源的模型。Photoscan軟件基于影像自動生成高質量三維模型，無需設置初始值，無需相機檢校，它根據(jù)最新的多視圖三維重建技術，可以對任意照片進行處理，無需控制點，也可以通過給予的控制點生成真實坐標的三維模型。

NIETHAMMER等[8]曾使用無人機與Photoscan軟件來建立立體模型應用于滑坡分析；繆盾等[9]應用Photoscan軟件建立了亭子立體模型，并進行了精度研究，驗證了百幅以內的圖像建模誤差在1 cm以內；李濤[10]進行了Photoscan軟件地理建模的精度研究，經剖析該模型可滿足1∶500復雜地形測量要求。目前，在礦山地質環(huán)境領域尚無小型無人機與Photoscan軟件的三維建模與應用的案例。

本文采用大疆小型四旋翼無人機與開源版本的Photoscan軟件(1.4.3版本)結合的方法建立實景三維模型，調查并定量化研究了羊場灣一分礦南部約1 km2的礦山地質環(huán)境問題，最終分析并確立了此方法的可實行性、便捷性、低成本性等特點。該立體建模方法可為礦山地質環(huán)境調查評價提供一種新的手段，豐富和發(fā)展礦山地質環(huán)境調查評價手段。

1 研究區(qū)概況

寧東能源化工基地(以下簡稱“基地”)位于寧夏自治區(qū)的靈武市、鹽池縣等地，東西寬16～41 km，南北長127 km，總面積約3 500 km2，由橫城礦區(qū)、韋州礦區(qū)、靈武礦區(qū)、鴛鴦湖礦區(qū)、馬家灘礦區(qū)、積家井礦區(qū)、萌城礦區(qū)、石溝驛井田組成，包括7個礦區(qū)、21個井田和1個獨立井田[11]。

基地北臨毛烏素沙地南緣，南接黃土丘陵北界，地貌主要由剝蝕殘山、黃土梁、坳谷洼地、半固定沙丘組成，大部分地區(qū)土地利用類型為荒漠型草地?；貙僦袦貛Ц珊蛋牖哪畾夂騾^(qū)，干燥少雨、蒸發(fā)量大、水資源缺乏，水系多為季節(jié)性洪流沖溝。地表主要有西天河、邊溝、苦水河等河流，都表現(xiàn)出徑流量小且礦化度高的特征，無法有效利用。土壤類型以淡灰鈣土和風沙土為主，區(qū)域生物量低、植被恢復困難，多以草原帶沙生植被為主。

2000年后煤炭資源不斷加大開發(fā)規(guī)模，各礦區(qū)均不同程度地出現(xiàn)了地裂縫、地面塌陷和煤矸石占壓土地等礦山地質環(huán)境問題，以及河道采砂、洗煤廠污染水土環(huán)境、地表植被退化、水土流失等生態(tài)環(huán)境問題。持續(xù)開發(fā)對土地利用類型和植被類型產生了明顯的影響[12]。調查羊場灣煤礦地下綜采導致的礦山地質環(huán)境問題，其一分礦南部約1 km2區(qū)域內煤矸石山、地裂縫、地面沉陷等問題較為突出，在成圖與立體模型上效果較為明顯，故選該區(qū)域作為方法試驗區(qū)。

2 研究方法

2.1 無人機航拍照片獲取

首先，進行實地踏勘與無人機追尋進行定性定位調查，確定建模范圍。然后使用無人機獲取建模范圍實景影像，航拍時需要依次進行航線規(guī)劃、地面控制點布設、選擇航飛模式等步驟，如圖1所示。

圖1 無人機航拍照片流程Fig.1 Process of UAV aerial photo

航線的規(guī)劃應稍微超出研究區(qū)域范圍且具有較高的重疊度(超過70%)，以確保數(shù)據(jù)獲取的完整性。地面控制點布設要盡量均勻而且確保坐標精準。檢查飛行質量時注重影像的清晰度，篩除不利于成形的曝光、小角度的拍攝照片等(因拍攝角度使研究范圍面積占比小于三分之一)，若素材不夠應重新進行航拍。攝取時充分覆蓋測區(qū)范圍，盡量攝取不同高度、遠近的影像，并根據(jù)范圍大小選擇性布設地面控制點。本文使用的無人機為小型四旋翼無人機且應具有GPS模塊。

2.2 實景三維模型建立

對攝取的數(shù)據(jù)采用Photoscan軟件處理建立模型。Photoscan軟件處理流程以無人機航拍數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)作為起點，在照片滿足應用要求的前提下進行排列計算對齊，照片對齊后生成密集點云，在點云的基礎上建立立體模型、DOM和DEM。Photoscan軟件的整個工作流程無論是影像定向還是三維模型重建過程都是高度自動化的，十分便捷易于上手，其工作流程如圖2所示。對于已經建立的實景立體模型、DEM和DOM，通過目視解譯和Photoscan軟件中的測量功能可以評價并定量化分析部分礦山地質環(huán)境問題。

圖2 Photoscan軟件數(shù)據(jù)處理與模型建立流程圖Fig.2 Flowchart of data processing and model buildingof photoscan software

3 應用案例

3.1 數(shù)據(jù)采集與處理

本次使用的無人機型號為大疆Phantom 4 Advanced，飛行器與相機模塊參數(shù)見表1。無人機航行路線重疊率80%，最大相對飛行高度300 m，航拍線路如圖3中帶箭頭虛線所示。無人機拍攝照片共373張圖片，通過篩選不利于建模的照片后留下353張照片，建立立體模型如圖4所示。 本次航拍用時近1 h，后期軟件建模耗時3 h，電腦主要配置可供參考：CPU i5-8600、內存8 G、顯卡GTX1060 3 G。

圖3 航拍線路布設Fig.3 Layout of aerial circuit

圖4 三維立體模型Fig.4 Three-dimensional model

表1 大疆Phantom 4 Advanced無人機參數(shù)Table 1 Parameters of DJI Phantom 4 Advanced UAV

3.2 精度分析

根據(jù)地面顯著標識物，區(qū)域內控制點一共設立10個(其中4個為測量地裂縫并與模型測量作對比)，校驗點設立8個記為PX并提前記錄坐標。照片對齊優(yōu)化后生成密集點云，根據(jù)點云與控制點成立立體模型后，取8個校驗點的記錄坐標與模型讀取坐標進行精度對比。

點誤差統(tǒng)計見表2，結果顯示校驗點位平面中誤差為0.63 m，高程中誤差為0.15 m，誤差相比機載RTK和機載Lidar技術較大。點誤差相對穩(wěn)定，推測線誤差與面積誤差隨數(shù)值增大而減小。根據(jù)點位實測值和模型讀取值，分別取12條直線與三角形區(qū)域，按數(shù)值從小到大排列分別命名為LX、SX統(tǒng)計相對誤差見圖5，可見相對誤差隨數(shù)值增大而減小的趨勢。其中最小線段L1長198.62 m，相對誤差0.5%，最小區(qū)域S1面積2 867.54 m2，相對誤差0.9%。通過誤差分析可見該模型點精度較低，但長度與面積的計算精度較高且相對誤差均小于1%，同時相對誤差隨數(shù)值增大而降低。

表2 校驗點誤差Table 2 Checkpoint error

圖5 線段與面積相對誤差折線圖Fig.5 Lline chart of line and area relative error

3.3 礦山地質環(huán)境問題

煤炭資源的開發(fā)利用過程中，通常伴隨著地質災害、水文條件變化、棄渣侵占土地等一系列的礦山地質環(huán)境問題。寧東能源化工基地近年來礦產資源生產活動加大，地下綜合機械化采煤導致了大面積的礦山地質環(huán)境問題。選定的羊場灣煤礦研究區(qū)范圍內礦山地質環(huán)境問題主要有地質災害(地裂縫、地面沉陷)和棄渣侵占土地，下面以無人機和Photoscan軟件建立的三維立體模型對研究區(qū)范圍內的礦山地質問題進行分析。

3.3.1 煤矸石堆場

煤矸石是煤炭開采與加工過程中產生的固體廢棄物，其堆放不僅壓占大量土地，且易造成大氣、水、土壤等生態(tài)環(huán)境破壞[13]。羊場灣煤礦存在許多露天煤矸石堆場，野外調查顯示均位于礦區(qū)附近，在研究區(qū)范圍內亦發(fā)現(xiàn)有典型煤矸石堆場。利用建立的三維立體模型生成DOM如圖6所示，在DOM中可以清晰地觀察到研究區(qū)范圍內的所有煤矸石堆場并在圖中圈定出來。

圖6 DOM中矸石堆范圍Fig.6 Range of vermiculite and slag heap in DOM

圈定范圍后可以直觀地觀察到煤矸石堆場對周邊環(huán)境影響與治理情況，然后利用Photoscan軟件的測量功能讀取煤矸石堆場的面積和體積。煤矸石堆場的治理通常有覆土、植被綠化等復墾手段，并經常交叉運用?？捎^察出該煤矸石堆場緊靠公路且規(guī)模較大，侵占大量土地，周圍植被稀少。煤矸石堆場較新，仍有部分運矸車輛從西側進入矸石場作業(yè)，西部區(qū)域與中部區(qū)域已經覆土，東南部分區(qū)域還在新堆積且矸石場整體植被覆蓋度低。模型截圖和測量(過程見圖7)得出壓占面積約0.23 km2，堆積體積約1.27×106m3。

圖7 土地壓占面積、體積數(shù)據(jù)讀取Fig.7 Reading of land pressure area and volume data

3.3.2 地裂縫

地裂縫是礦產資源開發(fā)過程中常伴生的地質災害，受自然條件與地下綜合機械化煤炭資源開采影響，研究區(qū)產生一條明顯的地裂縫，為東北-西南向，呈直線形并在西南末端發(fā)生彎折。通過立體模型生成DOM后，可以顯著觀察到地裂縫的影響并測量其相關參數(shù)(圖8)。

圖8 DOM中地裂縫測量Fig.8 Ground fissure measurement in DOM

在DOM模型中能觀察其全貌，該地裂縫形態(tài)極為突出，顏色較周圍更深，且裂縫多有中斷，在DEM模型(圖9)中僅能看到隱約輪廓。 通過Photoscan軟件測量讀取該地裂縫的走向為32°、長度775.564 m，最大寬度為2.7 m。根據(jù)7號控制點、8號控制點、9號控制點和10號控制點距離計算該地裂縫走向32°、長度776.1 m，誤差為0.536 m。通過模型放大縮小功能仔細觀察其全段情況，發(fā)現(xiàn)該地裂縫未進行填埋等恢復措施，整個地裂縫絕大部分區(qū)域植被覆蓋條件較差，判斷其斷裂部位為人為填埋。

圖9 DEM地面沉陷區(qū)域與數(shù)據(jù)計算Fig.9 DEM ground subsidence area and data calculation

3.3.3 地面沉陷

研究區(qū)處于緩坡丘陵地區(qū)，由于長年的地下開采，地面上方的巖土體失去支撐，從而導致了地面沉陷。礦產資源開發(fā)利用中地面沉陷常與地裂縫相伴生，尋找地裂縫的同時，往往也能找到地面沉陷區(qū)域。通過DOM模型可以觀察到該沉陷區(qū)域但較難觀察到清晰的邊界，僅能在研究區(qū)北部看到一環(huán)狀區(qū)域。不過在DEM模型上可以清晰地觀察到地面沉陷區(qū)域。地裂縫與沉陷區(qū)特別靠近，幾乎為沉降區(qū)域的東邊界，通過DEM模型可以有效地分析地面沉陷問題。模型可以確定沉陷區(qū)域的輪廓、沉陷區(qū)域的面積、區(qū)域最低點相對沉陷量。

根據(jù)DOM和DEM可以綜合分析地面沉降區(qū)域的位置和輪廓，標記如圖9中白色邊框區(qū)域所示，并通過該軟件計算面積的出環(huán)狀沉陷區(qū)域面積約0.089 km2，讀取最低點高度與周邊平緩處高度得出地面相對沉陷量為2.6 m。

3.3.4 結果分析

建立三維立體模型后，利用Photoscan軟件的實景縮放功能，可以在高分辨率的條件下顯著觀察到研究區(qū)內煤矸石場、地裂縫和地面沉陷的界限、形態(tài)以及對周邊環(huán)境的影響和治理程度。 同時，利用模型的測量功能可以讀取到面積、體積、長度等參數(shù)。

研究區(qū)內煤矸石場規(guī)模較大，總面積約0.23 km2，堆積體約1.27×106m3，壓占大量土地。該堆場為新堆積成的矸石場地，仍有運矸車輛在場中作業(yè)，大部分區(qū)域覆土綠化，整體復墾程度較好；區(qū)內地裂縫長達776.1 m，無填埋等復墾措施；地面沉陷區(qū)域約0.089 km2，最低處沉陷量約2.6 m，部分區(qū)域被矸石壓占，面積有所減少。羊場灣煤礦一分礦南部該1 km2區(qū)域內除煤矸石場復墾程度較好外，地裂縫和地面沉陷區(qū)域治理相對較差，應及時科學防范，采取針對性措施，進行土地復墾。

3.4 建模方法優(yōu)點及可行性

綜上所述，小型四旋翼無人機結合Photoscan軟件的三維立體建模方法在礦山地質環(huán)境調查中應用是可行的。小型四旋翼無人機相比機載紅外、機載Lidar、機載RTK等設備購置價格較低且使用與維護較為方便，同時舊版本開源的Photoscan軟件可免費在公眾領域獲得，設備與軟件使得該方法可有效地控制成本。小型四旋翼無人機操作簡單易上手。Photoscan軟件具有高度的自動化，只需要在軟件里進行人工照片篩選和控制點導入即能建立模型。無人機航拍與建模過程只需要近4 h(該時間為筆者電腦配置所耗時間，配置已在前文中列出，數(shù)據(jù)僅有一定參考性)。相比傳統(tǒng)測量節(jié)省了人力物力，進一步降低了成本，并體現(xiàn)了便捷的優(yōu)點。

小型四旋翼無人機與Photoscan軟件建立的模型雖然在計算方面點精度低于機載Lidar與機載RTK等高成本方法，但在線段與面積的計算上精度較高。其線段相對誤差小于0.5%，面積相對誤差小于1%，兩者的相對誤差隨數(shù)值增大精度進一步降低，該方法在1 km2內可做到較高精度的測量。

4 結 論

1) 小型四旋翼無人機結合Photoscan軟件建立三維立體模型的方法在礦山地質環(huán)境調查中的應用是可行的。此方法較之傳統(tǒng)測量和機載RTK、機載Lidar等技術方法能更好地控制成本，具有便捷的優(yōu)點。該方法為礦山地質環(huán)境調查提供了新的立體建模手段，

2) 結合地面控制點與無人機GPS模塊在1 km2范圍內可以做到較高精度的長度和面積的測量，其中長度相對誤差小于0.5%，面積相對誤差小于1%，隨數(shù)值增大相對誤差減小。構建的立體模型能夠直觀且較準確地定量評價礦山地質環(huán)境問題(如煤矸石堆場面積、體積；地裂縫長度、寬度；地面沉陷面積與沉陷量等)。

3) 本次研究依然有許多不足之處：首先，模型點誤差相對于其他方法較高；其次，對無人機攝取圖片的數(shù)量、高度、角度等方式與模型精度的相關性并沒有做深入探索；最后，還有不同電腦配置的建模耗時沒有做出對比，理論條件下更高配置耗時更短。