無人機傾斜攝影技術(shù)在礦山地質(zhì)勘查中的應(yīng)用

趙 彬，狄廣禮

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第一地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 洛陽 471000）

我國礦物資源豐富，儲量較大且分布位置廣泛，但是正是由于礦物資源的分布范圍較廣，其開采工作情況較為復(fù)雜。如果沒有得到有效控制，極易造成礦山地質(zhì)災(zāi)害，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境破壞，嚴重時會發(fā)生山體滑坡、土體崩壞以及水土流失問題，甚至會危害當?shù)鼐用竦纳⒇敭a(chǎn)安全[1]。近年來，多個地區(qū)的政府都嘗試開展地質(zhì)勘查，但是開展地質(zhì)勘查之前都需要先了解當?shù)氐V區(qū)的開采現(xiàn)狀、地質(zhì)變化趨勢、邊界條件以及礦物儲存情況。開展地質(zhì)勘查工作主要是為了了解礦山環(huán)境中的地質(zhì)問題類型、潛在危害分布情況以及未來地質(zhì)變化趨勢，并且為后續(xù)區(qū)域治理奠定良好基礎(chǔ)[2-4]。

無人機傾斜攝影技術(shù)綜合測繪技術(shù)與遙感技術(shù)，近年來得到普遍應(yīng)用，該技術(shù)在環(huán)境適應(yīng)性方面具有較大優(yōu)勢，而且安全性、可視功能以及可持續(xù)使用功能受到眾多研究者的青睞[5]。有學者使用無人機傾斜攝影技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合，通過無人機采集的影像數(shù)據(jù)生成礦區(qū)的AR效果，提升勘查環(huán)境的真實性，實現(xiàn)精細化勘查，但是該項技術(shù)成本較高，仍舊需要進一步改進[6]；還有學者在利用無人機傾斜攝影技術(shù)勘查礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境時采用對比分析方式，從多個層面深入分析礦山區(qū)域地質(zhì)環(huán)境變化情況，獲得較為詳細的勘查分析結(jié)果，但是該方式過于復(fù)雜，仍舊處于研究階段[7]。

基于上述分析，本文提出在礦山地質(zhì)勘查中使用無人機傾斜攝影技術(shù)，獲得研究區(qū)域的基本圖像信息，以此為依據(jù)使用三維模型生成軟件獲得研究區(qū)域的三維模型，實現(xiàn)該地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境勘查研究。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河南省平頂山市，該礦區(qū)是河南省礦業(yè)產(chǎn)業(yè)改革后廢棄遺留下來的無人管理石灰?guī)r礦山區(qū)域，在開采階段遭受大量人為破壞，地質(zhì)環(huán)境以及生態(tài)環(huán)境均發(fā)生嚴重破壞。該礦區(qū)靠近西北側(cè)的山谷是石料主要開采區(qū)域，石料采集量約為20.83萬m3，礦區(qū)荒廢之后形成大量結(jié)構(gòu)松散石渣坡以及不計其數(shù)的石礦開采后的陡壁。該研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造方面具有背斜褶皺，斷層對該區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)造成破壞，只能歸類為中等類型地質(zhì)結(jié)構(gòu)。該研究區(qū)域整體地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜性較低。

2 礦山地質(zhì)勘查路線

無人機傾斜攝影技術(shù)在礦山地質(zhì)勘查中的應(yīng)用整體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 無人機傾斜攝影技術(shù)礦山地質(zhì)勘查路線Fig.1 Mine geological survey route of UAV tilt photography technology

本文礦山地質(zhì)勘查路線包含線路規(guī)劃、勘查點定位、數(shù)據(jù)采集等。在數(shù)據(jù)獲取后，使用三維軟件建立研究區(qū)域的三維模型，實現(xiàn)研究區(qū)域礦山地質(zhì)勘查，獲得最終研究結(jié)果。

3 數(shù)據(jù)采集與航點坐標定位

（1）數(shù)據(jù)采集。通過構(gòu)建三維模型實現(xiàn)研究區(qū)域的礦山地質(zhì)勘查，構(gòu)建模型之前需要先使用無人機獲取研究區(qū)域的實際情況，確定研究區(qū)域模型構(gòu)建范圍。本文研究使用搭載GPS定位模塊與高清攝像設(shè)備的小型旋翼無人機，該無人機材質(zhì)為全碳纖維結(jié)合鈦合金材料，傳感器芯片為工業(yè)級，無人機規(guī)格為936 mm×1 161 mm×689 mm，飛行時最大承重為13 kg，持續(xù)續(xù)航35 min，最大飛行半徑約為15 km，能夠抵抗7級以下強風，無人機上所搭載的傾斜航攝儀布置4個攝像頭，其中有3個45°傾斜鏡頭與1個下視鏡頭，最高像素為1億，曝光時間低于1/3 500 s，每間隔1.5 s曝光一次。

圖像采集時先使用無人機傾斜攝影技術(shù)，獲得研究區(qū)域中需要構(gòu)建模型的實景圖像，拍攝之前還需要提前規(guī)劃航線。規(guī)劃拍攝航線時，不能按照研究區(qū)域大小規(guī)劃，而是需要使航線范圍超出研究區(qū)域，同時航線與研究區(qū)域之間重合度需要達到75%以上，這樣才能保證收集的圖像數(shù)據(jù)較為完整[8-10]。

數(shù)據(jù)采集時需要關(guān)注圖像的清晰度，將采集后小角度拍攝與異常曝光圖像剔除。如果篩選之后數(shù)據(jù)數(shù)量不足以支撐模型構(gòu)建所需數(shù)據(jù)時，可以考慮重新采集圖像，圖像采集時需要不斷調(diào)節(jié)無人機的高度和拍攝范圍，合理調(diào)整拍攝點位置。數(shù)據(jù)采集完成后，根據(jù)圖像內(nèi)容定位研究區(qū)域中的相關(guān)目標信息。

（2）基于無人機傾斜攝影的定位研究。礦山地質(zhì)勘查中最為關(guān)鍵的部分就是定位研究，定位通過坐標確定[11-13]。使用無人機搭載攝影設(shè)備，可以使用攝影結(jié)果實現(xiàn)定位，通過計算同名光線交匯獲得定位坐標。同名光線交匯原理如圖2所示。

圖2 同名光線交匯原理Fig.2 Principle of ray intersection of the same name

圖2中的2個方形物體分別表示無人機采集的2個傾斜圖像，O表示物方焦點，O1和O2是在這2個傾斜圖像上的物方焦點投影，2個傾斜圖像的攝影中心分別使用T1和T2描述。只有獲取圖像的實時姿態(tài)，才能使用光線交匯原理實現(xiàn)最終坐標確定，也就是說需要掌握內(nèi)、外方位元素數(shù)值，才能構(gòu)建出預(yù)想的定位數(shù)學模型。使用該模型只需要對兩個圖像展開計算就能確定所需勘查點的坐標位置。定位數(shù)學模型也是一種共線方程，以該模型作為基礎(chǔ)，將傾斜與豎直圖像的旋轉(zhuǎn)與位移參數(shù)添加進去，把傾斜狀態(tài)的圖像向豎直狀態(tài)轉(zhuǎn)換，再開展計算，最終確定目標信息。

4 礦山地質(zhì)勘查三維模型構(gòu)建

用Photoscan軟件處理上文中確定的目標信息，以及圖像采集中獲得的其他數(shù)據(jù)內(nèi)容，排列計算圖像中的內(nèi)容，生成密集點云。

在點云基礎(chǔ)上，生成研究區(qū)域地物剖面線，將這些剖面線導(dǎo)入3D Mine軟件中，該軟件是一種經(jīng)常應(yīng)用在礦區(qū)山體地理信息勘查研究的軟件，使用該軟件能夠準確構(gòu)建研究區(qū)域中山體、溝谷的三維立體模型，該軟件包含的模塊能夠準確構(gòu)建出山體的變化趨勢以及區(qū)域地物形狀。模型構(gòu)建實際上就是先構(gòu)建緊密相連的數(shù)個三角面，內(nèi)部包含不透明的實體，逐漸連接最終形成一個連接在一起的網(wǎng)格整體[14]。在3D Mine軟件中加載剖面線后生成的模型形態(tài)如圖3所示。

圖3 3D mine軟件中加載剖面線后閉合效果Fig.3 Closure effect after loading profile line in 3D mine software

剖面線導(dǎo)入時可以使用圖3這種存在差異的顏色實現(xiàn)地物區(qū)分。使用三角網(wǎng)格連接剖面線，隨機選取任意2個三角網(wǎng)閉合線。以此為基礎(chǔ)，依次多段三角網(wǎng)連接，直到得到需要的完整三角網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，就可以使用鍵盤上的Esc按鍵結(jié)束網(wǎng)格連接[15-17]，此時初步構(gòu)建完成研究區(qū)域的模型構(gòu)建，部分區(qū)域三維網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4 部分區(qū)域三維網(wǎng)格模型Fig.4 3D grid model of some regions

對于圖4中這種連接到一起的三維網(wǎng)格，可以進一步完成編輯，例如紋理映射、表面重建、顏色調(diào)整等[18-20]。依據(jù)研究區(qū)域?qū)嶋H比例大小，調(diào)整模型極大極小坐標，構(gòu)建完全包裹的研究區(qū)域模型，最終實現(xiàn)單元模塊填充。通過最終生成的研究區(qū)域三維模型實現(xiàn)礦山地質(zhì)勘查，確定研究區(qū)域巖體穩(wěn)定情況和生態(tài)保護情況。

5 應(yīng)用效果

本文所研究的石灰?guī)r礦山已經(jīng)作出部分改造，使用所提方法能夠了解該區(qū)域開采石礦的情況以及地質(zhì)變化情況。研究區(qū)域部分影像如圖5所示。

圖5 研究區(qū)域部分影像Fig.5 Partial images of the study area

使用所提方法構(gòu)建研究區(qū)域三維模型，通過剖線連接、網(wǎng)格連接、紋理映射等步驟后，完成研究區(qū)域三維重構(gòu)，將研究區(qū)域中較為復(fù)雜的分布結(jié)構(gòu)中的細節(jié)充分體現(xiàn)出來。三維重建后的研究區(qū)域部分效果如圖6所示。

從圖6中能夠看出，使用所提方法重建的三維模型具有較為真實、良好的構(gòu)建效果，礦區(qū)實際結(jié)構(gòu)以及巖土結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)出真實狀態(tài)。為了驗證所提方法模型重建坐標與實際地物坐標之間的誤差情況，在實際環(huán)境與相對應(yīng)的重構(gòu)模型中隨機選擇多個對應(yīng)點，驗證定位準確性，結(jié)果見表1。

圖6 研究區(qū)域三維重建模型Fig.6 Three-dimensional reconstruction model of study area

表1 定位準確性驗證Tab.1 Positioning accuracy verification

從表1中的結(jié)果中能夠看出，所提方法的無人機傾斜攝影坐標與實際環(huán)境中的坐標基本一致。由此可以看出，所提方法的無人機傾斜攝影技術(shù)實現(xiàn)的坐標定位，均能呈現(xiàn)出良好的礦山地質(zhì)勘查效果。

高程檢測也是礦區(qū)勘查研究的重要指標之一，隨機選取對應(yīng)點，檢測高程定位準確性結(jié)果見表2。

表2 高程檢測Tab.2 Elevation detection

由表2可知，研究區(qū)域中實際高程檢測結(jié)果與本文所勘查結(jié)果一致，進一步說明本文使用無人機傾斜攝影技術(shù)勘查礦區(qū)地質(zhì)具有較高準確性。

本文所重建的研究區(qū)域三維模型已經(jīng)能夠充分說明所提方法的優(yōu)勢，但是目前研究領(lǐng)域中，大量需求數(shù)字劃線圖（DLG）和正射數(shù)字圖（DOM），本文所使用的方法功能強大，能夠在重建三維圖像基礎(chǔ)上生成DOM圖與DLG圖，生成結(jié)果如圖7所示。

圖7 DOM圖與DLG圖生成效果Fig.7 DOM diagram and DLG diagram generation effect

在本文所使用的三維模型中，添加一個編輯軟件轉(zhuǎn)換三維模型的格式，經(jīng)過繪制就可以生成DLG圖，這種通過三維圖像進一步生成的DLG圖具有更加立體的效果，且精度更高，生成等高線時，能夠得到更加準確的效果，同時在地物勘查測量方面具有更大優(yōu)勢。

在本文所構(gòu)建的模型上，只需要更加簡便的繪制方法，就能獲得DOM圖。由于本文所構(gòu)建的三維模型已經(jīng)具備紋理信息，且拍攝角度多樣，所以能夠滿足DOM圖生成過程中需要的填充像素效果，獲得DOM圖正射標準較高。

通過以上實驗分析結(jié)果可知，所提方法能夠準確捕捉研究區(qū)域中的地質(zhì)情況與環(huán)境情況。

6 結(jié)論

在礦山地質(zhì)勘查中，利用無人機傾斜攝影技術(shù)收集研究區(qū)域礦山地質(zhì)勘查圖像信息，以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建研究區(qū)域三維模型，用于實現(xiàn)礦山地質(zhì)與環(huán)境勘查。

（1）所提方法重建的三維模型具有較為真實、良好的構(gòu)建效果，礦區(qū)實際結(jié)構(gòu)以及巖土結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)出真實狀態(tài)。

（2）所提方法的無人機傾斜攝影坐標與實際環(huán)境中的坐標基本一致，能呈現(xiàn)出良好的礦山地質(zhì)勘查效果。

（3）研究區(qū)域中實際高程檢測結(jié)果與本文所勘查結(jié)果一致，表明使用無人機傾斜攝影技術(shù)勘查礦區(qū)地質(zhì)具有較高的準確性。

（4）所提方法能夠準確捕捉研究區(qū)域中的礦山地質(zhì)情況與環(huán)境情況。