無人機傾斜攝影測量在柳江盆地實景三維資源建設中的應用

摘 要：隨著無人機技術的發展，無人機目前已廣泛應用于民用領域，相應的圖像數據處理軟件也在迅速推進。該文基于傾斜攝影測量技術，通過飛行載體，搭載單個相機獲取秦皇島柳江盆地石門寨西門-瓦家山地區傾斜攝影數據影像，并使用大疆智圖軟件處理影像，構建野外地質教學實習路線大區域、高精度的實景三維模型，為實習提供重要地形地貌資料數據。

關鍵詞：無人機傾斜攝影測量；實景三維資源建設；地質教學實習；無人機技術；數據處理

中圖分類號：P231 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）31-0193-04

Abstract： With the development ofUAV technology， UAVs are now widely used in civilian fields， and corresponding image data processing software is also rapidly advancing. Based on tilt photogrammetry technology， this paper acquires tilt photographic data images of the West Gate of Shimenzhai and Wajiashan area in Liujiang Basin， Qinhuangdao through a flying carrier and a single camera， and uses DJI Intelligent Map software to process the images to build a large area of field geological teaching and practice route， high-precision real-life three-dimensional model provides important terrain and geomorphological data for practice.

Keywords： UAV tilt photogrammetry; real-life 3D resource construction; geological teaching practice; UAV technology; data processing

隨著科技的進步和信息化時代的到來，傳統的二維地圖已無法滿足現代社會對于地理空間信息精準化、立體化的需求。因此，在2019年初，中國自然資源部著手啟動了“十四五”期間的基礎測繪工作，以及“實景三維中國”項目的編制工作。這一項目旨在通過構建高精度、大規模并具有共享性的三維模型數據，以推動數字城市建設和智能化發展[1]。中國科學院與中國工程院“兩院”院士李德仁先生，在提及“實景三維中國”建設時，強調了“條件成熟，越快越好”的重要性。他的話語不僅反映了該項目的緊迫性，也表明了三維建模技術發展的必然趨勢。隨著技術的不斷進步，三維模型的精度和應用范圍也在不斷擴大。它們不僅能為城市規劃提供直觀的參考，還能在災害預防、環境保護、旅游展示等多個領域發揮巨大作用，極大地促進了城市管理智能化和精細化水平的提升。“實景三維中國”不僅代表了基礎測繪工作的一個重大突破，也標志著我國在三維數字化建設方面邁出了堅實的步伐。它不僅將極大提高我國在地理空間信息服務方面的國際競爭力，更為未來的智慧城市建設奠定了堅實的基礎[2]。

地質教學實習作為地質學教育體系中不可或缺的一環，對于培養學生的實踐能力、加深理論知識的理解和應用具有至關重要的作用。然而，傳統的地質教學實習方式往往受到地理條件、時間、安全等多重因素的限制，導致實習效果不盡如人意。尤其在復雜的野外地質環境中，學生往往難以全面、深入地了解和掌握地質現象及其規律。這不僅影響了學生對地質學的興趣和熱情，也制約了地質學教育的質量和效果。

隨著科技的飛速發展，無人機傾斜攝影測量技術應運而生，為地質教學實習提供了新的可能性。無人機傾斜攝影測量技術以其高效、精確、靈活的特點，在地質領域的應用逐漸展現出廣闊的前景。該技術通過搭載高清相機等傳感器設備，從多個角度對目標區域進行拍攝，獲取豐富的紋理信息和地形數據。相較于傳統的測量方法，無人機傾斜攝影測量技術具有更高的效率和精度，能夠更全面地反映地質現象的真實情況。

因此，本文將詳細探討無人機傾斜攝影測量在野外地質教學實習路線實景三維資源建設中的應用，通過對柳江盆地石門寨西門-瓦家山地區進行無人機傾斜攝影測量及實景三維資源建設，以期通過這一創新技術，為地質教學實習帶來革命性的變革，提升實習效果，促進學生更好地掌握地質知識和技能。

1 無人機傾斜攝影測量技術概述

無人機（Unmanned Aerial Vehicle， UAV）這一概念，起源于20世紀20年代的軍事領域。英國軍事航空學會率先探索了無線電操控飛機的可能性，旨在不將飛行員暴露于危險中而實現偵察和攻擊任務。美國于1917年研發并成功試飛了第一架原型無人機，標志著無人機技術在軍事領域的初步應用[3]。

自誕生之初，無人機就承載著人類對空中智能作業的夢想。經過一個世紀的發展，特別是隨著電子技術、計算機科學、人工智能及材料工程的飛速進步，無人機已經由單一的軍事用途拓展到了廣泛的民用和科研領域。

在地理信息系統（GIS）領域，Bernard等[4]研究者利用大疆精靈3無人機采集了航空影像，并結合結構從運動（SFM）算法計算得到數字高程模型（DEM），揭示了北極某區域由于積雪和結冰造成的冰川體積變化。此類研究不僅展示了無人機在極地等惡劣環境中的適用性，也為全球變化研究提供了新的數據獲取手段。

城市規劃與道路管理是另一重要應用領域。Inzerillo等[5]在意大利巴勒莫大學校園內進行了道路破損檢測實驗。他們通過無人機采集圖像并生成3D模型，與傳統地面激光掃描結果進行對比分析，證明了無人機在城市基礎設施維護方面的潛力和優勢，特別是在自動化檢測和提高安全性上。

對于火山地貌的研究同樣離不開無人機的助力。Fedele等[6]學者結合無人機和數字攝影測量技術，獲取了高密度三維點云和數字正射影像。通過構建時間序列的數字地形數據，精確監測活火山的地形變化，這不僅減少了科研人員的風險，同時提高了數據的質量和可靠性。

無人機傾斜攝影測量技術是一種基于無人機平臺的先進測量技術，它結合了無人機的靈活性和傾斜攝影的高精度特性，為地質領域提供了一種全新的數據獲取方式。該技術通過搭載高清相機等傳感器設備，從多個角度對目標區域進行拍攝，獲取豐富的紋理信息和地形數據。這種多角度的拍攝方式使得獲取的數據更加全面、細致，能夠更真實地反映目標區域的地質特征。

在地質領域，無人機傾斜攝影測量技術的應用已經越來越廣泛。它不僅可以用于地形地貌的精細測量和分析，還可以用于地質遺跡的保護和監測、礦產資源的勘查和開發等方面。通過無人機傾斜攝影測量技術獲取的數據，可以為地質學家提供更加全面、準確的地質信息，有助于他們更好地理解和解釋地質現象，為地質研究和教學提供有力的支持。

2 野外地質教學實習路線實景三維資源建設需求分析

位于河北省秦皇島市撫寧縣石門寨鎮的上莊坨村附近，坐落著一處占地約23萬m2的地學研究寶地——柳江地學實習基地?；谠颖鼻鼗蕧u煤礦學校校址，該基地利用柳江盆地獨有的地質景觀資源，為地學愛好者提供了一個實地研習的理想環境。

2011年，郝偉等學者在體驗式地質教學領域邁出了重要一步。他們運用虛擬現實和計算機圖形技術，精心打造了以柳江盆地石門寨西門-瓦家山地區的地質結構為基礎的三維模型。這一成果，借助Virtools平臺的強大功能，實現了一套虛擬地學認識實習系統，不僅豐富了教學內容，還提升了學習效率。2012年，龔文峰等深入剖析了傳統野外實習的局限性，并提出了教學模式改革的建議。他們將視野聚焦在秦皇島柳江盆地，一個典型的野外實習基地。通過引入現代3S空間信息技術，結合自然地理的實習要求，優化了雞冠山實習區的實習路線設計，確保了數據的全面性和實習過程的高效性。這些研究成果，無不體現了科技與教育相結合的重要性。它們不僅增強了學生對地質知識的理解和掌握，也為地學領域的專業發展提供了寶貴的技術支持與實踐平臺。

野外地質教學實習路線通常涵蓋多種地形地貌和地質特征，是學生們進行地質實踐的重要場所。然而，傳統的實習方式往往難以充分展示這些地質現象的真實性和復雜性，使得學生們難以深入理解和掌握相關知識。因此，建設實景三維資源成為提升地質教學實習效果的關鍵所在。

實景三維資源能夠真實、直觀地呈現野外地質實習路線的地形地貌、地質構造和礦產資源等信息，為學生提供一個沉浸式的學習環境。通過實景三維資源，學生可以更加深入地了解地質現象的形成機制和演化過程，加深對地質知識的理解。同時，實景三維資源還可以提供交互式的學習體驗，允許學生進行虛擬漫游、地質現象觀察和數據分析等操作，從而增強學生的實踐能力和創新能力。

此外，實景三維資源還具有可重復利用和共享的優勢。一旦建設完成，這些資源可以多次使用，為不同批次的學生提供相同的學習體驗。同時，這些資源也可以在不同學?；驒C構之間共享，促進地質教學資源的優化配置和共享利用。

3 數據獲取與處理

無人機數字航空攝影技術在各類不同項目中的應用，都遵循著一套科學嚴謹的作業流程。這一流程確保了工作的高效性、精確性，以及最終成果的質量。以下為本次工作的主要作業流程（圖1）。

3.1 無人機相關參數

此次試驗采用的無人機是大疆御3行業多光譜版M3M，搭載RTK模塊，實現厘米級高精度定位。集成了1個4/3 CMOS的2 000萬像素可見光相機及4個500萬像素的多光譜相機，可實現高精度航測、作物生長監測、自然資源調查等應用。

3.2 航線規劃

通過大疆DJI Pilot2軟件進行航線規劃，航向重疊率為80%，旁向重疊率為70%，飛行相對高度為150 m，開啟實時仿地和智能擺動功能，GSD為4.6 cm/pixel，航線長度14 km，測區面積0.16 km2，飛行時間為18 min。

3.3 數據處理

本次試驗數據處理采用了大疆開發的大疆智圖（DJI Terra）軟件，該軟件是一款以二維正射影像與三維模型重建為主的軟件，同時提供二維多光譜重建、激光雷達點云處理、精細化巡檢等功能[7]。它能夠將無人機采集的數據可視化，實時生成高精度、高質量三維模型，滿足事故現場、工程監測、電力巡線等場景的展示與精確測量需求。通過數據導入，空三處理，得到數字表面模型（DSM）（圖2）、數字正射影像（DOM）（圖3）以及實景三維模型（圖4）。

4 結束語

無人機傾斜攝影測量技術可以成功應用于柳江盆地野外地質教學實習路線實景三維資源建設中，為地質教學實習提供全新的視角和方法。這種技術的應用不僅可以提升實習效果，促進學生更好地掌握地質知識和技能，還可以推動地質教學資源的優化配置和共享利用，促進地質教育的創新發展。

參考文獻：

[1] 劉建程.傾斜攝影測量面向城市實景三維建模與質量評價[D].阜新：遼寧工程技術大學，2022.

[2] 李德仁，李明.無人機遙感系統的研究進展與應用前景[J].武漢大學學報（信息科學版），2014，39（5）：505-513，540.

[3] 鄒劍波.無人機傾斜攝影精細化實景三維建模及校園GIS應用[D].徐州：中國礦業大學，2022.

[4] BERNARD ， FRIEDT J M， TOLLE F， et al. Investigating snowpack volumes and icing dynamics in the moraine of an Arctic catchment using UAV photogrammetry[J].The Photogrammetric Record， 2017，32（160）：497-512.

[5] INZERILLO L， DI M G， ROBERTS R. Image-based 3D reconstruction using traditional and UAV datasets for analysis of road pavement distress[J].Automation in Construction， 2018，96：457-469.

[6] FEDELE A， SOMMA R， TROISE C， et al. Time-Lapse Landform Monitoring in the Pisciarelli（Campi Flegrei-Italy） Fumarole Field Using UAV Photogrammetry[J]. Remote Sensing，2021，13（1）：118-136.

[7] 劉成成.基于無人機多光譜影像的棉花葉片SPAD值和LAI反演研究[D].阿拉爾：塔里木大學，2023.