基于民用無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)的礦山建模研究

王康

摘要：采用普通民用無人機(jī)多角度航拍技術(shù)獲取礦山航測數(shù)據(jù)，結(jié)合PhotoScan三維建模軟件對(duì)礦山構(gòu)建三維模型，應(yīng)用于數(shù)字礦山的三維建設(shè)，可實(shí)現(xiàn)在短期內(nèi)生成礦區(qū)的三維模型視圖以及正射影像圖。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);三維建模;礦山;PhotoScan軟件

當(dāng)前，隨著無人機(jī)航拍技術(shù)的不斷成熟，而且無人機(jī)低成本、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、高精度、維護(hù)簡單的優(yōu)點(diǎn)，讓無人機(jī)在小區(qū)域和地形復(fù)雜地區(qū)快速獲取高分辨率影像數(shù)據(jù)有著明顯的優(yōu)勢，加之后期可以結(jié)合專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件生成三維模型，則更能直觀的、多角度的反映地面物體的外觀、位置、高度、紋理等屬性，為后續(xù)工作提供了更為直觀的資料。

近年來，隨著綠水青山就是金山銀山的理念不斷深入人心，中國生態(tài)文明建設(shè)的力度逐漸加大，基于對(duì)礦山進(jìn)行數(shù)字化監(jiān)測、管理的應(yīng)用日益廣泛，因此相關(guān)部門對(duì)簡便、快速的三維建模的方式迫切需求。在礦山的三維建模過程中，由于礦區(qū)地形復(fù)雜性以及環(huán)境的不穩(wěn)定性，通過傳統(tǒng)的測量手段和人工三維建模技術(shù)無論在精度還是效率上都難以滿足要求。同時(shí)在外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中就作業(yè)人員人身安全角度來講，傳統(tǒng)建模方式都是存在一定的問題，而且作業(yè)過程中的不確定的危險(xiǎn)因素也會(huì)時(shí)常出現(xiàn)。隨著技術(shù)的更新、設(shè)備成本的降低結(jié)合無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)的三維建模手段成為解決上述問題的新途徑。采用普通民用無人機(jī)多角度航拍技術(shù)獲取礦山航測數(shù)據(jù)，結(jié)合PhotoScan三維建模軟件對(duì)礦山構(gòu)建三維模型，應(yīng)用于數(shù)字礦山的三維建設(shè)，可實(shí)現(xiàn)在短期內(nèi)生成礦區(qū)的三維模型視圖以及正射影像圖。

本研究以惠安縣螺陽鎮(zhèn)某采石場為例，基于無人機(jī)低空航拍數(shù)據(jù)建立實(shí)景三維模型及正射影像圖。

1 研究區(qū)域概況

1.1 礦區(qū)位置

礦區(qū)位于惠安城區(qū)235°方向，直距約5.8km。行政區(qū)劃隸屬福建省惠安縣螺陽鎮(zhèn)管轄。礦區(qū)范圍東西長約213～233m，平均長223m，南北寬約163m，面積36350m2。其地理坐標(biāo)為：東經(jīng)118°44′50″～118°44′58″;北緯 25°00′04″～ 25°00′09″。本區(qū)地處福建沿海經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，交通網(wǎng)絡(luò)十分發(fā)達(dá)。

1.2 礦區(qū)現(xiàn)狀

礦區(qū)目前有采場1個(gè)（見圖1），東西方向平均長120m，南北方向平均寬110m，最低開采標(biāo)高+90m，最大采深55m，已采出礦石量40.88萬m?。開采層位為晚侏羅世侵入的永興超單元為代表的似斑狀中粗粒二長花崗巖，開采方式采用露天山坡式自上而下分臺(tái)階開采。開采臺(tái)階高度為15米，自上而下劃分為：+144m水平臺(tái)階、+130m水平臺(tái)階、+118m水平臺(tái)階、+108m水平臺(tái)階、+90m水平臺(tái)階。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況，礦山+90m水平臺(tái)以上臺(tái)階都已開采完畢，現(xiàn)狀僅+90m臺(tái)階仍有開采。

2 無人機(jī)航飛數(shù)據(jù)采集

本次研究采用的是大疆Phantom 4 Pro無人機(jī)，Phantom 4 Pro無人機(jī)的相機(jī)配備1英寸2000萬像素影像傳感器，可拍攝4K/60fps視頻，并以14張/秒的速度拍攝靜態(tài)照片。FlightAutonomy系統(tǒng)新增后視視覺傳感器與機(jī)身兩側(cè)的紅外感知器，讓Phantom 4 Pro擁有5向環(huán)境識(shí)別與4向避障能力，安全性更高，飛行更智能。飛行控制軟件為DJI GO 4，航拍數(shù)據(jù)獲取選用DJI GS PRO地面專業(yè)站中的測繪航拍區(qū)域模式，通過該模式，根據(jù)設(shè)定的飛行區(qū)域以及飛行器相機(jī)參數(shù)，智能規(guī)劃飛行航線，執(zhí)行航拍任務(wù)。

2.1 確定飛行區(qū)域

在DJI GS PRO地面專業(yè)站中新建飛行任務(wù)，選擇測繪航拍區(qū)域模式，通過地圖選點(diǎn)，確定作業(yè)區(qū)域范圍。根據(jù)實(shí)地勘察礦區(qū)地形特征，本次航拍建模區(qū)域?yàn)榈V山采場、工業(yè)廣場及排土場，為了更好的體現(xiàn)礦山以及礦山周邊的環(huán)境狀況，所選區(qū)域的范圍應(yīng)大于礦區(qū)范圍，本次設(shè)定區(qū)域總面積0.92km?。

2.2 飛行參數(shù)設(shè)置

根據(jù)無人機(jī)型號(hào)選用相機(jī)型號(hào)，本次任務(wù)選用Phantom 4 Pro Camera相機(jī)。根據(jù)周圍地形設(shè)置飛行高度，飛行高度要高于飛行范圍內(nèi)的所有山體、植被、建筑物，本次飛行高度設(shè)置為248.0m。根據(jù)飛行區(qū)域內(nèi)的風(fēng)力狀況設(shè)置飛行速度，飛行速度設(shè)置為5m/s。重疊率的設(shè)置影響到作業(yè)飛行時(shí)長以及后期建模質(zhì)量，重疊率越高無人機(jī)飛行時(shí)間越長，對(duì)電池的需求約大，但后期建模質(zhì)量會(huì)更高;重疊率越低無人機(jī)飛行時(shí)間越短，對(duì)電池的需求越小，但后期建模質(zhì)量會(huì)偏低?？紤]到電池續(xù)航能力及后期建模質(zhì)量最優(yōu)化，根據(jù)以往工作經(jīng)驗(yàn)，將航向（飛行方向）重疊率設(shè)置為60%，旁向（飛行方向兩邊的方向）重疊率設(shè)置為60%。根據(jù)以上參數(shù)設(shè)置，本次飛行任務(wù)規(guī)劃主航線條數(shù)6條，航點(diǎn)數(shù)69點(diǎn)，預(yù)計(jì)飛行時(shí)間33分22秒，所需電池?cái)?shù)約3組。

2.3 無人機(jī)數(shù)據(jù)采集

利用大疆DJI GO 4軟件進(jìn)行飛行參數(shù)、飛行條件的檢查，參數(shù)正常后，切換到DJI GS PRO軟件接管飛機(jī)，上傳飛行參數(shù)成功后，執(zhí)行飛行任務(wù)。本次飛行拍攝共耗時(shí)50多分鐘（包括無人機(jī)往返更換電池時(shí)間），共采集62張數(shù)字影像數(shù)據(jù)（見圖2）。

3 三維建模

3.1 三維建模軟件

PhotoScan是一款基于影響自動(dòng)生成高質(zhì)量三維模型的優(yōu)秀軟件，這對(duì)于三維建模需求來說實(shí)在是一把利器。而且無需設(shè)置初始值，無需相機(jī)檢校，它根據(jù)最新的多視圖三維重建技術(shù)，可對(duì)任意照片進(jìn)行處理，無需控制點(diǎn)，而通過控制點(diǎn)則可以生成真實(shí)坐標(biāo)的三維模型。照片的拍攝位置是任意的，無論是航攝照片還是高分辨率數(shù)碼相機(jī)拍攝的影像都可以使用。整個(gè)工作流程無論是影像定向還是三維模型重建過程都是完全自動(dòng)化的。

3.2 三維建模流程

3.3 三維建模成果

按照上述三維建模流程，可生成較為直觀的三維模型（見圖4）。

4 結(jié)語

結(jié)合PhotoScan三維建模軟件，對(duì)礦山運(yùn)用無人機(jī)多角度航拍是一種高效快速的建模方法。采用無人機(jī)自動(dòng)飛行、自動(dòng)拍照的作業(yè)模式，快速、準(zhǔn)確的采集礦區(qū)影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過后期三維建模軟件處理，實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)地表大規(guī)模、快速、高效的建模;節(jié)省了作業(yè)時(shí)間，降低了作業(yè)成本，提高了建模效果。結(jié)果表明，本次民用無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)的礦山建模研究效果顯著，為今后三維建模技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)治理、礦山的地質(zhì)環(huán)境治理過程中以及其他領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新思路。

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（作者單位：福建省197地質(zhì)大隊(duì)）