基于傾斜攝影測(cè)量的礦山三維地質(zhì)建?？焖贅?gòu)建方法研究

倪小春，黃 星

（江西省新達(dá)地質(zhì)災(zāi)害防治研究院，江西 新余 338000）

隨著礦山三維地質(zhì)數(shù)字化采礦技術(shù)的發(fā)展，研究礦山三維地質(zhì)建模技術(shù)，提高礦山采礦的智慧化水平。結(jié)合傾斜攝影測(cè)量技術(shù)和無人機(jī)攝影等技術(shù)，建立礦山三維地質(zhì)建?？焖贅?gòu)建模型，通過圖像三維重構(gòu)技術(shù)和邊緣特征重組技術(shù)，進(jìn)行礦山三維地質(zhì)建?？焖僦亟M，提取礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測(cè)量的模板特征量，采用彩色重建區(qū)域融合的方法，進(jìn)行礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測(cè)量，提高礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測(cè)繪能力[1]。研究基于傾斜攝影測(cè)量的礦山三維地質(zhì)建?？焖贅?gòu)建方法，在提高礦山三維地質(zhì)建模的準(zhǔn)確性和地質(zhì)礦山的勘測(cè)能力方面具有重要意義。本文提出基于傾斜攝影測(cè)量的礦山三維地質(zhì)建?？焖贅?gòu)建方法。首先采用傾斜攝影測(cè)量的方法進(jìn)行礦山三維地質(zhì)層圖像采集，建立礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測(cè)量的子空間邊界匹配濾波分離模型，進(jìn)行礦山構(gòu)造成圖和構(gòu)造建模，采用三維地質(zhì)建?？焖僦貥?gòu)的方法，進(jìn)行工區(qū)數(shù)據(jù)測(cè)試，根據(jù)三維重建輪廓區(qū)域的巖性特征分布，進(jìn)行礦山三維地質(zhì)建模的方法的輪廓特征重組，通過傾斜攝影測(cè)量和地質(zhì)空間重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)礦山三維地質(zhì)建?？焖贅?gòu)建。最后進(jìn)行仿真測(cè)試分析，展示了本文方法在提高礦山三維地質(zhì)建模和重構(gòu)能力方面的優(yōu)越性能。

1 礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測(cè)量圖像采集及預(yù)處理

1.1 圖像采集

傾斜航空攝影是利用傾斜航空相機(jī)獲取地物信息的一種新型航空攝影方式。傾斜航空攝影區(qū)別于傳統(tǒng)的豎直航空攝影方式，傾斜相機(jī)通常采用五個(gè)方位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分為正攝、前視、后視、左視、右視，配合慣導(dǎo)系統(tǒng)獲取高精度的位置和姿態(tài)信息，通過特定的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將所有影像納入到統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)中，傾斜航空攝影。

（1）真實(shí)性。傾斜影像能讓礦山地質(zhì)測(cè)量工作人員從多個(gè)角度觀察，更加真實(shí)再現(xiàn)地物的實(shí)際情況，無限接近實(shí)際礦山地質(zhì)情況，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)正射影像的不足。

（2） 可量測(cè)性。傾斜影像通過配套軟件的應(yīng)用，可以直接基于成果影像進(jìn)行高度、長(zhǎng)度、面積、角度的量測(cè)，實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)。

（3）豐富紋理。與傳統(tǒng)垂直影像相比，傾斜影像有它自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它能提供豐富的礦山開采區(qū)地質(zhì)信息，即獲取了礦山開采區(qū)表面紋理，對(duì)于三維地質(zhì)建模有著深遠(yuǎn)的影響。

為了實(shí)現(xiàn)基于輪廓特征的礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測(cè)量信噪比提升拼接技術(shù)，首先對(duì)礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測(cè)量的邊緣模板進(jìn)行分組檢測(cè)，根據(jù)邊緣檢測(cè)結(jié)果，通過多尺度空間匹配濾波檢測(cè)，采用多重逆掩斷層重組的方法[2]，建立礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測(cè)量的角點(diǎn)分割模型，通過地質(zhì)層面和斷層約束控制的方法，進(jìn)行礦山三維地質(zhì)傾斜度測(cè)量，得到礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測(cè)量的三維斷層拓?fù)浞植冀Y(jié)構(gòu)。提取礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測(cè)量的極低密度填圖參數(shù)，采用模糊度融合匹配算法，構(gòu)建礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測(cè)量空間特征匹配模型，在多數(shù)元素地球化學(xué)模式下，將礦山三維地質(zhì)傾斜攝影圖像進(jìn)行有效分割。

根據(jù)上述分析，構(gòu)建礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測(cè)量的圖像采集模型，根據(jù)圖像采集結(jié)果，進(jìn)行礦山的三維地質(zhì)建模[3]。在具體應(yīng)用過程中，將圖像采集情況作為依據(jù)，按照如下具體步驟完成對(duì)圖像及圖像中礦山三維地質(zhì)數(shù)據(jù)的采集。第一步，基于傾斜攝影技術(shù)，針對(duì)各個(gè)需要進(jìn)行檢測(cè)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，并在一個(gè)相同的平行架結(jié)構(gòu)上，安裝多個(gè)用于對(duì)礦山三維地質(zhì)圖像數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集的傳感器裝置以及用于實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)耐ㄐ叛b置。通過對(duì)同一個(gè)需要進(jìn)行檢測(cè)的節(jié)點(diǎn)在多個(gè)維度上的測(cè)定，實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)建模所需信息數(shù)據(jù)的獲取。第二步，將所有獲取到的圖像資源和圖像中的數(shù)據(jù)信息資源整合，并生成一個(gè)建模軟件能夠識(shí)別的文件格式。在該文件當(dāng)中，主要包括圖像、監(jiān)測(cè)信息以及監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。同時(shí)，為了方便后續(xù)使用，將用于不同構(gòu)建內(nèi)容的圖像和數(shù)據(jù)以PDF或WORD格式完成對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)告的生成。同時(shí)，在進(jìn)行對(duì)礦山三維圖像的獲取和對(duì)數(shù)據(jù)的采集時(shí)，合理利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)礦山三維地質(zhì)數(shù)據(jù)的全方位高精度采集，并實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山三維地質(zhì)的立體成像，以此為后續(xù)三維地質(zhì)模型既其相關(guān)數(shù)據(jù)信息360°無死角展示。

1.2 圖像特征分析與處理

根據(jù)礦山地質(zhì)區(qū)域的分布特征和成礦元素含量，采用等離子體質(zhì)譜儀測(cè)定的方法，得到礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測(cè)量的暗原色分布集。復(fù)原圖像的邊緣特征分布集，得到礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測(cè)量?jī)?nèi)部信息的差異度模型，對(duì)透射率同質(zhì)區(qū)域進(jìn)行平滑處理，得到礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測(cè)量的模糊區(qū)域信噪比提升拼接特征。

在確定礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測(cè)量的邊緣輪廓特征檢測(cè)輸出內(nèi)容后，將其作為依據(jù)，為了避免在生成的模型存在剖面“生硬”問題，可通過引入礦山地質(zhì)專業(yè)技術(shù)的方式，結(jié)合實(shí)際礦山地質(zhì)工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其剖面圖進(jìn)行繪制，通過反應(yīng)區(qū)域內(nèi)礦山三維地質(zhì)地表、地信和地貌特征；礦山地下結(jié)構(gòu)特征、地下水運(yùn)動(dòng)特征等信息的代入，形成一個(gè)完整的礦山三維地質(zhì)坡面邊界線數(shù)據(jù)。在上述流程基礎(chǔ)上，通過對(duì)圖件進(jìn)行矢量化處理，并完成對(duì)地質(zhì)剖面邊界現(xiàn)線的拓?fù)洳铄e(cuò)，將其中影響最終建模精度的矢量數(shù)據(jù)篩選并去除。再通過對(duì)拓?fù)湓靺^(qū)的處理，形成一個(gè)矢量的剖面數(shù)據(jù)[4]。在剖面結(jié)構(gòu)上，包含的礦山三維地質(zhì)圖像參數(shù)包括：鉆孔數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)地層表、剖面參數(shù)屬性圖例等。在完成上述一系列內(nèi)容后，為了確保最終模型的構(gòu)建精度，還需要對(duì)其進(jìn)行一致性檢查。由于在外部剖面數(shù)據(jù)當(dāng)中存在同一個(gè)鉆孔可能由多種不同參數(shù)數(shù)據(jù)顯示的問題，因此針對(duì)這一問題，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)其快速、有效的修改，選擇通過單元格自動(dòng)生成的方式，針對(duì)生成的矢量剖面結(jié)構(gòu)進(jìn)行一致性檢查，其檢查內(nèi)容包括對(duì)厚度一致性、屬性一致性、分層界限一致性等內(nèi)容的檢查。在確保上述檢查內(nèi)容均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求后，最終得到的地質(zhì)模型才能夠滿足實(shí)際所需。

2 傾斜攝影測(cè)量和地質(zhì)空間重構(gòu)

利用基于傾斜攝影測(cè)量的礦山三維模型所采集的矢量范圍，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)勘測(cè)信息動(dòng)態(tài)裁剪，同時(shí)結(jié)合矢量信息，將三維模型邏輯單體化，滿足精細(xì)化要求，實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維數(shù)據(jù)、正射影像數(shù)據(jù)綜合管理。將本文所應(yīng)用方法與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對(duì)比，本文所提出的方法可滿足礦產(chǎn)資源監(jiān)測(cè)與地質(zhì)空間重構(gòu)的需求。地上實(shí)景三維模型與地下探測(cè)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)測(cè)量三維立體圖像呈現(xiàn)。

根據(jù)三維重建輪廓區(qū)域的巖性特征分布，進(jìn)行礦山三維地質(zhì)建模的方法的輪廓特征重組，通過傾斜攝影測(cè)量和地質(zhì)空間重構(gòu)，根據(jù)花崗斑巖與橋源組地層接觸方法，建立三維重建輪廓序列分布模型[5]。在金屬硫化物的成礦遠(yuǎn)景區(qū)，采用匹配濾波方法得到礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測(cè)量數(shù)值。

綜上分析，據(jù)三維重建輪廓區(qū)域的巖性特征分布，進(jìn)行礦山三維地質(zhì)建模的方法的輪廓特征重組，通過傾斜攝影測(cè)量和地質(zhì)空間重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)礦山三維地質(zhì)建?？焖贅?gòu)建。

3 仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證本文方法在實(shí)現(xiàn)礦山三維地質(zhì)建模及重建中的應(yīng)用性能，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)中取礦山三維地質(zhì)建模的地質(zhì)分布坐標(biāo)見表1。

表1 礦山三維地質(zhì)建模的地質(zhì)分布坐標(biāo)

根據(jù)表1的礦山三維地質(zhì)建模的地質(zhì)分布坐標(biāo)分布情況，進(jìn)行礦山三維地質(zhì)建模，得到建模重構(gòu)的參數(shù)解析結(jié)果見表2。

表2 建模重構(gòu)的參數(shù)解析結(jié)果

分析表2得知，本文方法能有效實(shí)現(xiàn)建模重構(gòu)的參數(shù)解析，通過傾斜攝影測(cè)量和地質(zhì)空間重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)礦山三維地質(zhì)建?？焖贅?gòu)建，參數(shù)測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，采用Matlab和CAD仿真技術(shù)，得到礦山三維地質(zhì)重建圖層分布如圖1所示。

圖1 礦山三維地質(zhì)重建圖層分布

分析圖1得知，采用該方法進(jìn)行礦山三維地質(zhì)建模構(gòu)建的精準(zhǔn)度較高，三維圖層的可視化分布效果較好。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，本文上述提出的構(gòu)建方法在實(shí)際應(yīng)用中，通過引入傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)測(cè)量物體的輪廓進(jìn)行精準(zhǔn)定位，同時(shí)針對(duì)其內(nèi)部各個(gè)結(jié)構(gòu)也能夠進(jìn)行更加詳細(xì)的展示，能夠滿足后續(xù)礦山勘察或礦山開采等工作開展使得數(shù)據(jù)需要[6]。而以往采用CAD、3D等相關(guān)輔助型繪圖工具完成對(duì)礦山地質(zhì)模型的構(gòu)建后，其精度無法達(dá)到實(shí)際要求，并且只能夠針對(duì)部分結(jié)構(gòu)的基本輪廓進(jìn)行定位，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可視化展現(xiàn)。除此之外，以往在使用各類輔助性的繪圖軟件時(shí)，會(huì)受到外界干擾因素的影響，并且由于礦山地質(zhì)環(huán)境更加特殊，因此干擾程度也進(jìn)一步增加。這一因素的存在，也使得最終模型構(gòu)建成果與實(shí)際需要進(jìn)行勘查的節(jié)點(diǎn)定位存在嚴(yán)重的偏差[7]。但應(yīng)用傾斜攝影測(cè)量后，本文上述構(gòu)建方法并沒有出現(xiàn)這一問題，能夠確保模型當(dāng)中各個(gè)紋理、紋路的精度，礦山地質(zhì)環(huán)境當(dāng)中的干擾因素對(duì)于本文構(gòu)建方法而言不會(huì)造成影響。因此，綜合上述論述得出，本文提出的構(gòu)建方法在實(shí)際應(yīng)用中能夠在確保模型構(gòu)建精度的基礎(chǔ)上，提高模型的真實(shí)性，并進(jìn)一步提高礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)的利用價(jià)值。對(duì)于礦山企業(yè)而言，若在實(shí)際應(yīng)用中，引入本文上述提出的模型構(gòu)建方法，則能夠在實(shí)際層面上滿足礦山地質(zhì)后續(xù)工作開展的需要。

4 結(jié)語

結(jié)合傾斜攝影測(cè)量技術(shù)和無人機(jī)攝影等技術(shù)，建立礦山三維地質(zhì)建?？焖贅?gòu)建模型，通過圖像三維重構(gòu)技術(shù)和邊緣特征重組技術(shù)，進(jìn)行礦山三維地質(zhì)建?？焖僦亟M，本文提出基于傾斜攝影測(cè)量的礦山三維地質(zhì)建模快速構(gòu)建方法，提取礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測(cè)量的極低密度填圖參數(shù)，采用模糊度融合匹配算法，構(gòu)建礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測(cè)量空間特征匹配模型，復(fù)原圖像的邊緣特征分布集，得到礦山三維地質(zhì)傾斜攝影測(cè)量?jī)?nèi)部信息的差異度模型，對(duì)透射率同質(zhì)區(qū)域進(jìn)行平滑處理，實(shí)現(xiàn)三維重構(gòu)。分析得知，本文進(jìn)行三維地質(zhì)傾斜攝影測(cè)量及重構(gòu)建模的效果較好。