基于無人機(jī)與Photoscan軟件的礦山地質(zhì)環(huán)境三維立體建模及應(yīng)用

李朋偉，王雁林,2，徐友寧

(1.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西省自然資源廳，陜西 西安 710082；3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710016)

“兩山”理論是習(xí)近平總書記提出的“綠水青山就是金山銀山”科學(xué)論斷的簡(jiǎn)稱?！皟缮健崩碚撍咽镜娜伺c自然、生態(tài)與經(jīng)濟(jì)的關(guān)系，為我們從生態(tài)文化角度重新審視生態(tài)文明建設(shè)提供了新視角。隨著“兩山”理論的推行和實(shí)踐，礦山地質(zhì)環(huán)境防治工作愈發(fā)重要。而在礦山地質(zhì)環(huán)境工作中，無人機(jī)的發(fā)展在技術(shù)層面具有十分重要的推動(dòng)作用。

近十年來，小型無人機(jī)發(fā)展日新月異，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了大量的民用小型無人機(jī)公司，無人機(jī)產(chǎn)業(yè)踏上了快速發(fā)展軌道。小型無人機(jī)遙感技術(shù)因其成本低、操作靈活便利等優(yōu)點(diǎn)，在地質(zhì)調(diào)查中的作用愈來愈重要[1]。無人機(jī)技術(shù)可以為礦山地質(zhì)工作提供豐富的數(shù)據(jù)資料，眾多工作者對(duì)無人機(jī)技術(shù)在礦山領(lǐng)域的應(yīng)用做了探索。趙星濤等[2]使用無人機(jī)低空航攝對(duì)礦山地質(zhì)災(zāi)害做了探測(cè)方法研究；周文生等[3]用無人機(jī)結(jié)合人工目視解譯的方式統(tǒng)計(jì)了寧東能源基地羊場(chǎng)灣煤礦的礦山地質(zhì)環(huán)境問題分布特征；張永庭等[4]使用無人機(jī)機(jī)載Lidar技術(shù)對(duì)馬蓮臺(tái)煤礦進(jìn)行了采煤沉陷量監(jiān)測(cè)，平均誤差0.043 4 m。

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

相比于其他軟件一定的版權(quán)保護(hù)費(fèi)用、云端生成模型的速度受制于網(wǎng)絡(luò)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(dòng)生成高質(zhì)量三維模型，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)，可以對(duì)任意照片進(jìn)行處理，無需控制點(diǎn)，也可以通過給予的控制點(diǎn)生成真實(shí)坐標(biāo)的三維模型。

NIETHAMMER等[8]曾使用無人機(jī)與Photoscan軟件來建立立體模型應(yīng)用于滑坡分析；繆盾等[9]應(yīng)用Photoscan軟件建立了亭子立體模型，并進(jìn)行了精度研究，驗(yàn)證了百幅以內(nèi)的圖像建模誤差在1 cm以內(nèi)；李濤[10]進(jìn)行了Photoscan軟件地理建模的精度研究，經(jīng)剖析該模型可滿足1∶500復(fù)雜地形測(cè)量要求。目前，在礦山地質(zhì)環(huán)境領(lǐng)域尚無小型無人機(jī)與Photoscan軟件的三維建模與應(yīng)用的案例。

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

1 研究區(qū)概況

寧東能源化工基地(以下簡(jiǎn)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(zhǎng)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(gè)礦區(qū)、21個(gè)井田和1個(gè)獨(dú)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(fēng)沙土為主，區(qū)域生物量低、植被恢復(fù)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?jí)和恋氐鹊V山地質(zhì)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(duì)土地利用類型和植被類型產(chǎn)生了明顯的影響[12]。調(diào)查羊場(chǎng)灣煤礦地下綜采導(dǎo)致的礦山地質(zhì)環(huán)境問題，其一分礦南部約1 km2區(qū)域內(nèi)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(yàn)區(qū)。

2 研究方法

2.1 無人機(jī)航拍照片獲取

首先，進(jìn)行實(shí)地踏勘與無人機(jī)追尋進(jìn)行定性定位調(diào)查，確定建模范圍。然后使用無人機(jī)獲取建模范圍實(shí)景影像，航拍時(shí)需要依次進(jìn)行航線規(guī)劃、地面控制點(diǎn)布設(shè)、選擇航飛模式等步驟，如圖1所示。

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

航線的規(guī)劃應(yīng)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(diǎn)布設(shè)要盡量均勻而且確保坐標(biāo)精準(zhǔn)。檢查飛行質(zhì)量時(shí)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(yīng)重新進(jìn)行航拍。攝取時(shí)充分覆蓋測(cè)區(qū)范圍，盡量攝取不同高度、遠(yuǎn)近的影像，并根據(jù)范圍大小選擇性布設(shè)地面控制點(diǎn)。本文使用的無人機(jī)為小型四旋翼無人機(jī)且應(yīng)具有GPS模塊。

2.2 實(shí)景三維模型建立

對(duì)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(jī)航拍數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)作為起點(diǎn)，在照片滿足應(yīng)用要求的前提下進(jìn)行排列計(jì)算對(duì)齊，照片對(duì)齊后生成密集點(diǎn)云，在點(diǎn)云的基礎(chǔ)上建立立體模型、DOM和DEM。Photoscan軟件的整個(gè)工作流程無論是影像定向還是三維模型重建過程都是高度自動(dòng)化的，十分便捷易于上手，其工作流程如圖2所示。對(duì)于已經(jīng)建立的實(shí)景立體模型、DEM和DOM，通過目視解譯和Photoscan軟件中的測(cè)量功能可以評(píng)價(jià)并定量化分析部分礦山地質(zhì)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(yīng)用案例

3.1 數(shù)據(jù)采集與處理

本次使用的無人機(jī)型號(hào)為大疆Phantom 4 Advanced，飛行器與相機(jī)模塊參數(shù)見表1。無人機(jī)航行路線重疊率80%，最大相對(duì)飛行高度300 m，航拍線路如圖3中帶箭頭虛線所示。無人機(jī)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(shí)近1 h，后期軟件建模耗時(shí)3 h，電腦主要配置可供參考：CPU i5-8600、內(nèi)存8 G、顯卡GTX1060 3 G。

圖3 航拍線路布設(shè)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(jī)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(biāo)識(shí)物，區(qū)域內(nèi)控制點(diǎn)一共設(shè)立10個(gè)(其中4個(gè)為測(cè)量地裂縫并與模型測(cè)量作對(duì)比)，校驗(yàn)點(diǎn)設(shè)立8個(gè)記為PX并提前記錄坐標(biāo)。照片對(duì)齊優(yōu)化后生成密集點(diǎn)云，根據(jù)點(diǎn)云與控制點(diǎn)成立立體模型后，取8個(gè)校驗(yàn)點(diǎn)的記錄坐標(biāo)與模型讀取坐標(biāo)進(jìn)行精度對(duì)比。

點(diǎn)誤差統(tǒng)計(jì)見表2，結(jié)果顯示校驗(yàn)點(diǎn)位平面中誤差為0.63 m，高程中誤差為0.15 m，誤差相比機(jī)載RTK和機(jī)載Lidar技術(shù)較大。點(diǎn)誤差相對(duì)穩(wěn)定，推測(cè)線誤差與面積誤差隨數(shù)值增大而減小。根據(jù)點(diǎn)位實(shí)測(cè)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L(zhǎng)X、SX統(tǒng)計(jì)相對(duì)誤差見圖5，可見相對(duì)誤差隨數(shù)值增大而減小的趨勢(shì)。其中最小線段L1長(zhǎng)198.62 m，相對(duì)誤差0.5%，最小區(qū)域S1面積2 867.54 m2，相對(duì)誤差0.9%。通過誤差分析可見該模型點(diǎn)精度較低，但長(zhǎng)度與面積的計(jì)算精度較高且相對(duì)誤差均小于1%，同時(shí)相對(duì)誤差隨數(shù)值增大而降低。

表2 校驗(yàn)點(diǎn)誤差Table 2 Checkpoint error

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

3.3 礦山地質(zhì)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(zhì)災(zāi)害、水文條件變化、棄渣侵占土地等一系列的礦山地質(zhì)環(huán)境問題。寧東能源化工基地近年來礦產(chǎn)資源生產(chǎn)活動(dòng)加大，地下綜合機(jī)械化采煤導(dǎo)致了大面積的礦山地質(zhì)環(huán)境問題。選定的羊場(chǎng)灣煤礦研究區(qū)范圍內(nèi)礦山地質(zhì)環(huán)境問題主要有地質(zhì)災(zāi)害(地裂縫、地面沉陷)和棄渣侵占土地，下面以無人機(jī)和Photoscan軟件建立的三維立體模型對(duì)研究區(qū)范圍內(nèi)的礦山地質(zhì)問題進(jìn)行分析。

3.3.1 煤矸石堆場(chǎng)

煤矸石是煤炭開采與加工過程中產(chǎn)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(chǎng)灣煤礦存在許多露天煤矸石堆場(chǎng)，野外調(diào)查顯示均位于礦區(qū)附近，在研究區(qū)范圍內(nèi)亦發(fā)現(xiàn)有典型煤矸石堆場(chǎng)。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(nèi)的所有煤矸石堆場(chǎng)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(chǎng)對(duì)周邊環(huán)境影響與治理情況，然后利用Photoscan軟件的測(cè)量功能讀取煤矸石堆場(chǎng)的面積和體積。煤矸石堆場(chǎng)的治理通常有覆土、植被綠化等復(fù)墾手段，并經(jīng)常交叉運(yùn)用?？捎^察出該煤矸石堆場(chǎng)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(chǎng)較新，仍有部分運(yùn)矸車輛從西側(cè)進(jìn)入矸石場(chǎng)作業(yè)，西部區(qū)域與中部區(qū)域已經(jīng)覆土，東南部分區(qū)域還在新堆積且矸石場(chǎng)整體植被覆蓋度低。模型截圖和測(cè)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(chǎn)資源開發(fā)過程中常伴生的地質(zhì)災(zāi)害，受自然條件與地下綜合機(jī)械化煤炭資源開采影響，研究區(qū)產(chǎn)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(cè)量其相關(guān)參數(shù)(圖8)。

圖8 DOM中地裂縫測(cè)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(cè)量讀取該地裂縫的走向?yàn)?2°、長(zhǎng)度775.564 m，最大寬度為2.7 m。根據(jù)7號(hào)控制點(diǎn)、8號(hào)控制點(diǎn)、9號(hào)控制點(diǎn)和10號(hào)控制點(diǎn)距離計(jì)算該地裂縫走向32°、長(zhǎng)度776.1 m，誤差為0.536 m。通過模型放大縮小功能仔細(xì)觀察其全段情況，發(fā)現(xiàn)該地裂縫未進(jìn)行填埋等恢復(fù)措施，整個(gè)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(jì)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(zhǎng)年的地下開采，地面上方的巖土體失去支撐，從而導(dǎo)致了地面沉陷。礦產(chǎn)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(shí)，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(diǎn)相對(duì)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(biāo)記如圖9中白色邊框區(qū)域所示，并通過該軟件計(jì)算面積的出環(huán)狀沉陷區(qū)域面積約0.089 km2，讀取最低點(diǎn)高度與周邊平緩處高度得出地面相對(duì)沉陷量為2.6 m。

3.3.4 結(jié)果分析

建立三維立體模型后，利用Photoscan軟件的實(shí)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(nèi)煤矸石場(chǎng)、地裂縫和地面沉陷的界限、形態(tài)以及對(duì)周邊環(huán)境的影響和治理程度。 同時(shí)，利用模型的測(cè)量功能可以讀取到面積、體積、長(zhǎng)度等參數(shù)。

研究區(qū)內(nèi)煤矸石場(chǎng)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(chǎng)為新堆積成的矸石場(chǎng)地，仍有運(yùn)矸車輛在場(chǎng)中作業(yè)，大部分區(qū)域覆土綠化，整體復(fù)墾程度較好；區(qū)內(nèi)地裂縫長(zhǎng)達(dá)776.1 m，無填埋等復(fù)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(chǎng)灣煤礦一分礦南部該1 km2區(qū)域內(nèi)除煤矸石場(chǎng)復(fù)墾程度較好外，地裂縫和地面沉陷區(qū)域治理相對(duì)較差，應(yīng)及時(shí)科學(xué)防范，采取針對(duì)性措施，進(jìn)行土地復(fù)墾。

3.4 建模方法優(yōu)點(diǎn)及可行性

綜上所述，小型四旋翼無人機(jī)結(jié)合Photoscan軟件的三維立體建模方法在礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查中應(yīng)用是可行的。小型四旋翼無人機(jī)相比機(jī)載紅外、機(jī)載Lidar、機(jī)載RTK等設(shè)備購(gòu)置價(jià)格較低且使用與維護(hù)較為方便，同時(shí)舊版本開源的Photoscan軟件可免費(fèi)在公眾領(lǐng)域獲得，設(shè)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(jī)操作簡(jiǎn)單易上手。Photoscan軟件具有高度的自動(dòng)化，只需要在軟件里進(jìn)行人工照片篩選和控制點(diǎn)導(dǎo)入即能建立模型。無人機(jī)航拍與建模過程只需要近4 h(該時(shí)間為筆者電腦配置所耗時(shí)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(cè)量節(jié)省了人力物力，進(jìn)一步降低了成本，并體現(xiàn)了便捷的優(yōu)點(diǎn)。

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

4 結(jié) 論

1) 小型四旋翼無人機(jī)結(jié)合Photoscan軟件建立三維立體模型的方法在礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查中的應(yīng)用是可行的。此方法較之傳統(tǒng)測(cè)量和機(jī)載RTK、機(jī)載Lidar等技術(shù)方法能更好地控制成本，具有便捷的優(yōu)點(diǎn)。該方法為礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查提供了新的立體建模手段，

2) 結(jié)合地面控制點(diǎn)與無人機(jī)GPS模塊在1 km2范圍內(nèi)可以做到較高精度的長(zhǎng)度和面積的測(cè)量，其中長(zhǎng)度相對(duì)誤差小于0.5%，面積相對(duì)誤差小于1%，隨數(shù)值增大相對(duì)誤差減小。構(gòu)建的立體模型能夠直觀且較準(zhǔn)確地定量評(píng)價(jià)礦山地質(zhì)環(huán)境問題(如煤矸石堆場(chǎng)面積、體積；地裂縫長(zhǎng)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(diǎn)誤差相對(duì)于其他方法較高；其次，對(duì)無人機(jī)攝取圖片的數(shù)量、高度、角度等方式與模型精度的相關(guān)性并沒有做深入探索；最后，還有不同電腦配置的建模耗時(shí)沒有做出對(duì)比，理論條件下更高配置耗時(shí)更短。