基于無(wú)人機(jī)航拍的地質(zhì)剖面三維建模方法研究

李瀟雨 陳曉慧

（西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都610500）

地質(zhì)露頭的考察是地質(zhì)研究中必不可少的部分，其記錄著豐富的地質(zhì)信息。隨著三維化技術(shù)的發(fā)展，對(duì)地質(zhì)露頭進(jìn)行三維建模是野外考察的發(fā)展趨勢(shì)。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的普及，以無(wú)人機(jī)航拍影像為基礎(chǔ)來(lái)建立三維露頭模型已成為地質(zhì)建模研究的新方向。

前人在進(jìn)行地質(zhì)露頭時(shí)主要是利用三維激光掃描儀將地質(zhì)露頭點(diǎn)云化（董秀軍，黃潤(rùn)秋，2006）；劉學(xué)峰等采用LIDAR 掃描儀結(jié)合高清數(shù)碼相機(jī)也對(duì)地質(zhì)露頭進(jìn)行了三維化，但三維激光掃描技術(shù)有著儀器昂貴、操作專業(yè)度高、架設(shè)條件嚴(yán)苛、采集耗時(shí)較長(zhǎng)等缺陷；南京地質(zhì)古生物研究所在2014 年采用全景圖展示與GBDB 數(shù)據(jù)平臺(tái)相結(jié)合的方式采集了野外露頭（侯旭東，樊雋軒等，2014），但未建立三維地質(zhì)模型，難以從多角度精細(xì)觀察。基于前人的研究成果，本研究決定采用無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)與桌面軟件相結(jié)合的方式進(jìn)行研究，構(gòu)建地質(zhì)露頭的三維模型。

1 概述

目標(biāo)剖面位于貴州省安順市關(guān)嶺縣永寧鎮(zhèn)（圖1），地處揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)黔北臺(tái)隆普安扭旋構(gòu)造變形區(qū)，位于燕山期前形成的埡都-紫云古斷裂、陸良古斷裂，開(kāi)遠(yuǎn)-平塘古斷裂圍限的三角地帶。地質(zhì)構(gòu)造為黔西山字型構(gòu)造前面弧的西翼，基本呈北西向45°展布，主要由一束大體平行的較緊密褶皺和逆斷層組成，僅西北部丙壩、崗烏有一部分呈東西向展布（沈誠(chéng)，2014）。該剖面自下而上，除下三疊統(tǒng)夜郎組部分出露以外，出露下三疊統(tǒng)嘉臨江組、中三疊統(tǒng)關(guān)嶺組、中三疊統(tǒng)楊柳井組、中-上三疊統(tǒng)法郎組、上三疊統(tǒng)賴石科組。巖性主要以灰?guī)r、白云巖為主夾細(xì)碎屑巖（孫俊，何妙玲等，2019），為淺海臺(tái)地沉積相區(qū)。本次研究主要層位為中-上三疊統(tǒng)法郎組主竹桿坡段與瓦窯段。

研究采用了傳統(tǒng)野外數(shù)據(jù)采集方式與無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)相結(jié)合的方式展開(kāi)，同時(shí)參考了大量前人的研究資料與文獻(xiàn)，在進(jìn)行傳統(tǒng)的剖面實(shí)測(cè)時(shí)加入了無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量。研究時(shí)重點(diǎn)對(duì)永寧剖面的下三疊統(tǒng)嘉臨江組、中三疊統(tǒng)關(guān)嶺組以及中-上三疊統(tǒng)法郎組進(jìn)行了剖面實(shí)測(cè)，同時(shí)利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行了高空整體航測(cè)，隨后選取了三段出露較好的露頭進(jìn)行局部精細(xì)航拍測(cè)量，共取得無(wú)人機(jī)傾斜攝影照片1500 余張，隨后即利用Pix4DMapper 軟件對(duì)航拍影像進(jìn)行了后期處理，并生成了與野外露頭相匹配的三維模型（圖2）。

圖2 研究流程圖

圖1 研究區(qū)地理位置圖

2 無(wú)人機(jī)航拍

2.1 設(shè)備簡(jiǎn)介

本次研究測(cè)量設(shè)備選用的大疆創(chuàng)新“悟inspire2”系列集成飛行器，同時(shí)搭載了“禪思ZENMUSEX5S”云臺(tái)相機(jī)。悟inspire2采用鎂鋁合金可變形機(jī)身，碳纖維機(jī)臂，從材料上實(shí)現(xiàn)了機(jī)身輕巧，在機(jī)身配置了兩軸FPV 攝像頭用作環(huán)境感知，可精準(zhǔn)避開(kāi)障礙物，同時(shí)具備較強(qiáng)的抗風(fēng)能力，可在10m/s 的風(fēng)速下穩(wěn)定拍攝。禪思ZENMUSE X5S 云臺(tái)相機(jī)具有有2080 萬(wàn)有效像素，結(jié)合悟inspire2 的CineCore2.0 高性能影像處理器可支持最高5.2K 分辨率的照片拍攝，呈像清晰，拍攝仰俯角范圍+40°至-130°，水平范圍±320°使拍攝更加容易。

地面遙控采用的悟inspire2 適配遙控器搭配輔助接收影像的iPadmini，最大可控半徑可達(dá)7KM，控制軟件使用IOS 系統(tǒng)的“Pix4Dcapture”軟件可規(guī)劃飛行航拍線、實(shí)時(shí)控制飛行狀態(tài)、手動(dòng)拍攝等功能（表1）。

2.2 野外剖面航測(cè)

利用無(wú)人機(jī)搭載傾斜攝影相機(jī)野外露頭采集的過(guò)程中，主要獲取的是高精度像片數(shù)據(jù)和POS ( Positioning and Orientating System，定位定向系統(tǒng))數(shù)據(jù)，其中POS 數(shù)據(jù)是集動(dòng)態(tài)GPS 定位技術(shù)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)于一體的航空攝影測(cè)量系統(tǒng)，影像的空間位置可由GPS 測(cè)得，影像的角元素可由陀螺系統(tǒng)來(lái)測(cè)量（印森林，譚媛元等，2018）。根據(jù)Pix4Dmapper 對(duì)建模原始數(shù)據(jù)的要求，本次野外無(wú)人機(jī)采集操作軟件使用與Pix4Dmapper 建模軟件配套的Pix4Dcapture。采集共分為兩種方式:一是對(duì)于低精度總模型，采用網(wǎng)格式航拍，將移動(dòng)端與無(wú)人機(jī)建理連接后，在Pix4Dcapture 移動(dòng)端APP 中,使用矩形框選將研究區(qū)選中，隨之將生成覆蓋整矩形區(qū)域的歸往復(fù)采集航線,航線設(shè)計(jì)參照建模的精度要求，將以至少75%的前后疊置率和60%的側(cè)向疊置率來(lái)進(jìn)行拍攝（圖3）；二是對(duì)于局部高精度模型，采用環(huán)繞式航拍，在Pix4Dcapture 移動(dòng)端app 上選定好拍攝目標(biāo)體，圍繞拍攝目標(biāo)體建立環(huán)繞航線，且每繞中心飛行5°-10°就需要進(jìn)行一次圖像采集來(lái)保持圖像的疊置率。

表1 ZENMUSEX5S 云臺(tái)參數(shù)

圖3 航拍模式示意圖（Pix4D 官方教程有改動(dòng)）

3 三維模型建立

在無(wú)人機(jī)完成原始數(shù)據(jù)采集后，首先需要人工核對(duì)相片是否滿足質(zhì)量要求，對(duì)模糊的影像進(jìn)行剔除并驗(yàn)證是否需要對(duì)缺失嚴(yán)重部分進(jìn)行重拍，待原始影像質(zhì)量核驗(yàn)完畢后即可將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Pix4Dmapper,開(kāi)始三維模型的建立。

圖4 建模流程圖

航拍影像全部導(dǎo)入Pix4Dmapper 以后，軟件將會(huì)自動(dòng)匹配攜帶POS 數(shù)據(jù)的影像中的參考坐標(biāo)系，同時(shí)也可選著輸出結(jié)果的參考坐標(biāo)系，本研究坐標(biāo)系均選著WGS 84 坐標(biāo)系。隨后軟件將對(duì)影像進(jìn)行校正，選出特征匹配點(diǎn)并生成質(zhì)量報(bào)告，報(bào)告中詳細(xì)評(píng)價(jià)了原始影像的質(zhì)量情況、特征點(diǎn)匹配數(shù)量、相片矯正程度、參考坐標(biāo)系等信息。根據(jù)自動(dòng)預(yù)處理所選出的特征匹配點(diǎn)，軟件將根據(jù)相鄰影像匹配程度，利用算法將相片轉(zhuǎn)化為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)不同影像的特征點(diǎn)匹配;隨后在密集點(diǎn)云的基礎(chǔ)上構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）；最后再對(duì)細(xì)小的不規(guī)則三角網(wǎng)進(jìn)行紋理映射，得到最終的三維實(shí)體模型，模型輸出采用FBX 格式（圖4）。剩余3 個(gè)局部高精度模型采用上述同樣的建模步驟，總共得到4 個(gè)三維實(shí)體模型。

4 結(jié)論

本文運(yùn)用了無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，憑借無(wú)人機(jī)靈活便捷的優(yōu)勢(shì)采集高分辨率影像，通過(guò)桌面軟件實(shí)現(xiàn)了三維模型的建立，讓考察不再局限于相片的單一角度與距離，對(duì)建立完善的三維地質(zhì)露頭系統(tǒng)提供了新方案。