基于無人機(jī)傾斜攝影與激光掃描的露天礦山三維模型構(gòu)建與應(yīng)用研究

摘要：露天礦山地形起伏大、構(gòu)造復(fù)雜，為解決露天礦山傳統(tǒng)測繪難度大、不安全的難題，提出了利用無人機(jī)傾斜攝影和三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行三維模型重構(gòu)，得到傾斜實景三維模型、三維激光點云模型等多源數(shù)據(jù)的方法，并對模型精度進(jìn)行了實地驗證。經(jīng)實際應(yīng)用，此種方法解決了無人機(jī)豎直航攝、無人機(jī)傾斜攝影的一些問題，在露天礦山土方量算、生態(tài)評估、地圖制作、工程規(guī)劃等方面具有較好的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：露天礦山無人機(jī)傾斜攝影三維激光掃描實景三維模型三維點云

中圖分類號：TD17

ResearchontheConstructionandApplicationof3DModelofOpen-PitMinesBasedonUAVObliquePhotographyand3DLaserScanningTechnology

YANXuezheng1GUOZhaodi2HUANGDongliang1YANGYang3

1.HunanVocationalCollegeofEngineering，Changsha，Hu’nanProvince，430001China;2.HunanHuayingSurveyingandMappingTechnologyCompany，Changsha，Hu’nanProvince，430001China;3.HunanNO.2SurveyingandMappingInstitute，，Changsha，Hu’nanProvince，430001China

Abstract：Open-pitmineshavealargeterrainfluctuationandcomplexstructure.Inordertosolvethedifficultyandinsecurityoftraditionalsurveyingandmappingofopen-pitmines，amethodof3DmodelreconstructionusingUAVObliquePhotographyand3DLaserScanningtechnologyisproposed，andobtainsmulti-sourcedatasuchastiltedrealistic3Dmodeland3Dlaserpointcloudmodel，andverifiestheaccuracyofthemodelonthespot.Throughpracticalapplication，thismethodsolvessomeproblemsofUAVVerticalAerialPhotographyandUAVObliquePhotography，andhasgoodapplicationvalueinearthworkcalculation，ecologicalassessment，mapmaking，engineeringplanningandotheraspectsofopen-pitmines.

KeyWords：Open-pitmine;UAVobliquephotography;3Dlaserscanning;Realistic3Dmodel;3Dpointcloud

在黨的十九大報告中，習(xí)近平總書記指出“必須樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念”，綠色礦山建設(shè)成為湖南省礦業(yè)發(fā)展的必然趨勢。在綠色礦山建設(shè)過程中，露天礦山的測繪工作非常重要。礦山勘查、規(guī)劃設(shè)計、生態(tài)評估、工程施工、土方計算、地質(zhì)監(jiān)測、生態(tài)修復(fù)等各方面工作都離不開測繪成果。但傳統(tǒng)的GNSS等測繪技術(shù)具有工作強度大、周期長、成本高的缺點，而且在露天礦山測繪中，陡坡陡崖、滑坡、坍塌等問題給RTK外業(yè)測量帶來嚴(yán)重的安全隱患；而近年發(fā)展迅速的無人機(jī)航測技術(shù)，現(xiàn)在使用較多的仍是豎直中心攝影，獲取3D產(chǎn)品（DEM、DOM、DLG）以此來輔助露天礦山測繪工作。在地形復(fù)雜、高低起伏大的露天礦區(qū)，該技術(shù)很難獲得良好的三維空間精度，且其地形地貌、表面紋理信息不直觀，無法滿足現(xiàn)代綠色礦山建設(shè)的各項工作需求。

近年來，隨著科技迅猛發(fā)展，新型無人機(jī)測繪技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用到露天礦山測繪中來。聞彩煥等人[1]將無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用于露天礦生態(tài)修復(fù)研究中，西安石油大學(xué)左東治等人[2]利用三維激光掃描點云構(gòu)建三維數(shù)字礦山模型。然而，單純的無人機(jī)傾斜攝影與三維激光掃描技術(shù)都有其缺陷，本文以湖南省衡陽市尚卿礦業(yè)關(guān)市鐵礦部分區(qū)域為實驗區(qū)域，擬利用多源數(shù)據(jù)構(gòu)建復(fù)雜地形地貌的露天礦區(qū)的三維模型，探索其技術(shù)特點與應(yīng)用場景，拓寬新型測繪技術(shù)的應(yīng)用邊界。

1礦區(qū)概況

礦區(qū)位于衡陽縣關(guān)市鎮(zhèn)拖壁塘村，屬侵蝕構(gòu)造低山丘陵地貌。礦區(qū)高差極大，地形最高點位于生態(tài)修復(fù)區(qū)北西部，海拔標(biāo)高668.4m，最低點位于礦區(qū)東北部下源江沖，海拔169.5m，地形坡度多為30°～40°，最大坡度達(dá)50°。建模區(qū)域主要包括338、389兩個礦洞口、洞口破碎廠、工業(yè)廣場及四處廢石堆。該區(qū)域最高點與最低點間高差接近300m，地形復(fù)雜、巖壁陡峭、樹木繁多，從高空俯視遮擋嚴(yán)重，為傳統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)查和無人機(jī)航攝帶來了巨大挑戰(zhàn)。

2無人機(jī)傾斜攝影三維建模

無人機(jī)傾斜攝影三維建模的作業(yè)流程如圖1所示。

從工序流程上，主要分為兩個階段：傾斜攝影數(shù)據(jù)采集階段與傾斜影像數(shù)據(jù)處理階段。

2.1無人機(jī)傾斜影像采集

影像采集前，在任務(wù)區(qū)的東部、中部與西部布設(shè)6個像控點，用于提高模型空間精度，因礦區(qū)缺乏位于平地、易于識別與定位的細(xì)小地物拐點（如斑馬線、箭頭、曬坪直角等），提前在指定位置的平地上繪制了“L”形直角標(biāo)識，并采用RTK采集了像控點的三維坐標(biāo)。其相對平面精度與高程精度在5cm以內(nèi)。

礦區(qū)傾斜影像采集使用飛馬D2000無人機(jī)搭載OP3000傾斜像機(jī)完成。該像機(jī)配備五向鏡頭，包括1個焦距為25mm的下視鏡頭，4個焦距為35mm的傾斜鏡頭。為滿足建模要求，航線重疊度設(shè)置為：航向80%，旁向70%，下視鏡頭地面分辨率為3cm。

在普通地區(qū)進(jìn)行無人機(jī)航攝時，一般基于任務(wù)區(qū)的地面最高點來進(jìn)行航高設(shè)計，其目的是為了確保安全飛行高度，避免炸機(jī)風(fēng)險。但本露天礦區(qū)內(nèi)高差極大，如果采用統(tǒng)一航高，一方面會大大降低地面分辨率，同時也會難以完整采集陡峭巖壁側(cè)面紋理。本礦區(qū)采用了無人機(jī)仿地航攝技術(shù)采集數(shù)據(jù)?；跍y區(qū)DEM，共設(shè)計17條航線，變高點91個，相對地面高度140m。最終采集影像6165張。

2.2無人機(jī)傾斜影像處理

礦區(qū)氣流散亂，影像資料存在重疊度不規(guī)則、影像畸變較大、色差與亮度差較大的問題。本次先檢查了影像重疊度，進(jìn)行了像片畸變校正、勻光勻色，使影像成果變形減小、整體色調(diào)色差一致，然后再在ContextCapture軟件中進(jìn)行三維重建。其具體步驟參照了聞彩煥等人[1]的實驗步驟。

傾斜三維模型紋理清晰、層次豐富，可視性強，且非常方便進(jìn)行三維量測，相比正射影像，具有明顯的優(yōu)勢，如圖2所示。

3三維激光點云模型重構(gòu)

無人機(jī)傾斜攝影在多遮擋、多層、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的礦區(qū)無法準(zhǔn)確表達(dá)所有地貌特征，如礦洞、廢采區(qū)、修復(fù)林區(qū)等地貌。為此，本項目采集了三維激光點云數(shù)據(jù)用于構(gòu)建精細(xì)白膜。為精確重建露采場巖壁以及礦山各功能區(qū)立面模型，補充遮擋、空洞、縫隙等點云漏洞，本項目從空、地同時采集任務(wù)區(qū)點云數(shù)據(jù)[3-4]。

空中，采用大疆M300型無人機(jī)搭載禪思L1激光雷達(dá)鏡頭采集三維點云數(shù)據(jù)。航攝范圍沿用傾斜攝影任務(wù)范圍，采用變高飛行，相對航高140m，航線數(shù)7條，點云密度約每平方米60個點。地面，采用FAROS70地面三維激光掃描儀采集了388#礦井口及工業(yè)廣場的點云數(shù)據(jù)。

三維激光掃描工作原理為：由激光雷達(dá)鏡頭發(fā)射固定波長的激光束，控制器記錄激光束發(fā)射姿態(tài)，接收回波并解調(diào)、分析其相位變化，以此計算發(fā)射與接收的時間間隔，推算被測目標(biāo)的距離。根據(jù)GNSS定位數(shù)據(jù)、光束姿態(tài)、與目標(biāo)間距離，即可直接解求目標(biāo)點云空間坐標(biāo)。

將采集的地面點云與機(jī)載Lidar點云分別進(jìn)行預(yù)處理，輸出為CGCS2000坐標(biāo)系統(tǒng)下的標(biāo)準(zhǔn)Las格式點云，在國產(chǎn)點云處理軟件華測CoProcess中，利用同名特征地物，對二者進(jìn)行配準(zhǔn)、融合，并進(jìn)行分類與濾值等操作，制作三維點云模型數(shù)據(jù)。部分模型場景如圖3所示。

4模型精度對比

評估多源三維模型精度，本測區(qū)采集了33個精度點用于對比分析。其中，高程精度點25個，一般位于道路、邊坡、開掘坪等地形高程位置，平高精度點8個，一般選取在建筑角點、加固坎角點等三維特征明顯的位置。以RTK實測點為基準(zhǔn)，通過傾斜攝影實景三維模型、機(jī)載Lidar與地面三維激光掃描融合點云、現(xiàn)場RTK實測的精度對比，分析多源三維模型重構(gòu)的準(zhǔn)確性。

在對比過程中，發(fā)現(xiàn)高程與平面精度沒有明顯偏差。對對比結(jié)果進(jìn)行簡化，將高程檢查點與平高檢查點結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一，詳細(xì)分析如表1、表2所示。

值得注意的是，對傾斜攝影實景三維模型和機(jī)載Lidar與地面三維激光掃描融合點云直接進(jìn)行對比，兩者在道路、廢石邊坡、工業(yè)廣場、房屋、工棚等裸露、連續(xù)的表面重合度非常高，在礦洞周邊、建筑周邊、道路邊線等區(qū)域則時常出現(xiàn)較大誤差。經(jīng)分析：一方面可能由于二者未共用控制點，以及采用不同的遙感姿態(tài)恢復(fù)方法，會在空三或三維重建中出現(xiàn)系統(tǒng)誤差；另一方面可能由于空中、地面點云配準(zhǔn)造成系統(tǒng)誤差。

5多源三維模型在礦山評估中的應(yīng)用

5.1礦體量算

傳統(tǒng)礦體體積計算方法主要是采用塊段估算法。主要是將待估算礦體分割為若干塊段，再根據(jù)塊段投影面積和平均厚度計算塊段體積。該方法精度較差，很難滿足復(fù)雜礦山體積量算的需求。在多源三維模型中，可由傾斜實景三維模型人工識別目標(biāo)礦體范圍（見圖4），再經(jīng)由三維激光點云成果以及預(yù)計高程（見圖5），將目標(biāo)區(qū)域劃分為若干方格，對每個方格按長方體進(jìn)行體積計算。最終求和得到目標(biāo)礦體體積。

5.2生態(tài)現(xiàn)狀調(diào)查

多源三維模型數(shù)據(jù)可視化強，紋理豐富細(xì)致，地表精度高，可基于三維場景、專題圖紙判定生態(tài)現(xiàn)狀，再進(jìn)行現(xiàn)場補調(diào)，能大大提高效率，對礦壁、堆石場等陡峭地貌調(diào)查的安全性大為增強。

如圖6所示，可根據(jù)實景三維人工判斷廢石堆復(fù)綠情況，對細(xì)節(jié)的判讀還可判定礦區(qū)主要樹種等。

5.3輔助工程建設(shè)規(guī)劃

實景三維模型可以提供可視化效果，使工程規(guī)劃更直觀；三維點云模型與傾斜攝影三維模型能提供露天礦山空間構(gòu)造，幫助設(shè)計建造坡度、間距、形制等，并能輔助精確計算面積、土方、工程量。在王堃[5]等的研究中，傾斜三維為礦山建設(shè)規(guī)劃制定提供了強有力的底圖支撐（見圖7-a）。在本文的研究中，通過傾斜三維和點云模型的三維地形構(gòu)造，輔助了廢石堆復(fù)墾等一系列生態(tài)修復(fù)工程設(shè)計（見圖7-b）。

6結(jié)語

本文對地形起伏大的復(fù)雜礦區(qū)構(gòu)建了多源三維模型。經(jīng)檢測，三維點云模型精度略高于傾斜模型數(shù)據(jù)，其綜合精度達(dá)到5cm級別。利用多源三維模型，繪制了礦區(qū)矢量圖與專題地圖，輔助制作了等高線圖，量算了廢石堆體積，助力了礦區(qū)生態(tài)現(xiàn)狀評估與生態(tài)修復(fù)工程設(shè)計[6-7]。

根據(jù)多源三維模型的應(yīng)用情況，其優(yōu)點主要有：（1）相比傳統(tǒng)測繪手段，安全、高效；（2）實景三維模型紋理細(xì)節(jié)豐富，可視性強，能直觀辨認(rèn)地形變化、地物類型；（3）三維激光點云對樹層下、巖壁等功能區(qū)重建效果良好，能更準(zhǔn)確描述露天礦區(qū)實際構(gòu)造；（4）三維模型易量測，在土方量算、現(xiàn)狀調(diào)查、工程規(guī)劃等各方面都有較強的應(yīng)用價值。

基于此技術(shù)的優(yōu)點，其未來應(yīng)用前景廣闊，在綠色礦山建設(shè)中還有較大的開發(fā)應(yīng)用空間。

參考文獻(xiàn)

[1]聞彩煥，王文棟.基于無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的露天礦生態(tài)修復(fù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2020，48（10）：212-217.

[2]左東治，周婷.基于激光掃描的精準(zhǔn)三維數(shù)字礦山模型構(gòu)建及應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2022（3）：251-254.

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