無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在柳江盆地實(shí)景三維資源建設(shè)中的應(yīng)用

摘 要：隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)目前已廣泛應(yīng)用于民用領(lǐng)域，相應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)處理軟件也在迅速推進(jìn)。該文基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，通過飛行載體，搭載單個(gè)相機(jī)獲取秦皇島柳江盆地石門寨西門-瓦家山地區(qū)傾斜攝影數(shù)據(jù)影像，并使用大疆智圖軟件處理影像，構(gòu)建野外地質(zhì)教學(xué)實(shí)習(xí)路線大區(qū)域、高精度的實(shí)景三維模型，為實(shí)習(xí)提供重要地形地貌資料數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量；實(shí)景三維資源建設(shè)；地質(zhì)教學(xué)實(shí)習(xí)；無人機(jī)技術(shù)；數(shù)據(jù)處理

中圖分類號(hào)：P231 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）31-0193-04

Abstract： With the development ofUAV technology， UAVs are now widely used in civilian fields， and corresponding image data processing software is also rapidly advancing. Based on tilt photogrammetry technology， this paper acquires tilt photographic data images of the West Gate of Shimenzhai and Wajiashan area in Liujiang Basin， Qinhuangdao through a flying carrier and a single camera， and uses DJI Intelligent Map software to process the images to build a large area of field geological teaching and practice route， high-precision real-life three-dimensional model provides important terrain and geomorphological data for practice.

Keywords： UAV tilt photogrammetry; real-life 3D resource construction; geological teaching practice; UAV technology; data processing

隨著科技的進(jìn)步和信息化時(shí)代的到來，傳統(tǒng)的二維地圖已無法滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)于地理空間信息精準(zhǔn)化、立體化的需求。因此，在2019年初，中國自然資源部著手啟動(dòng)了“十四五”期間的基礎(chǔ)測(cè)繪工作，以及“實(shí)景三維中國”項(xiàng)目的編制工作。這一項(xiàng)目旨在通過構(gòu)建高精度、大規(guī)模并具有共享性的三維模型數(shù)據(jù)，以推動(dòng)數(shù)字城市建設(shè)和智能化發(fā)展[1]。中國科學(xué)院與中國工程院“兩院”院士李德仁先生，在提及“實(shí)景三維中國”建設(shè)時(shí)，強(qiáng)調(diào)了“條件成熟，越快越好”的重要性。他的話語不僅反映了該項(xiàng)目的緊迫性，也表明了三維建模技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，三維模型的精度和應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。它們不僅能為城市規(guī)劃提供直觀的參考，還能在災(zāi)害預(yù)防、環(huán)境保護(hù)、旅游展示等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用，極大地促進(jìn)了城市管理智能化和精細(xì)化水平的提升?！皩?shí)景三維中國”不僅代表了基礎(chǔ)測(cè)繪工作的一個(gè)重大突破，也標(biāo)志著我國在三維數(shù)字化建設(shè)方面邁出了堅(jiān)實(shí)的步伐。它不僅將極大提高我國在地理空間信息服務(wù)方面的國際競(jìng)爭(zhēng)力，更為未來的智慧城市建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[2]。

地質(zhì)教學(xué)實(shí)習(xí)作為地質(zhì)學(xué)教育體系中不可或缺的一環(huán)，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、加深理論知識(shí)的理解和應(yīng)用具有至關(guān)重要的作用。然而，傳統(tǒng)的地質(zhì)教學(xué)實(shí)習(xí)方式往往受到地理?xiàng)l件、時(shí)間、安全等多重因素的限制，導(dǎo)致實(shí)習(xí)效果不盡如人意。尤其在復(fù)雜的野外地質(zhì)環(huán)境中，學(xué)生往往難以全面、深入地了解和掌握地質(zhì)現(xiàn)象及其規(guī)律。這不僅影響了學(xué)生對(duì)地質(zhì)學(xué)的興趣和熱情，也制約了地質(zhì)學(xué)教育的質(zhì)量和效果。

隨著科技的飛速發(fā)展，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為地質(zhì)教學(xué)實(shí)習(xí)提供了新的可能性。無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)以其高效、精確、靈活的特點(diǎn)，在地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸展現(xiàn)出廣闊的前景。該技術(shù)通過搭載高清相機(jī)等傳感器設(shè)備，從多個(gè)角度對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行拍攝，獲取豐富的紋理信息和地形數(shù)據(jù)。相較于傳統(tǒng)的測(cè)量方法，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)具有更高的效率和精度，能夠更全面地反映地質(zhì)現(xiàn)象的真實(shí)情況。

因此，本文將詳細(xì)探討無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在野外地質(zhì)教學(xué)實(shí)習(xí)路線實(shí)景三維資源建設(shè)中的應(yīng)用，通過對(duì)柳江盆地石門寨西門-瓦家山地區(qū)進(jìn)行無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量及實(shí)景三維資源建設(shè)，以期通過這一創(chuàng)新技術(shù)，為地質(zhì)教學(xué)實(shí)習(xí)帶來革命性的變革，提升實(shí)習(xí)效果，促進(jìn)學(xué)生更好地掌握地質(zhì)知識(shí)和技能。

1 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)概述

無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle， UAV）這一概念，起源于20世紀(jì)20年代的軍事領(lǐng)域。英國軍事航空學(xué)會(huì)率先探索了無線電操控飛機(jī)的可能性，旨在不將飛行員暴露于危險(xiǎn)中而實(shí)現(xiàn)偵察和攻擊任務(wù)。美國于1917年研發(fā)并成功試飛了第一架原型無人機(jī)，標(biāo)志著無人機(jī)技術(shù)在軍事領(lǐng)域的初步應(yīng)用[3]。

自誕生之初，無人機(jī)就承載著人類對(duì)空中智能作業(yè)的夢(mèng)想。經(jīng)過一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，特別是隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能及材料工程的飛速進(jìn)步，無人機(jī)已經(jīng)由單一的軍事用途拓展到了廣泛的民用和科研領(lǐng)域。

在地理信息系統(tǒng)（GIS）領(lǐng)域，Bernard等[4]研究者利用大疆精靈3無人機(jī)采集了航空影像，并結(jié)合結(jié)構(gòu)從運(yùn)動(dòng)（SFM）算法計(jì)算得到數(shù)字高程模型（DEM），揭示了北極某區(qū)域由于積雪和結(jié)冰造成的冰川體積變化。此類研究不僅展示了無人機(jī)在極地等惡劣環(huán)境中的適用性，也為全球變化研究提供了新的數(shù)據(jù)獲取手段。

城市規(guī)劃與道路管理是另一重要應(yīng)用領(lǐng)域。Inzerillo等[5]在意大利巴勒莫大學(xué)校園內(nèi)進(jìn)行了道路破損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。他們通過無人機(jī)采集圖像并生成3D模型，與傳統(tǒng)地面激光掃描結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，證明了無人機(jī)在城市基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)方面的潛力和優(yōu)勢(shì)，特別是在自動(dòng)化檢測(cè)和提高安全性上。

對(duì)于火山地貌的研究同樣離不開無人機(jī)的助力。Fedele等[6]學(xué)者結(jié)合無人機(jī)和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)，獲取了高密度三維點(diǎn)云和數(shù)字正射影像。通過構(gòu)建時(shí)間序列的數(shù)字地形數(shù)據(jù)，精確監(jiān)測(cè)活火山的地形變化，這不僅減少了科研人員的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)提高了數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性。

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是一種基于無人機(jī)平臺(tái)的先進(jìn)測(cè)量技術(shù)，它結(jié)合了無人機(jī)的靈活性和傾斜攝影的高精度特性，為地質(zhì)領(lǐng)域提供了一種全新的數(shù)據(jù)獲取方式。該技術(shù)通過搭載高清相機(jī)等傳感器設(shè)備，從多個(gè)角度對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行拍攝，獲取豐富的紋理信息和地形數(shù)據(jù)。這種多角度的拍攝方式使得獲取的數(shù)據(jù)更加全面、細(xì)致，能夠更真實(shí)地反映目標(biāo)區(qū)域的地質(zhì)特征。

在地質(zhì)領(lǐng)域，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛。它不僅可以用于地形地貌的精細(xì)測(cè)量和分析，還可以用于地質(zhì)遺跡的保護(hù)和監(jiān)測(cè)、礦產(chǎn)資源的勘查和開發(fā)等方面。通過無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)，可以為地質(zhì)學(xué)家提供更加全面、準(zhǔn)確的地質(zhì)信息，有助于他們更好地理解和解釋地質(zhì)現(xiàn)象，為地質(zhì)研究和教學(xué)提供有力的支持。

2 野外地質(zhì)教學(xué)實(shí)習(xí)路線實(shí)景三維資源建設(shè)需求分析

位于河北省秦皇島市撫寧縣石門寨鎮(zhèn)的上莊坨村附近，坐落著一處占地約23萬m2的地學(xué)研究寶地——柳江地學(xué)實(shí)習(xí)基地。基于原河北秦皇島煤礦學(xué)校校址，該基地利用柳江盆地獨(dú)有的地質(zhì)景觀資源，為地學(xué)愛好者提供了一個(gè)實(shí)地研習(xí)的理想環(huán)境。

2011年，郝偉等學(xué)者在體驗(yàn)式地質(zhì)教學(xué)領(lǐng)域邁出了重要一步。他們運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)和計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，精心打造了以柳江盆地石門寨西門-瓦家山地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的三維模型。這一成果，借助Virtools平臺(tái)的強(qiáng)大功能，實(shí)現(xiàn)了一套虛擬地學(xué)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)系統(tǒng)，不僅豐富了教學(xué)內(nèi)容，還提升了學(xué)習(xí)效率。2012年，龔文峰等深入剖析了傳統(tǒng)野外實(shí)習(xí)的局限性，并提出了教學(xué)模式改革的建議。他們將視野聚焦在秦皇島柳江盆地，一個(gè)典型的野外實(shí)習(xí)基地。通過引入現(xiàn)代3S空間信息技術(shù)，結(jié)合自然地理的實(shí)習(xí)要求，優(yōu)化了雞冠山實(shí)習(xí)區(qū)的實(shí)習(xí)路線設(shè)計(jì)，確保了數(shù)據(jù)的全面性和實(shí)習(xí)過程的高效性。這些研究成果，無不體現(xiàn)了科技與教育相結(jié)合的重要性。它們不僅增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)地質(zhì)知識(shí)的理解和掌握，也為地學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)發(fā)展提供了寶貴的技術(shù)支持與實(shí)踐平臺(tái)。

野外地質(zhì)教學(xué)實(shí)習(xí)路線通常涵蓋多種地形地貌和地質(zhì)特征，是學(xué)生們進(jìn)行地質(zhì)實(shí)踐的重要場(chǎng)所。然而，傳統(tǒng)的實(shí)習(xí)方式往往難以充分展示這些地質(zhì)現(xiàn)象的真實(shí)性和復(fù)雜性，使得學(xué)生們難以深入理解和掌握相關(guān)知識(shí)。因此，建設(shè)實(shí)景三維資源成為提升地質(zhì)教學(xué)實(shí)習(xí)效果的關(guān)鍵所在。

實(shí)景三維資源能夠真實(shí)、直觀地呈現(xiàn)野外地質(zhì)實(shí)習(xí)路線的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)資源等信息，為學(xué)生提供一個(gè)沉浸式的學(xué)習(xí)環(huán)境。通過實(shí)景三維資源，學(xué)生可以更加深入地了解地質(zhì)現(xiàn)象的形成機(jī)制和演化過程，加深對(duì)地質(zhì)知識(shí)的理解。同時(shí)，實(shí)景三維資源還可以提供交互式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，允許學(xué)生進(jìn)行虛擬漫游、地質(zhì)現(xiàn)象觀察和數(shù)據(jù)分析等操作，從而增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

此外，實(shí)景三維資源還具有可重復(fù)利用和共享的優(yōu)勢(shì)。一旦建設(shè)完成，這些資源可以多次使用，為不同批次的學(xué)生提供相同的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。同時(shí)，這些資源也可以在不同學(xué)?；驒C(jī)構(gòu)之間共享，促進(jìn)地質(zhì)教學(xué)資源的優(yōu)化配置和共享利用。

3 數(shù)據(jù)獲取與處理

無人機(jī)數(shù)字航空攝影技術(shù)在各類不同項(xiàng)目中的應(yīng)用，都遵循著一套科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖鳂I(yè)流程。這一流程確保了工作的高效性、精確性，以及最終成果的質(zhì)量。以下為本次工作的主要作業(yè)流程（圖1）。

3.1 無人機(jī)相關(guān)參數(shù)

此次試驗(yàn)采用的無人機(jī)是大疆御3行業(yè)多光譜版M3M，搭載RTK模塊，實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)高精度定位。集成了1個(gè)4/3 CMOS的2 000萬像素可見光相機(jī)及4個(gè)500萬像素的多光譜相機(jī)，可實(shí)現(xiàn)高精度航測(cè)、作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)、自然資源調(diào)查等應(yīng)用。

3.2 航線規(guī)劃

通過大疆DJI Pilot2軟件進(jìn)行航線規(guī)劃，航向重疊率為80%，旁向重疊率為70%，飛行相對(duì)高度為150 m，開啟實(shí)時(shí)仿地和智能擺動(dòng)功能，GSD為4.6 cm/pixel，航線長(zhǎng)度14 km，測(cè)區(qū)面積0.16 km2，飛行時(shí)間為18 min。

3.3 數(shù)據(jù)處理

本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用了大疆開發(fā)的大疆智圖（DJI Terra）軟件，該軟件是一款以二維正射影像與三維模型重建為主的軟件，同時(shí)提供二維多光譜重建、激光雷達(dá)點(diǎn)云處理、精細(xì)化巡檢等功能[7]。它能夠?qū)o人機(jī)采集的數(shù)據(jù)可視化，實(shí)時(shí)生成高精度、高質(zhì)量三維模型，滿足事故現(xiàn)場(chǎng)、工程監(jiān)測(cè)、電力巡線等場(chǎng)景的展示與精確測(cè)量需求。通過數(shù)據(jù)導(dǎo)入，空三處理，得到數(shù)字表面模型（DSM）（圖2）、數(shù)字正射影像（DOM）（圖3）以及實(shí)景三維模型（圖4）。

4 結(jié)束語

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可以成功應(yīng)用于柳江盆地野外地質(zhì)教學(xué)實(shí)習(xí)路線實(shí)景三維資源建設(shè)中，為地質(zhì)教學(xué)實(shí)習(xí)提供全新的視角和方法。這種技術(shù)的應(yīng)用不僅可以提升實(shí)習(xí)效果，促進(jìn)學(xué)生更好地掌握地質(zhì)知識(shí)和技能，還可以推動(dòng)地質(zhì)教學(xué)資源的優(yōu)化配置和共享利用，促進(jìn)地質(zhì)教育的創(chuàng)新發(fā)展。

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