毛崔磊　田毅　陳建平

摘要：針對(duì)廢棄礦山原地形地貌、堆棄物的規(guī)模、堆棄物的穩(wěn)定性未知等問題，以北京市密云某礦區(qū)為例，采用無人機(jī)技術(shù)獲取研究區(qū)航測(cè)數(shù)據(jù)，提出基于Agisoft PhotoScan的影像三維建模以及精度檢驗(yàn)方法，利用Agisoft PhotoScan軟件進(jìn)行定向、點(diǎn)云提取和正射影像圖的制作，生成了研究區(qū)的三維模型視圖。結(jié)果表明，該方法可以用于建立廢棄礦山的三維模型，縮短了建模的時(shí)間，有效降低了成本，為今后廢棄礦山地質(zhì)災(zāi)害信息獲取提供新的思路。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)技術(shù)；Agisoft PhotoScan軟件；三維建模

中圖分類號(hào)： S127文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

文章編號(hào)：1002-1302（2017）16-0198-04

收稿日期：2017-02-08

基金項(xiàng)目：北京市教育委員會(huì)課題（編號(hào)：京教函〔2015〕282號(hào)）；國(guó)土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（編號(hào)：201411007-3）。

作者簡(jiǎn)介：毛崔磊（1992—），男，河南新鄉(xiāng)人，碩士，主要從事礦山資源環(huán)境研究。E-mail：1042274447@qqcom。

通信作者：田毅，博士，副教授，主要從事土地綜合整治、城市地下空間資源定量評(píng)價(jià)的教學(xué)與科研。E-mail：tianyi@cugbeducn。

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展加快了對(duì)礦產(chǎn)資源的開發(fā)與利用，在帶給社會(huì)效益的同時(shí)，由于長(zhǎng)期不當(dāng)?shù)牡V產(chǎn)開發(fā)，對(duì)于礦山原地形地貌破壞較大，同時(shí)潛在的致災(zāi)隱患不斷增多，隨時(shí)可能發(fā)展成地質(zhì)災(zāi)害，常見的礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害為地面塌陷、邊坡失穩(wěn)、滑坡等，且礦區(qū)周邊常有居民點(diǎn)，一旦災(zāi)害發(fā)生將會(huì)造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡。

由于長(zhǎng)期的開采，礦山廢棄物隨意堆棄，粗放的堆棄導(dǎo)致原地形原地貌未知，堆棄物的規(guī)模未知，堆棄物的穩(wěn)定性未知，以及可能導(dǎo)致潛在的礦山環(huán)境災(zāi)害未知，因此對(duì)于廢棄礦山的地形地貌的精準(zhǔn)測(cè)量變得尤為重要。

近年來，隨著無人機(jī)航拍技術(shù)的不斷成熟，加之無人機(jī)低成本，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，大比例尺高精度、維護(hù)簡(jiǎn)單；在小區(qū)域和飛行困難地區(qū)高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，如在災(zāi)害發(fā)生的區(qū)域進(jìn)行快速的影像獲取，以及礦山地形圖的快速更新，使得無人機(jī)逐漸成為獲取更高精度的影像的主要技術(shù)手段之一。

本研究以北京密云某廢棄礦山為例，提出了利用無人機(jī)遙感技術(shù)獲取的影像來進(jìn)行三維地形建模，并對(duì)廢棄礦山地貌精準(zhǔn)測(cè)量方法進(jìn)行探討[2-3]。

1三維重建方法及軟件

11研究區(qū)簡(jiǎn)介

密云區(qū)位于北京市東北部，屬燕山山地與華北平原交接地，總地形為三面環(huán)山，中部低緩，西南開口的簸箕形。密云區(qū)為暖溫帶季風(fēng)型大陸性半濕潤(rùn)半干旱氣候。四季分明，干濕冷暖變化明顯。地理坐標(biāo)西起116°39′33″E，東至117°30′25″E，東西長(zhǎng)69 km；南起40°13′7″N，北至 40°47′57″N，是華北通往東北、內(nèi)蒙古的重要門戶。

密云區(qū)的礦產(chǎn)資源豐富，已探明儲(chǔ)量的礦產(chǎn)有25種，主要礦產(chǎn)有金、銀、鐵、鎢、鉛等。鐵礦儲(chǔ)量達(dá)95億t，在全國(guó) 2 000 多個(gè)縣中居19位，占北京地區(qū)總儲(chǔ)量的964%，石灰?guī)r的儲(chǔ)量也有近億t。

12原始數(shù)據(jù)的特點(diǎn)及來源

以北京密云某廢棄礦山為研究區(qū)域，通過無人機(jī)利用非量測(cè)相機(jī)對(duì)該地區(qū)進(jìn)行航空攝影測(cè)量（所用sony a5100相機(jī)參數(shù)見表1，相機(jī)見圖1）。本研究區(qū)設(shè)計(jì)飛行相對(duì)高度為 250 m，絕對(duì)高度為450 m，無人機(jī)上搭載的相機(jī)焦距為 285 mm，測(cè)區(qū)范圍總面積達(dá)88 km2，獲得原始照片663張，同時(shí)保證航空攝影測(cè)量時(shí)60%側(cè)向重疊和80%航向重疊的規(guī)范要求。采用GeoFly-X8固定翼無人機(jī)，相對(duì)于多旋翼無人機(jī)其速度更快、效率更高、更節(jié)能，適合大范圍的高清影像的拍攝，可作業(yè)范圍甚至可達(dá)幾十平方公里，是農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)、礦山監(jiān)測(cè)，災(zāi)情監(jiān)測(cè)的首選機(jī)型。該無人機(jī)飛行高度可達(dá) 1 200 m，影像精度為005～010 m，飛行速度35～70 km/h。

121影像特征

在實(shí)際飛行中，該區(qū)域1個(gè)架次完成，共獲取663張照片，其中有效照片658張。對(duì)應(yīng)的照片信息見圖2。該任務(wù)區(qū)內(nèi)包含建筑、道路、植被，各個(gè)類型的航拍原始圖片細(xì)節(jié)見圖3、圖4、圖5。

13三維建模軟件（Agisoft PhotoScan）

Agisoft PhotoScan是一款基于靜態(tài)圖像構(gòu)建高精度三維模型的軟件。依據(jù)最新的計(jì)算機(jī)多目視覺影像三維重建技術(shù)，就可以對(duì)具有影像重疊的照片進(jìn)行處理；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。其在三維場(chǎng)景中的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，如考古（Agisoft Photoscan 和 Adobe Illustrator軟件在田野考古繪圖中的綜合應(yīng)用）、工業(yè)、軍事、醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域都可以使用該軟件進(jìn)行處理。整個(gè)工作流程都是完全自動(dòng)化的。

Agisoft PhotoScan區(qū)別于其他傳統(tǒng)航攝軟件的地方在于它使用的是運(yùn)動(dòng)信息中恢復(fù)三維場(chǎng)景結(jié)構(gòu)（structure from motion，SfM）的方法。SfM三維重建的主要過程如下：（1）利用SIFT算子從每張影像上提取特征點(diǎn)并獲取其對(duì)應(yīng)的Descriptor；（2）根據(jù)POS或其他約束關(guān)系選出可能具有重疊關(guān)系的像對(duì)；（3）對(duì)每一像對(duì)Descriptor進(jìn)行匹配，并使用RANSAC算法進(jìn)行粗差剔除，消除誤匹配；（4）根據(jù)計(jì)算機(jī)多目視覺原理，將各像對(duì)匹配的同名像點(diǎn)連接統(tǒng)一起來，在逐次平差迭代過程中，剔除粗差，估算出視覺場(chǎng)景中相機(jī)和由匹配點(diǎn)形成的稀疏點(diǎn)云的相對(duì)位置；（5）結(jié)合相機(jī)的GPS和像控點(diǎn)的位置坐標(biāo)，通過Damped Least-Squares（DLS）算法來獲取相機(jī)和稀疏點(diǎn)云的真實(shí)空間位置。

2三維模型構(gòu)建

后期影像處理基于POS數(shù)據(jù)進(jìn)行，經(jīng)過一系列的處理后，得到研究區(qū)的三維模型[4]。處理流程見圖6。

21原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理

由于無人機(jī)類別及用途存在差異， 無人機(jī)所獲取的影像

POS信息的文件格式也有所區(qū)別。首先要將POS數(shù)據(jù)格式按照處理軟件的要求進(jìn)行修改，使其能夠順利地導(dǎo)入到工程當(dāng)中。將數(shù)據(jù)格式依次修改為緯度、經(jīng)度、海拔高度、航向、俯仰、橫滾。

22導(dǎo)入影像

在導(dǎo)入之前，檢查影像的質(zhì)量，刪除模糊、變形、色彩異常的影像，提高數(shù)據(jù)的精度。本次拍攝的區(qū)域較大，獲取的影像數(shù)量較多，分區(qū)塊依次單獨(dú)進(jìn)行處理，對(duì)每一個(gè)塊逐一進(jìn)行照片對(duì)齊、點(diǎn)云提取和立體模型的建立，最后再進(jìn)行合并、提取紋理。分區(qū)塊進(jìn)行處理的好處在于，既可以充分利用計(jì)算機(jī)的性能特點(diǎn)，還可以提高影像數(shù)據(jù)處理的效率。需要注意的是，導(dǎo)入的影像必須是依照航線且連續(xù)的影像，與POS數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，中間不能有遺漏。

23數(shù)據(jù)定向、點(diǎn)云提取

Agisoft photoscan根據(jù)空中三角測(cè)量的基本原理，根據(jù)多目視覺影像三維模型重建技術(shù)，自動(dòng)解算出影像的坐標(biāo)、姿態(tài)等信息，同時(shí)自動(dòng)完成影像匹配、內(nèi)定向、相對(duì)定向及絕對(duì)定向等過程，處理過程中不再需要進(jìn)行人工干預(yù)。后期處理所需要的基本數(shù)據(jù)是影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)和地面控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，影像的拍攝姿態(tài)與位置是由無人機(jī)在飛行過程中根據(jù)航線的設(shè)計(jì)和飛行的姿態(tài)來決定。

24立體建模

利用Agisoft photoscan從無人機(jī)航拍的原始影像數(shù)據(jù)和位置信息提取帶有坐標(biāo)信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以快速重新構(gòu)建任務(wù)目標(biāo)的三維模型，即線、面、體、空間等各種數(shù)據(jù)，還原任務(wù)目標(biāo)真實(shí)的形態(tài)特性。

25模型賦予紋理

模型構(gòu)建完成后，需要將模型賦予材質(zhì)、著色、紋理，Agisoft photoscan軟件對(duì)于紋理的生成具有5種不同的模式，包括通用、正射影像、自適應(yīng)正射影像、球形、單一相機(jī)。根據(jù)研究區(qū)特點(diǎn)采用適合研究區(qū)域的自適應(yīng)正射影像模式，以達(dá)到符合實(shí)際的效果，保證質(zhì)量。

26成果輸出

完成上述步驟后，就可以根據(jù)實(shí)際的需要將數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射影像（DOM）、數(shù)字表面模型（DSM）導(dǎo)出，數(shù)字高程模型（DEM）即地形表面形態(tài)的數(shù)字化表達(dá)，它是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實(shí)體地面模型。數(shù)字正射影像（DOM）是對(duì)航空（或航天）相片進(jìn)行數(shù)字微分糾正和鑲嵌，按一定圖幅范圍裁剪生成的數(shù)字正射影像集。它是同時(shí)具有地圖幾何精度和影像特征的圖像。數(shù)字表面模型（DSM）指物體表面形態(tài)以數(shù)字表達(dá)的集合。其中DEM必須是高程信息，是地表的模擬，DSM可以是地物表面的模擬，包括植被表面、房屋的表面，對(duì)DSM進(jìn)行加工，去掉房屋、植被等信息，可以形成DEM。成果輸出時(shí)，根據(jù)需求調(diào)整像元大小、投影坐標(biāo)的類型，選擇分幅圖或整幅圖輸出。輸出的格式常用為TIFF/GeoTIFF（tif）格式，也可導(dǎo)出KML文件，在google earth上打開，數(shù)字地表模型（DSM）也可導(dǎo)出為PDF或3DS等多種格式。三維模型見圖7。

三維模型的精度決定了其可以滿足的不同應(yīng)用需求，為檢驗(yàn)軟件生成的三維模型，在實(shí)地采集了32個(gè)控制點(diǎn)，其中7個(gè)作為匹配點(diǎn)，對(duì)三維模型進(jìn)行匹配，將控制點(diǎn)輸入軟件，坐標(biāo)為wgs84，匹配模型見圖8，導(dǎo)入的GPS點(diǎn)與軟件匹配后的點(diǎn)進(jìn)行比較，計(jì)算得到Z值誤差數(shù)據(jù)（表2）。

從圖9可以看出，誤差總體控制在05 m左右，由于受實(shí)際條件的限制，以及天氣原因的影響，基本上達(dá)到了預(yù)期的效果，與實(shí)際外業(yè)測(cè)量的真實(shí)坐標(biāo)差距不是很大，因此構(gòu)建的三維模型具有較高的精度，可以滿足實(shí)際需求[5]。

3結(jié)論

本研究以廢棄礦山為例，通過無人機(jī)獲取的原始數(shù)據(jù)，運(yùn)用Agisoft PhotoScan軟件建立了相應(yīng)的三維模型，實(shí)現(xiàn)了廢棄礦山的精準(zhǔn)測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果表明，基于Agisoft PhotoScan可以快速得到研究區(qū)的三維模型，并結(jié)合精度檢驗(yàn)，可以滿足相應(yīng)的需求，為廢棄礦山的地貌精準(zhǔn)測(cè)量提供了幫助，相比與傳統(tǒng)的三維建模方式縮短了時(shí)間，降低了成本，具有更好的應(yīng)用前景[6-7]。

同時(shí)需要注意GCP點(diǎn)應(yīng)布置在高對(duì)比度、可清楚地確定出中心位置的目標(biāo)。這樣才能提高影像坐標(biāo)和空間坐標(biāo)的匹配度與可靠性。實(shí)際實(shí)施中受一些客觀條件的限制未能將GCP點(diǎn)做到最優(yōu)化。下一步需要優(yōu)化GCP點(diǎn)位置，從而提高三維模型的精度[8-10]。

今后將研究局部微地貌的表達(dá)，地形的緩陡程度，將三維數(shù)據(jù)與實(shí)地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的可行性與快捷性。

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