詹容若，段 亮，羅曉容，史 毅，魏榮浩，馬楚萱

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069；2.西北大學(xué) 大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069；3.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029；4.中國科學(xué)院大學(xué) 地球與行星科學(xué)學(xué)院，北京 100049)

0 引 言

數(shù)字露頭模型(digital outcrop models，簡稱DOMs)是采用三維地面激光雷達(dá)數(shù)據(jù)、遙感圖像、探地雷達(dá)數(shù)據(jù)等，對露頭地質(zhì)剖面所有地質(zhì)信息進(jìn)行數(shù)字化整合，實(shí)現(xiàn)多種地質(zhì)特征綜合解釋的目標(biāo)。DOMs也稱為虛擬露頭模型(virtual outcrop model)，是空間中具有X、Y和Z坐標(biāo)點(diǎn)標(biāo)定的三維模型，通常以點(diǎn)云或三角網(wǎng)格的形式呈現(xiàn)[1]。點(diǎn)云是一系列具有X，Y和Z三維空間指向的特定點(diǎn)的集合，包含坐標(biāo)信息和顏色信息[2]。三維網(wǎng)格是由點(diǎn)云模型繪制成的模型，更接近現(xiàn)實(shí)[1]。三維模型能夠克服傳統(tǒng)原位測量方法的局限性，通過數(shù)字曲面來表示所研究區(qū)域的實(shí)際情況[3]。

與傳統(tǒng)野外研究方式相比，DOMs能夠克服二維圖像數(shù)據(jù)拼接造成的露頭幾何形態(tài)成像畸變，以不同視角永久保存露頭特征。高分辨率三維模型能夠異地訪問，重現(xiàn)野外關(guān)鍵細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)野外露頭的開放和共享，尤其對于難以靠近的出露區(qū)，DOMs能有效扭轉(zhuǎn)這些露頭難以觀察和描述的局面。

這樣的數(shù)字露頭已經(jīng)在地學(xué)領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，SMITH，CHESLEY，VOLLGGER，ASSALI，CORRADETTI通過數(shù)字露頭模型展開關(guān)于巖石單元、巖性接觸和地質(zhì)構(gòu)造幾何圖形的連續(xù)空間觀測[4-9]，F(xiàn)ONSTAD，MICHELETTI基于數(shù)字露頭模型調(diào)查地貌演化過程[9-10]，ANTONIO，ESPOSITO以數(shù)字露頭模型為藍(lán)本進(jìn)行自然資源和地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估[11-12]，印森林、朱如凱、鄭劍鋒等利用數(shù)字露頭模型展開剖面砂體在空間構(gòu)型研究，刻畫不同類型沉積體形態(tài)與結(jié)構(gòu)[13-15]。DOMs相對于傳統(tǒng)的剖面解釋，帶來了新的線索[16-18]，同時(shí)也受到國內(nèi)外廣泛的關(guān)注與研究，MARTINSEN、NESBIT對于三維數(shù)字露頭建模這一技術(shù)的應(yīng)用提供了新的思路與方向[19-21]。

分辨率是決定DOMs品質(zhì)的關(guān)鍵，影響著三維模型的清晰程度和重現(xiàn)野外各種關(guān)鍵細(xì)節(jié)的能力。除硬件設(shè)備和建模軟件的影響外，無人機(jī)圖像采集方式、光柵重合(圖像配準(zhǔn))程度和光線條件等因素直接影響著三維數(shù)字露頭模型的分辨率。目前已報(bào)道的無人機(jī)數(shù)字露頭模型普遍使用平面排線式航飛進(jìn)行多點(diǎn)位數(shù)據(jù)的采集[22-27]，且主要針對近乎垂直出露的剖面。面對不同幾何形態(tài)的復(fù)雜露頭，基于規(guī)范排線法航飛和圖像采集的三維DOMs在數(shù)據(jù)完整性和空間分辨率方面的表現(xiàn)不容樂觀，難以保證建模的成功率以及露頭諸多關(guān)鍵細(xì)節(jié)的輸出和再現(xiàn)。

目前，建立DOMs的方法主要有激光雷達(dá)和數(shù)字?jǐn)z影測量2種。2種技術(shù)手段在所需設(shè)備、數(shù)據(jù)類型和處理方式方面有著實(shí)質(zhì)性的差異[28]。相對于數(shù)字?jǐn)z影測量，激光雷達(dá)的優(yōu)勢是能對地表植被進(jìn)行校正。然而，激光雷達(dá)技術(shù)成本高、設(shè)備重、電池續(xù)航時(shí)間相對較短的特點(diǎn)阻礙了該技術(shù)在野外露頭地質(zhì)建模研究中的廣泛應(yīng)用[3]。隨著點(diǎn)云數(shù)據(jù)和數(shù)字圖像處理等技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)已逐漸成為激光雷達(dá)技術(shù)的替代方法[21，28-32]。數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)采用SfM(Structure from Motion)算法，根據(jù)不同角度拍攝的同一場景的多幅圖像來重建三維物體，從而得到可視化三維數(shù)字模型[5，27]。SfM算法依托于專業(yè)軟件，自動(dòng)識(shí)別每張圖像中特征點(diǎn)，提取特征數(shù)據(jù)庫，使用迭代束調(diào)整程序恢復(fù)相機(jī)參數(shù)[33]。SfM與傳統(tǒng)的攝影測量主要區(qū)別在于，前者使用自動(dòng)特征檢測和匹配算法計(jì)算圖像間相對位置，無需任何關(guān)于場景結(jié)構(gòu)、相機(jī)的位置和方位的三維信息。從關(guān)鍵點(diǎn)提取到場景精確重建，整個(gè)過程具有高度自動(dòng)化的優(yōu)勢[34]。

在野外地質(zhì)露頭建模中無人機(jī)廣泛應(yīng)用于數(shù)字?jǐn)z影測量的數(shù)據(jù)獲取[35]。無人機(jī)由于其自身機(jī)動(dòng)靈活且易于運(yùn)輸，成本效率高、能克服空間限制獲取露頭的圖像數(shù)據(jù)，隨著各項(xiàng)性能的提高，消費(fèi)級(jí)無人機(jī)已經(jīng)具備捕捉高分辨率圖像的能力[36]，逐漸成為三維數(shù)字露頭建模的主流方式，廣泛應(yīng)用于各項(xiàng)地質(zhì)調(diào)查和專業(yè)研究中。

通過對鄂爾多斯盆地典型露頭幾何形態(tài)劃分，對不同類型的露頭采用有針對性的航線規(guī)劃，以期達(dá)到提高建模成功率，降低對特定建模軟件的依賴，實(shí)現(xiàn)各類復(fù)雜露頭厘米級(jí)高分辨率三維DOMs建立的目的。為進(jìn)一步挖掘DOMs的應(yīng)用(如可重現(xiàn)的厚度、層/面理和線理的實(shí)測和定量統(tǒng)計(jì)等)提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)字露頭模型

基于無人機(jī)的三維數(shù)字露頭建模主體由數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場預(yù)處理、數(shù)據(jù)處理和成果輸出4個(gè)階段組成(圖1)。

圖1 三維數(shù)字露頭建模環(huán)節(jié)Fig.1 3D digital outcrop modeling process

1.1 數(shù)據(jù)采集

在數(shù)據(jù)采集前需要提前檢查和調(diào)試無人機(jī)、遙控器、安裝無人機(jī)配套軟件的平板電腦等，確?，F(xiàn)場工作順利開展。常見的無人機(jī)多為多旋翼無人機(jī)，具有輕巧便捷特點(diǎn)的同時(shí)有強(qiáng)大的避障功能，由飛行器、云臺(tái)、影像傳感器，遙控器等部件共同構(gòu)成。無人機(jī)通過傳感器獲取實(shí)時(shí)圖像、高程、坐標(biāo)等信息，構(gòu)建飛行器周圍的三維地圖并確定自己的位置。需要注意的是，目前無人機(jī)單塊電池的續(xù)航時(shí)間基本上在半個(gè)小時(shí)以內(nèi)。實(shí)際飛行時(shí)間受溫度以及操作的影響相應(yīng)縮短。

二維圖像數(shù)據(jù)的采集是三維數(shù)字露頭建模中及其關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)的采集方式?jīng)Q定了露頭模型的質(zhì)量。在開始圖像數(shù)據(jù)采集前，有必要對露頭所處位置的自然環(huán)境進(jìn)行近距離的觀察。同時(shí)，地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的變化都會(huì)影響模型成像紋理。數(shù)據(jù)采集過程中，通常采用較短的相機(jī)基線即連續(xù)拍攝位置之間的距離，以最大限度地增加重疊，并盡可能地覆蓋露頭區(qū)[36]。由于自然環(huán)境和客觀條件的限制，對于成功重建露頭所需的最小圖片數(shù)量很難提供明確具體的數(shù)值，最低要求是在最少3張照片中可見相同的特征[33]。圖片數(shù)據(jù)量不足或者重疊度不夠時(shí)，模型會(huì)出現(xiàn)空洞或變形，數(shù)據(jù)量過多時(shí)，在增加點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理難度的同時(shí)會(huì)增加對計(jì)算機(jī)配置的要求和消耗更多的處理時(shí)間。因此針對不同類型的野外露頭，現(xiàn)場選擇有針對性的航飛路徑和圖像采集方式很有必要。

由于SfM算法允許有選擇的使用圖像數(shù)據(jù)[2]，所以在計(jì)算機(jī)配置有保障的條件下，更多的數(shù)據(jù)量更有利于成功實(shí)現(xiàn)三維露頭模型高精度的重建。

1.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)由預(yù)處理和處理組成。預(yù)處理環(huán)節(jié)主要是完成圖片的初步匹配，快速檢查圖像數(shù)據(jù)是否能預(yù)處理出一個(gè)低精度的數(shù)字模型。無人機(jī)數(shù)據(jù)采集完畢并不意味著野外現(xiàn)場工作的結(jié)束，根據(jù)預(yù)處理效果及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)充采集，避免由于地球運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致數(shù)據(jù)屬性變化模型失真。

數(shù)據(jù)預(yù)處理無誤后開始建立高精度三維數(shù)字模型。專業(yè)的建模軟件是處理二維數(shù)據(jù)獲取三維信息，建立高精度三維數(shù)字模型的必備工具。軟件的順利運(yùn)行與計(jì)算機(jī)性能配置有極大的聯(lián)系。常見的建模軟件有ContextCapture，PhotoScan，Acute3D等，文中所呈現(xiàn)的模型均由Pix4D和Reality capture這2款軟件中完成，2款軟件特點(diǎn)突出，差異后述。建模軟件基本遵循數(shù)據(jù)導(dǎo)入、識(shí)別特征點(diǎn)、生成點(diǎn)云及紋理、成果輸出原則(圖2)，不同軟件或略有差異。

圖2 薛峰川剖面二維數(shù)據(jù)在建模軟件中的操作步驟Fig.2 Operation steps of Xuefengchuan reservoir profile 2D data in modeling software

照片集合通過攝影測量學(xué)基本原理與計(jì)算機(jī)視覺區(qū)塊算法的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)處理，快速提取數(shù)百萬表面點(diǎn)的相對三維坐標(biāo)[33，37]。通過多個(gè)具有一定重疊度的照片提取特征點(diǎn)，這些特征點(diǎn)被從一幅圖像追蹤到另一幅圖像，使無人機(jī)位置和物體坐標(biāo)的初始定位成為可能，然后使用非線性最小二乘最小化迭代細(xì)化定位[36]，通過自動(dòng)識(shí)別多幅圖像中匹配特征，恢復(fù)無人機(jī)姿態(tài)并實(shí)現(xiàn)野外數(shù)字露頭模型的重建。高精度點(diǎn)云及紋理清晰完整無誤時(shí)即可輸出模型。

Pix4D是集全自動(dòng)、快速、專業(yè)精度為一體的無人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件，具有用戶友好的界面和簡單的工作流程。軟件通過Lowe提出[37-38]的尺度不變特征變換(SIFT)算法檢測每個(gè)圖像中由不同尺度的局部像素方差確定的唯一特征點(diǎn)，由至少2個(gè)特征點(diǎn)和3個(gè)圖像組成的軌跡用于點(diǎn)云重建，那些不滿足這些條件的將被自動(dòng)丟棄[39]。通過捆綁塊調(diào)整對特征點(diǎn)匹配和相機(jī)參數(shù)的三維幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[40]。初始化處理的成果包括一個(gè)稀疏三維點(diǎn)云，由特征點(diǎn)匹配的估計(jì)位置(x、y、z)、相機(jī)內(nèi)部方向參數(shù)(IOPs；例如焦距和徑向畸變)和相機(jī)外部方向參數(shù)(EOP；例如位置、方向和比例)[37，41]。通過多視角立體(MVS)算法添加可靠的特征匹配點(diǎn)和網(wǎng)格插值執(zhí)行點(diǎn)云加密，得到的加密點(diǎn)云的點(diǎn)比初始稀疏點(diǎn)云多出103倍以上[42]。加密點(diǎn)云通常被插值到一個(gè)連續(xù)的三維網(wǎng)格曲面中，該曲面可視為一個(gè)三角形不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)(TIN)，最終實(shí)現(xiàn)二維數(shù)據(jù)的三維重建(圖2)。

1.3 輸出成果

通過建模軟件運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)露頭二維圖片數(shù)據(jù)的三維重建，生成數(shù)字地表模型(DSM)和正射影像圖?？赏ㄟ^任意視角旋轉(zhuǎn)模型，選定區(qū)域，輸出任意面正射圖。視頻的輸出可選擇設(shè)置輸出分辨率、視頻時(shí)長以及視頻航點(diǎn)路徑。

野外地質(zhì)露頭二維數(shù)據(jù)采集質(zhì)量制約著模型成品的質(zhì)量。采用均一的航線采集數(shù)據(jù)容易造成數(shù)據(jù)缺失導(dǎo)致模型空洞(圖3)。因此建立露頭幾何特征與航線特征的空間關(guān)系，以提高二維數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。

圖3 平?jīng)鋈罍掀拭嫒S數(shù)字模型中數(shù)據(jù)缺失Fig.3 Data missing in 3D digital model of Pingliang Sandaogou section

2 野外露頭幾何特征

野外地質(zhì)露頭模型的精度和完整程度取決于輸入的圖像數(shù)據(jù)質(zhì)量，在采集數(shù)據(jù)過程中，較為普遍的做法是無人機(jī)根據(jù)計(jì)劃好的航線進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集，這種便捷高效的方式在高空攝影測量中被高頻廣泛使用。然而在野外地質(zhì)露頭的建模過程中，自動(dòng)規(guī)劃航線難以實(shí)現(xiàn)對露頭地質(zhì)信息的精細(xì)采集，這意味著要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量數(shù)據(jù)采集首先要對露頭進(jìn)行幾何劃分。這里將野外地質(zhì)露頭根據(jù)其幾何特征劃分為平面/準(zhǔn)平面、曲面、三維組合面3種主要類型(表1)。

平面/準(zhǔn)平面露頭在水平和垂直方向上大多以近直線方式發(fā)育(表1)，露頭以單一平面形式出露，幾何形態(tài)顯著。常見的露頭有陡崖或人為開鑿的山體切面。薛峰川石千峰組露頭是典型的平面/準(zhǔn)平面露頭，該露頭長約120 m，高約9 m，基本無植被覆蓋，輪廓清晰。

表1 地質(zhì)露頭幾何特征Table 1 Geometric features of geological outcrops

曲面露頭多見2種方式發(fā)育，一種在水平方上基本沿直線發(fā)育，在垂向上露頭呈曲線發(fā)育，典型地貌如階地。第2種露頭在垂向上基本沿直線發(fā)育，水平方向呈曲線發(fā)育，如自然滑脫面。三道溝剖面長約220 m，高約40 m，露頭高邊呈折線形態(tài)發(fā)育。露頭主體巖層分布清晰，可見明顯巖層段，但風(fēng)化較嚴(yán)重，典型沉積構(gòu)造保存欠佳。華子山剖面長約260 m，高約125 m，以細(xì)砂巖為主，露頭長邊呈弧線發(fā)育，露頭主體出露良好，少有植被覆蓋。

三維組合面(表1)露頭是野外常見的復(fù)雜地質(zhì)露頭，由一系列曲面或平面在三維空間中組合而成，露頭縱深變化特征明顯。主要分2種，一種正向組合面在地表之上突起明顯，出露地層沿山體多個(gè)面分布，如山體。第2種負(fù)向組合面在地表下呈凹陷形態(tài)發(fā)育，地層沿坑體側(cè)面或底面發(fā)育如礦坑。竹園村剖面長約470 m，高約160 m，主要以砂巖為主，露頭長邊呈曲線發(fā)育，山體表面受流水侵蝕，溝壑明顯，同時(shí)露頭由多個(gè)小型山體嵌套組合而成?；羟袼钠缴狡拭骈L約240 m，高約50 m，主要發(fā)育頁巖。露頭由地表向下凹陷。剖面長邊呈復(fù)雜的曲線發(fā)育，露頭主體由于人工開鑿表面呈不規(guī)則且扭曲破碎的形態(tài)。無植被覆蓋。

3 航拍點(diǎn)位空間特征與實(shí)例分析

建立大尺度模型的數(shù)據(jù)采集常通過自動(dòng)規(guī)劃航線的軟件完成，常見的航線規(guī)劃軟件有Altizure,Pix4D,DJI GS pro,RockyCapture等，然而軟件規(guī)劃航線下采集的數(shù)據(jù)并不能突出典型露頭面精細(xì)地質(zhì)信息，這意味著對不同的地質(zhì)露頭要采取針對性航線開展數(shù)據(jù)采集?；趯β额^的幾何分類和無人機(jī)具備的多種拍攝視角(平行、傾斜和垂直)，提出相應(yīng)的航線規(guī)劃方案(圖4)。

圖4 露頭幾何特征與航拍點(diǎn)位空間關(guān)系Fig.4 Spatial relationship between geometric features of outcrops and aerial photography points

3.1 平面/準(zhǔn)平面

排線直拍是目前最常見的數(shù)據(jù)采集航線，多應(yīng)用在平面/準(zhǔn)平面露頭、大尺度區(qū)域性地貌或城鄉(xiāng)規(guī)劃建模的數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)。通常排線直拍由航線規(guī)劃軟件自動(dòng)控制無人機(jī)采集數(shù)據(jù)，由于野外露頭自然環(huán)境復(fù)雜，在平面/準(zhǔn)平面露頭中(表1)，根據(jù)露頭面出露情況手動(dòng)遙控?zé)o人機(jī)按照排線式航線飛行并采集數(shù)據(jù)(圖4(a))。所采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量與模型清晰度和分辨率直接相關(guān)，必要時(shí)加密航線，保證數(shù)據(jù)的重疊度避免模型空洞。

薛峰川剖面平面特征顯著，出露良好。Pix4D軟件對不同視角中航拍點(diǎn)位的記錄明確，平面露頭二維數(shù)據(jù)的采集記錄了露頭高程(圖5(b))和長度(圖5(c))的變化，反映了露頭幾何特征與航拍點(diǎn)位空間特征的關(guān)系(圖5)。

圖5 薛峰川剖面航拍點(diǎn)位空間特征Fig.5 Spatial characteristics of aerial photography points in Xuefengchuan section

3.2 曲面航拍點(diǎn)位空間特征

曲面露頭(表1)在水平和垂直方兩方向上，一個(gè)近直線發(fā)育，另一個(gè)曲線特征顯著。曲面數(shù)據(jù)的采集方式以排線直拍為基礎(chǔ)，同時(shí)沿露頭曲線發(fā)育方向采用定點(diǎn)環(huán)拍即在每個(gè)采集點(diǎn)上，無人機(jī)通過旋轉(zhuǎn)鏡頭拍攝露頭面，采集完整的露頭圖像數(shù)據(jù)。采集點(diǎn)之間距離以圖片重疊度為依據(jù)進(jìn)行確立。排線法主要應(yīng)用在圖4(b)中aa、cc面的數(shù)據(jù)采集，定點(diǎn)環(huán)拍能夠捕捉到bb面以及aa、bb、cc三面過度處的數(shù)據(jù)信息。兩者結(jié)合能有效的保障數(shù)據(jù)采集的完整性。

華子山剖面是曲面特征明顯的露頭之一，圖6記錄了華子山剖面模型的幾何特征與航拍點(diǎn)位的空間關(guān)系，在俯視圖(圖6(a))中航線基本沿露頭呈曲線形態(tài)，航拍點(diǎn)位正視圖(圖6(b))基本與露頭幾何形態(tài)一致，在關(guān)鍵位置進(jìn)行必要加密。航拍側(cè)視圖(圖6(c))記錄了露頭高程的變化。

圖6 華子山剖面航拍點(diǎn)位空間特征Fig.6 Spatial characteristics of aerial photography points in Huazishan section

3.3 三維組合面航拍點(diǎn)位空間特征

三維組合面(表1)即平面和曲面在三維空間中的組合，是野外露頭中十分復(fù)雜的露頭幾何形態(tài)，各面之間連接關(guān)系復(fù)雜。采用平行、傾斜、垂直視角，通過不同高程環(huán)飛定點(diǎn)環(huán)拍結(jié)合排線直拍的方式采集3位組合面的圖像數(shù)據(jù)(圖4(c))。排線直拍采集bb，cc，ee和ff面數(shù)據(jù)，通過不同高程上環(huán)繞露頭航拍結(jié)合在采集點(diǎn)旋轉(zhuǎn)鏡頭環(huán)形拍攝采集了aa，dd面以及個(gè)面之間連接處的數(shù)據(jù)。環(huán)露頭航線的水平距離以圖片重疊度為依據(jù)，最遠(yuǎn)航線能實(shí)現(xiàn)無人機(jī)視域內(nèi)對露頭的全景捕獲，與露頭距離為L。最近航線的無人機(jī)數(shù)據(jù)采集決定模型分辨率的上限，與露頭距離至少保證L/2，以此為基礎(chǔ)，根據(jù)露頭面積大小適當(dāng)加密航線。在每個(gè)采集點(diǎn)通過旋轉(zhuǎn)鏡頭環(huán)形拍攝，加密數(shù)據(jù)量。對三維組合面采用不同高程環(huán)飛定點(diǎn)環(huán)拍結(jié)合排線直拍相結(jié)合的方式，能夠采集全面高質(zhì)量的二維數(shù)據(jù)，建立高清晰度厘米級(jí)數(shù)字露頭模型。

竹園村剖面三維組合復(fù)雜，Pix4D軟件中航拍點(diǎn)(圖7(a))記錄了露頭主體發(fā)育情況，特別是露頭長邊的曲線特征。航拍點(diǎn)位的正視圖(圖7(b))記錄了對重要層位進(jìn)行二維數(shù)據(jù)的加密采集情況。圖7(c)記錄了竹園村露頭的高程變化以及重要層位在露頭分布的高程特點(diǎn)。

圖7 竹園村剖面航拍點(diǎn)位空間特征Fig.7 Spatial characteristics of aerial photography points in Zhuyuancun section

4 討 論

建模軟件能夠快捷準(zhǔn)確的建立三維地質(zhì)露頭模型。目前常用的Pix4D和Reality Capture 2款建模軟件都是集專業(yè)精度、自動(dòng)校準(zhǔn)、快速、界面友好為一體的專業(yè)建模軟件，輸出OBJ文件即可隨時(shí)在3D模型查看器中查看。

三道溝露頭數(shù)據(jù)采集482張，通過同一組數(shù)據(jù)在兩軟件中的建模分析發(fā)現(xiàn)，Pix4D生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型點(diǎn)云量密集，形態(tài)輪廓清晰(圖8(a))，Reality Capture模型中點(diǎn)云分散，清晰度有限(圖8(b))。在相同數(shù)據(jù)下，Pix4D中的模型清晰度更高，反映更多細(xì)節(jié)。圖8(a)模型空洞面積明顯多于圖8(b)，相應(yīng)的Pix4D相較于Reality Capture需要更高的圖片重疊度才能呈現(xiàn)完整的模型。

圖8 平?jīng)鋈罍掀拭纥c(diǎn)云模型對比Fig.8 Comparison of point cloud models at Sandaogou section in Pingliang

Pix4D和Reality Capture作為2款業(yè)內(nèi)常用軟件，在數(shù)據(jù)要求、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、網(wǎng)格紋理數(shù)據(jù)、圖片輸出和視頻輸出等方面存在顯著不同(表2)。因此在實(shí)際應(yīng)用中選擇相應(yīng)的軟件滿足不同建模需求。

表2 Pix4D與Reality Capture軟件對比Table 2 Comparison between Pix4D and Reality Capture

綜合2款軟件的各自情況(表2)發(fā)現(xiàn)，對于地層序列、不整合面、沉積結(jié)構(gòu)(如河道或砂壩)、斜坡地貌、交錯(cuò)層理、厚度變化、裂縫方向和間距等精細(xì)定量研究有更高要求的情況下，Pix4D能夠很好的呈現(xiàn)地質(zhì)細(xì)節(jié)，加載高程或海拔信息，進(jìn)行長度、平面面積以及體積的精細(xì)測量。對于模型測量的需求有限，在著重強(qiáng)調(diào)露頭地貌特征或地質(zhì)構(gòu)造幾何圖形的連續(xù)空間觀測的情況下，Reality Capture基本完成建模任務(wù)。

5 結(jié) 論

1)根據(jù)露頭的幾何形態(tài)選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集航線能夠有效提高高分辨率的數(shù)字露頭模型構(gòu)建成功率。

2)野外地質(zhì)露頭常見幾何形態(tài)主要分為平面/準(zhǔn)平面、曲面和三維組合面3大類，分別對應(yīng)排線直拍、環(huán)飛定點(diǎn)環(huán)拍結(jié)合排線直拍、不同縱深環(huán)飛定點(diǎn)環(huán)拍結(jié)合排線直拍3種航線規(guī)劃方式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)完整清晰的數(shù)據(jù)采集，通過對數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)的精密規(guī)劃，降低了模型對軟件的依賴程度。

3)Pix4D與Reality Capture各自優(yōu)勢突出，根據(jù)具體建模目的和要求選擇相應(yīng)軟件，提高模型構(gòu)建效率。

4)高分辨率數(shù)字露頭模型在支撐露頭的精細(xì)解剖和數(shù)據(jù)永久保存的同時(shí)，為重現(xiàn)的虛擬實(shí)測(厚度、層/面理和線理等)及定量統(tǒng)計(jì)奠定可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。