趙 彬，狄廣禮

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第一地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 洛陽 471000）

我國礦物資源豐富，儲量較大且分布位置廣泛，但是正是由于礦物資源的分布范圍較廣，其開采工作情況較為復(fù)雜。如果沒有得到有效控制，極易造成礦山地質(zhì)災(zāi)害，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境破壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生山體滑坡、土體崩壞以及水土流失問題，甚至?xí)：Ξ?dāng)?shù)鼐用竦纳?、?cái)產(chǎn)安全[1]。近年來，多個(gè)地區(qū)的政府都嘗試開展地質(zhì)勘查，但是開展地質(zhì)勘查之前都需要先了解當(dāng)?shù)氐V區(qū)的開采現(xiàn)狀、地質(zhì)變化趨勢、邊界條件以及礦物儲存情況。開展地質(zhì)勘查工作主要是為了了解礦山環(huán)境中的地質(zhì)問題類型、潛在危害分布情況以及未來地質(zhì)變化趨勢，并且為后續(xù)區(qū)域治理奠定良好基礎(chǔ)[2-4]。

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)綜合測繪技術(shù)與遙感技術(shù)，近年來得到普遍應(yīng)用，該技術(shù)在環(huán)境適應(yīng)性方面具有較大優(yōu)勢，而且安全性、可視功能以及可持續(xù)使用功能受到眾多研究者的青睞[5]。有學(xué)者使用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，通過無人機(jī)采集的影像數(shù)據(jù)生成礦區(qū)的AR效果，提升勘查環(huán)境的真實(shí)性，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化勘查，但是該項(xiàng)技術(shù)成本較高，仍舊需要進(jìn)一步改進(jìn)[6]；還有學(xué)者在利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)勘查礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境時(shí)采用對比分析方式，從多個(gè)層面深入分析礦山區(qū)域地質(zhì)環(huán)境變化情況，獲得較為詳細(xì)的勘查分析結(jié)果，但是該方式過于復(fù)雜，仍舊處于研究階段[7]。

基于上述分析，本文提出在礦山地質(zhì)勘查中使用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，獲得研究區(qū)域的基本圖像信息，以此為依據(jù)使用三維模型生成軟件獲得研究區(qū)域的三維模型，實(shí)現(xiàn)該地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境勘查研究。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河南省平頂山市，該礦區(qū)是河南省礦業(yè)產(chǎn)業(yè)改革后廢棄遺留下來的無人管理石灰?guī)r礦山區(qū)域，在開采階段遭受大量人為破壞，地質(zhì)環(huán)境以及生態(tài)環(huán)境均發(fā)生嚴(yán)重破壞。該礦區(qū)靠近西北側(cè)的山谷是石料主要開采區(qū)域，石料采集量約為20.83萬m3，礦區(qū)荒廢之后形成大量結(jié)構(gòu)松散石渣坡以及不計(jì)其數(shù)的石礦開采后的陡壁。該研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造方面具有背斜褶皺，斷層對該區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)造成破壞，只能歸類為中等類型地質(zhì)結(jié)構(gòu)。該研究區(qū)域整體地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜性較低。

2 礦山地質(zhì)勘查路線

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在礦山地質(zhì)勘查中的應(yīng)用整體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)礦山地質(zhì)勘查路線Fig.1 Mine geological survey route of UAV tilt photography technology

本文礦山地質(zhì)勘查路線包含線路規(guī)劃、勘查點(diǎn)定位、數(shù)據(jù)采集等。在數(shù)據(jù)獲取后，使用三維軟件建立研究區(qū)域的三維模型，實(shí)現(xiàn)研究區(qū)域礦山地質(zhì)勘查，獲得最終研究結(jié)果。

3 數(shù)據(jù)采集與航點(diǎn)坐標(biāo)定位

（1）數(shù)據(jù)采集。通過構(gòu)建三維模型實(shí)現(xiàn)研究區(qū)域的礦山地質(zhì)勘查，構(gòu)建模型之前需要先使用無人機(jī)獲取研究區(qū)域的實(shí)際情況，確定研究區(qū)域模型構(gòu)建范圍。本文研究使用搭載GPS定位模塊與高清攝像設(shè)備的小型旋翼無人機(jī)，該無人機(jī)材質(zhì)為全碳纖維結(jié)合鈦合金材料，傳感器芯片為工業(yè)級，無人機(jī)規(guī)格為936 mm×1 161 mm×689 mm，飛行時(shí)最大承重為13 kg，持續(xù)續(xù)航35 min，最大飛行半徑約為15 km，能夠抵抗7級以下強(qiáng)風(fēng)，無人機(jī)上所搭載的傾斜航攝儀布置4個(gè)攝像頭，其中有3個(gè)45°傾斜鏡頭與1個(gè)下視鏡頭，最高像素為1億，曝光時(shí)間低于1/3 500 s，每間隔1.5 s曝光一次。

圖像采集時(shí)先使用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，獲得研究區(qū)域中需要構(gòu)建模型的實(shí)景圖像，拍攝之前還需要提前規(guī)劃航線。規(guī)劃拍攝航線時(shí)，不能按照研究區(qū)域大小規(guī)劃，而是需要使航線范圍超出研究區(qū)域，同時(shí)航線與研究區(qū)域之間重合度需要達(dá)到75%以上，這樣才能保證收集的圖像數(shù)據(jù)較為完整[8-10]。

數(shù)據(jù)采集時(shí)需要關(guān)注圖像的清晰度，將采集后小角度拍攝與異常曝光圖像剔除。如果篩選之后數(shù)據(jù)數(shù)量不足以支撐模型構(gòu)建所需數(shù)據(jù)時(shí)，可以考慮重新采集圖像，圖像采集時(shí)需要不斷調(diào)節(jié)無人機(jī)的高度和拍攝范圍，合理調(diào)整拍攝點(diǎn)位置。數(shù)據(jù)采集完成后，根據(jù)圖像內(nèi)容定位研究區(qū)域中的相關(guān)目標(biāo)信息。

（2）基于無人機(jī)傾斜攝影的定位研究。礦山地質(zhì)勘查中最為關(guān)鍵的部分就是定位研究，定位通過坐標(biāo)確定[11-13]。使用無人機(jī)搭載攝影設(shè)備，可以使用攝影結(jié)果實(shí)現(xiàn)定位，通過計(jì)算同名光線交匯獲得定位坐標(biāo)。同名光線交匯原理如圖2所示。

圖2 同名光線交匯原理Fig.2 Principle of ray intersection of the same name

圖2中的2個(gè)方形物體分別表示無人機(jī)采集的2個(gè)傾斜圖像，O表示物方焦點(diǎn)，O1和O2是在這2個(gè)傾斜圖像上的物方焦點(diǎn)投影，2個(gè)傾斜圖像的攝影中心分別使用T1和T2描述。只有獲取圖像的實(shí)時(shí)姿態(tài)，才能使用光線交匯原理實(shí)現(xiàn)最終坐標(biāo)確定，也就是說需要掌握內(nèi)、外方位元素?cái)?shù)值，才能構(gòu)建出預(yù)想的定位數(shù)學(xué)模型。使用該模型只需要對兩個(gè)圖像展開計(jì)算就能確定所需勘查點(diǎn)的坐標(biāo)位置。定位數(shù)學(xué)模型也是一種共線方程，以該模型作為基礎(chǔ)，將傾斜與豎直圖像的旋轉(zhuǎn)與位移參數(shù)添加進(jìn)去，把傾斜狀態(tài)的圖像向豎直狀態(tài)轉(zhuǎn)換，再開展計(jì)算，最終確定目標(biāo)信息。

4 礦山地質(zhì)勘查三維模型構(gòu)建

用Photoscan軟件處理上文中確定的目標(biāo)信息，以及圖像采集中獲得的其他數(shù)據(jù)內(nèi)容，排列計(jì)算圖像中的內(nèi)容，生成密集點(diǎn)云。

在點(diǎn)云基礎(chǔ)上，生成研究區(qū)域地物剖面線，將這些剖面線導(dǎo)入3D Mine軟件中，該軟件是一種經(jīng)常應(yīng)用在礦區(qū)山體地理信息勘查研究的軟件，使用該軟件能夠準(zhǔn)確構(gòu)建研究區(qū)域中山體、溝谷的三維立體模型，該軟件包含的模塊能夠準(zhǔn)確構(gòu)建出山體的變化趨勢以及區(qū)域地物形狀。模型構(gòu)建實(shí)際上就是先構(gòu)建緊密相連的數(shù)個(gè)三角面，內(nèi)部包含不透明的實(shí)體，逐漸連接最終形成一個(gè)連接在一起的網(wǎng)格整體[14]。在3D Mine軟件中加載剖面線后生成的模型形態(tài)如圖3所示。

圖3 3D mine軟件中加載剖面線后閉合效果Fig.3 Closure effect after loading profile line in 3D mine software

剖面線導(dǎo)入時(shí)可以使用圖3這種存在差異的顏色實(shí)現(xiàn)地物區(qū)分。使用三角網(wǎng)格連接剖面線，隨機(jī)選取任意2個(gè)三角網(wǎng)閉合線。以此為基礎(chǔ)，依次多段三角網(wǎng)連接，直到得到需要的完整三角網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，就可以使用鍵盤上的Esc按鍵結(jié)束網(wǎng)格連接[15-17]，此時(shí)初步構(gòu)建完成研究區(qū)域的模型構(gòu)建，部分區(qū)域三維網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4 部分區(qū)域三維網(wǎng)格模型Fig.4 3D grid model of some regions

對于圖4中這種連接到一起的三維網(wǎng)格，可以進(jìn)一步完成編輯，例如紋理映射、表面重建、顏色調(diào)整等[18-20]。依據(jù)研究區(qū)域?qū)嶋H比例大小，調(diào)整模型極大極小坐標(biāo)，構(gòu)建完全包裹的研究區(qū)域模型，最終實(shí)現(xiàn)單元模塊填充。通過最終生成的研究區(qū)域三維模型實(shí)現(xiàn)礦山地質(zhì)勘查，確定研究區(qū)域巖體穩(wěn)定情況和生態(tài)保護(hù)情況。

5 應(yīng)用效果

本文所研究的石灰?guī)r礦山已經(jīng)作出部分改造，使用所提方法能夠了解該區(qū)域開采石礦的情況以及地質(zhì)變化情況。研究區(qū)域部分影像如圖5所示。

圖5 研究區(qū)域部分影像Fig.5 Partial images of the study area

使用所提方法構(gòu)建研究區(qū)域三維模型，通過剖線連接、網(wǎng)格連接、紋理映射等步驟后，完成研究區(qū)域三維重構(gòu)，將研究區(qū)域中較為復(fù)雜的分布結(jié)構(gòu)中的細(xì)節(jié)充分體現(xiàn)出來。三維重建后的研究區(qū)域部分效果如圖6所示。

從圖6中能夠看出，使用所提方法重建的三維模型具有較為真實(shí)、良好的構(gòu)建效果，礦區(qū)實(shí)際結(jié)構(gòu)以及巖土結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)出真實(shí)狀態(tài)。為了驗(yàn)證所提方法模型重建坐標(biāo)與實(shí)際地物坐標(biāo)之間的誤差情況，在實(shí)際環(huán)境與相對應(yīng)的重構(gòu)模型中隨機(jī)選擇多個(gè)對應(yīng)點(diǎn)，驗(yàn)證定位準(zhǔn)確性，結(jié)果見表1。

圖6 研究區(qū)域三維重建模型Fig.6 Three-dimensional reconstruction model of study area

表1 定位準(zhǔn)確性驗(yàn)證Tab.1 Positioning accuracy verification

從表1中的結(jié)果中能夠看出，所提方法的無人機(jī)傾斜攝影坐標(biāo)與實(shí)際環(huán)境中的坐標(biāo)基本一致。由此可以看出，所提方法的無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)實(shí)現(xiàn)的坐標(biāo)定位，均能呈現(xiàn)出良好的礦山地質(zhì)勘查效果。

高程檢測也是礦區(qū)勘查研究的重要指標(biāo)之一，隨機(jī)選取對應(yīng)點(diǎn)，檢測高程定位準(zhǔn)確性結(jié)果見表2。

表2 高程檢測Tab.2 Elevation detection

由表2可知，研究區(qū)域中實(shí)際高程檢測結(jié)果與本文所勘查結(jié)果一致，進(jìn)一步說明本文使用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)勘查礦區(qū)地質(zhì)具有較高準(zhǔn)確性。

本文所重建的研究區(qū)域三維模型已經(jīng)能夠充分說明所提方法的優(yōu)勢，但是目前研究領(lǐng)域中，大量需求數(shù)字劃線圖（DLG）和正射數(shù)字圖（DOM），本文所使用的方法功能強(qiáng)大，能夠在重建三維圖像基礎(chǔ)上生成DOM圖與DLG圖，生成結(jié)果如圖7所示。

圖7 DOM圖與DLG圖生成效果Fig.7 DOM diagram and DLG diagram generation effect

在本文所使用的三維模型中，添加一個(gè)編輯軟件轉(zhuǎn)換三維模型的格式，經(jīng)過繪制就可以生成DLG圖，這種通過三維圖像進(jìn)一步生成的DLG圖具有更加立體的效果，且精度更高，生成等高線時(shí)，能夠得到更加準(zhǔn)確的效果，同時(shí)在地物勘查測量方面具有更大優(yōu)勢。

在本文所構(gòu)建的模型上，只需要更加簡便的繪制方法，就能獲得DOM圖。由于本文所構(gòu)建的三維模型已經(jīng)具備紋理信息，且拍攝角度多樣，所以能夠滿足DOM圖生成過程中需要的填充像素效果，獲得DOM圖正射標(biāo)準(zhǔn)較高。

通過以上實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果可知，所提方法能夠準(zhǔn)確捕捉研究區(qū)域中的地質(zhì)情況與環(huán)境情況。

6 結(jié)論

在礦山地質(zhì)勘查中，利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)收集研究區(qū)域礦山地質(zhì)勘查圖像信息，以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建研究區(qū)域三維模型，用于實(shí)現(xiàn)礦山地質(zhì)與環(huán)境勘查。

（1）所提方法重建的三維模型具有較為真實(shí)、良好的構(gòu)建效果，礦區(qū)實(shí)際結(jié)構(gòu)以及巖土結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)出真實(shí)狀態(tài)。

（2）所提方法的無人機(jī)傾斜攝影坐標(biāo)與實(shí)際環(huán)境中的坐標(biāo)基本一致，能呈現(xiàn)出良好的礦山地質(zhì)勘查效果。

（3）研究區(qū)域中實(shí)際高程檢測結(jié)果與本文所勘查結(jié)果一致，表明使用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)勘查礦區(qū)地質(zhì)具有較高的準(zhǔn)確性。

（4）所提方法能夠準(zhǔn)確捕捉研究區(qū)域中的礦山地質(zhì)情況與環(huán)境情況。