陶涛 程景云
甘肃省有色工程勘察设计研究院 甘肃兰州 730000
摘要：无人机倾斜摄影与三维建模技术，在现代矿山地形测量中是必不可少的应用技术之一，该方法通过航拍测得数据，并运用3D建模软件对矿山进行地形测绘，从而获得高分辨率、高精度的正射影像与三维立体模型等倾斜摄影成果。在倾斜摄影成果数据上进行分析，能够计算出露天矿山矿坑和排土场的占地面积、体积等重要数据，为露天矿山开采的环境保护和监督管理提供科学依据。
关键词：倾斜摄影；三维建模；矿山地质环境
Tilt Photography and 3D Modeling Technology in Mine Geological Environment Research and Application at Work
Tao Tao Cheng Jingyun
（Gansu Nonferrous Engineering Exploration &Design Research Institute，Gansu Lanzhou 730000）
Abstract：UAV tilt photography and 3D modeling technology are one of the indispensable application techniques in modern mine topographic survey. The method uses the aerial survey to measure the data and uses 3D modeling software to map the mine to the terrain. Obtain high-resolution，high-precision orthophotos and three-dimensional models and other oblique photography results. By analyzing the data of oblique photography results，it is possible to calculate important data such as the floor space and volume of open pit mines and dumping sites，and provide scientific basis for environmental protection and supervision and management of open pit mining.
Key words：oblique photography；three-dimensional modeling；mine geological environment
引言
随着社会经济的快速发展，人类对于矿物资源的需求与日俱增，由于以往对矿山开发攫取不当，使得矿山地质灾害增多、矿山地形剧烈变化，因此对于矿山的数字化建设变得尤为重要。近年来，无人机倾斜摄影技术逐渐用于矿山地形测量，无人机航拍成本较低、且操作便捷、省时省力、设备维护简单，能够直观准确地反映地物周边真实情况，结合专业的数据处理软件生成三维模型，将矿山3D立体地形图精确地展现出来，并且快速形成3D立体模型，直观地反映地面物体的外观、位置、高度、纹理等属性。
1必要性和意义
随着我国数字化矿山的高速发展，精细化的矿山三维模型作为矿山设计、建设和管理的基础数据应用日益广泛。在矿山的三维建模中，由于地形较为复杂，用传统测量手段和人工三维建模方式无论在效率还是在精度上、效果上都难以满足要求，无人机倾斜摄影具有能够直观反映地物周边真实情况、建筑物侧面纹理可采集、倾斜影像可实现单张影像量测、数据量小易于网络发布的优势，因此倾斜摄影三维建模技术就成为解决问题的新途径。
与传统二维矿山数据相比，矿山三维实景模型突破了平面地图对空间描述二维化、三维空间尺度感差、缺少要素结构与纹理信息等诸多限制，通过对真实地形、地物、建筑数字化三维模拟和三维表达，提供给用户一个与真实环境一样的三维矿山环境；通过对三维矿山的数字化管理，为矿山建设、险情监测提供持续、动态的信息化服务。
通过对重要建筑物和矿山建立三维模型，构建与矿区实景相对应的虚拟环境，使用户可对矿山情况进行远程考察。在应用上，可以实现矿山和其他要素信息的多角度查看和虚拟巡游，同时将地质灾害状况、隐患点等在虚拟三维环境中标识出来。虚拟环境将保持与现实环境的同步更新，通过虚拟环境，对矿山的自身变化，周边环境变化及地质灾害详细监测的信息进行高时效性的显示。
2主要技术方法
现以 ×× 省 ×× 市第二矿场倾斜摄影与三维实景建模项目为例：
2.1技术应用流程
本次任务采用了中海达ifly D6无人机搭载5镜头倾斜摄影仪以及天狼星无人机进行指定区域外业航测。
确定飞行区域。根据谷歌卫星地图圈定需要建模的区域。根据周围地形设置飞行高度，飞行高度要高于飞行范围周围飞行高度。根据实地勘察测区地形特征，此次航测实施及建模区域为矿山采场，总面积为14平方公里。
航线设计阶段。航线按测区走向直线方法铺设，外阔足够，确保多镜头能获得测区内多角度有效影像。天狼星无人机采用井字形航线布设方式。如图1所示。
图1
外业航拍阶段。本项目总计飞行61个架次，拍摄航片63000张，像控点80个，建筑物密集区航向重叠度为80%*80%，山地以及无建筑物区域航向重叠度为75%*75%。航摄中出现的相对漏洞和绝对漏洞均及时补拍，采用前一次航摄飞行的数码相机补摄，补摄航线的两端超出漏洞之外的两条航线，所得各条航带数据满足后续处理的要求及精度。
内业处理阶段。主要包括数据预处理、空中三角测量、生成三维模型和模型精修四个处理过程。
数据预处理主要检查影像和POS数据是否一一对应；影像是否清晰，有无大范围的模糊遮挡现象；必要时对影像进行匀光匀色处理。
空中三角测量采用三维建模软件ContextCapture，将相机参数、影像数据、POS数据进行多视角影像特征点密集匹配，并以此进行区域网的自由网多视影像联合约束平差解算，建立在空间尺度可以适度自由变形的立体模型，完成相对定向；将外业测定的像片控制点成果，在内业环境中进行转刺，利用这些点对已有区域网模型进行约束平差结算，将区域网纳入到精确的大地坐标系统中，完成绝对定向。空三结束后应及时查看精度报告以符合基本精度要求。
全自动三维建模和模型修饰采用多机多节点并行运算三维建模软件进行，将空三后的成果数据直接提交生成三维TIN格网构建，白体三维模型创建，自助纹理映射和三维场景构建。
模型精修采用软件Dp Modeler，对重点建筑物进行单体化建模，最终输出三维实景模型成果。
节点效果图如图2图3图4所示。
2.2成果应用与分析
通过地理信息和遥感技术，最大程度地将矿山地质环境详查数据进行矢量化，套合矿山最新时点三维实景模型，做到矿山地质环境各类要素的三维可视化，实现矿山三维实景模型与全省矿山地质环境详查数据的无缝衔接。实现通过三维视角查看矿山地质环境详细信息，便于地质环境变化和灾害的监测、评估和分析。
在无人机倾斜摄影测量中，在获取高分辨率三维倾斜立体模型数据的同时，也可获取各种露天矿山监测所需的高分辨的 DOM 数据，利用相关软件对DOM进行平面量测，可得出需重点监测的露天矿山的开采范围、开采面积等；利用倾斜模型处理软件ContextCapture自带的三维模型浏览软件Acute3D Viewer进行立体量测，可得出挖填土方量，进行相关专业计算，对矿山的整个开采过程实施动态监测，为露天矿山的管理提供准确直观、及时有效的动态数据支持。
地上模型与地下管道结合（如图5），促进矿山环境“天地空一体化”监管体系建设。以遥感数据为基础，辅以三维建模技术，采用室内解译和实地调查相结合的技术手段，获取区域内矿产资源开发、矿山地质环境、矿山环境恢复治理、矿产资源规划执行监测数据，对监测成果进行综合分析、评价与研究，开展矿山环境变化监测分析、矿山地质灾害三维分析、矿区土地荒漠化监测、矿山复绿效果评价等技术方法创新研究，根据国土资源部门需要及时编制应用成果资料。
3效益分析
（1）信息管理和共享
利用倾斜摄影与三维建模技术制作的矿山三维基础数据，可建立与矿山有关的测绘、地质、遥感、试验、工程条件、环境条件、地质灾害等数据和资料的矿区数据库，提高各种信息的处理、分析、储存、查询的速度和可视化水平，有效保证矿山信息管理的统一性、科学性、实时性、实用性和高效性，保障对矿山的管理效率。
（2）综合治理
矿山三维可视化建模，形成含有复杂地形地貌的矿山三维数字模型，实现矿山观测和分析数据的三维可视化，为资源保护和综合利用等重大问题的研究和决策提供方便条件，为后期矿山综合治理提供依据。并且，三维模型的建立为新员工提供了更为直观有效的的安全教育培训途径。
（3）监测应急
利用倾斜摄影与三维建模技术制作的矿山三维基础数据，可以作为检验监测手段，将矿山边坡、排土场、尾矿库、地下采场和采空区等已发生危险的部位所设置的监控设施统一进行在线监控，进行安全的监控预防；同时对矿山开采引起的地质环境灾害进行动态监测，将其他部门提供的测量、勘探、设计等技术资料进行复核，实现矿山地质环境的综合监测，科学推动矿山长远发展。
4结语
根据此项目的结果表明，运用倾斜摄影测量及相关技术进行的矿区地表快速建模是一种高效快速的建模方法，使用无人机倾斜摄影测量的方法对露天矿山进行动态监测，不仅大大减小了外业的劳动强度，提高了工作效率，缩短了监测周期，而且获取的结果满足露天矿山监测在精度方面的要求，为露天矿山的监测提供了一种快速有效的途径，对于不规则的复杂建筑物模型如地表破碎站、矿石堆场、选矿厂等也可实现精确快速建模。无人机三维倾斜摄影技术作为现代化的测绘技术，其不仅涵盖了信息化、数字化的技术能力，还在极大程度上提升了经济适用性、测绘高效性、数据真实性、测量有效性等方面的能力，同时结合其在垂直方向和四个倾斜角度上的测量优势，以及真实还原地质地形的特点，将大大提升该技术的应用市场，将继续推动该技术的发展。
不过无人机倾斜摄影测量在实际生产应用中仍存在一些不足的地方，比如在影像获取过程中多少都会有一定的死角，造成在模型匹配时存在模型扭曲变形，所以仍需要不断完善和改进。
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论文作者:陶涛,程景云
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第36期
论文发表时间:2019/3/22
标签：矿山论文; 无人机论文; 建模论文; 模型论文; 数据论文; 环境论文; 地形论文; 《建筑模拟》2018年第36期论文;