基于民用无人机航拍数据的矿山建模研究

王康

摘要：采用普通民用无人机多角度航拍技术获取矿山航测数据，结合PhotoScan三维建模软件对矿山构建三维模型，应用于数字矿山的三维建设，可实现在短期内生成矿区的三维模型视图以及正射影像图。

关键词：无人机;三维建模;矿山;PhotoScan软件

当前，随着无人机航拍技术的不断成熟，而且无人机低成本、机动性强、高精度、维护简单的优点，让无人机在小区域和地形复杂地区快速获取高分辨率影像数据有着明显的优势，加之后期可以结合专业的数据处理软件生成三维模型，则更能直观的、多角度的反映地面物体的外观、位置、高度、纹理等属性，为后续工作提供了更为直观的资料。

近年来，随着绿水青山就是金山银山的理念不断深入人心，中国生态文明建设的力度逐渐加大，基于对矿山进行数字化监测、管理的应用日益广泛，因此相关部门对简便、快速的三维建模的方式迫切需求。在矿山的三维建模过程中，由于矿区地形复杂性以及环境的不稳定性，通过传统的测量手段和人工三维建模技术无论在精度还是效率上都难以满足要求。同时在外业数据采集过程中就作业人员人身安全角度来讲，传统建模方式都是存在一定的问题，而且作业过程中的不确定的危险因素也会时常出现。随着技术的更新、设备成本的降低结合无人机航拍数据的三维建模手段成为解决上述问题的新途径。采用普通民用无人机多角度航拍技术获取矿山航测数据，结合PhotoScan三维建模软件对矿山构建三维模型，应用于数字矿山的三维建设，可实现在短期内生成矿区的三维模型视图以及正射影像图。

本研究以惠安县螺阳镇某采石场为例，基于无人机低空航拍数据建立实景三维模型及正射影像图。

1 研究区域概况

1.1 矿区位置

矿区位于惠安城区235°方向，直距约5.8km。行政区划隶属福建省惠安县螺阳镇管辖。矿区范围东西长约213～233m，平均长223m，南北宽约163m，面积36350m2。其地理坐标为：东经118°44′50″～118°44′58″;北纬 25°00′04″～ 25°00′09″。本區地处福建沿海经济开发区，交通网络十分发达。

1.2 矿区现状

矿区目前有采场1个（见图1），东西方向平均长120m，南北方向平均宽110m，最低开采标高+90m，最大采深55m，已采出矿石量40.88万m?。开采层位为晚侏罗世侵入的永兴超单元为代表的似斑状中粗粒二长花岗岩，开采方式采用露天山坡式自上而下分台阶开采。开采台阶高度为15米，自上而下划分为：+144m水平台阶、+130m水平台阶、+118m水平台阶、+108m水平台阶、+90m水平台阶。根据现场调查情况，矿山+90m水平台以上台阶都已开采完毕，现状仅+90m台阶仍有开采。

2 无人机航飞数据采集

本次研究采用的是大疆Phantom 4 Pro无人机，Phantom 4 Pro无人机的相机配备1英寸2000万像素影像传感器，可拍摄4K/60fps视频，并以14张/秒的速度拍摄静态照片。FlightAutonomy系统新增后视视觉传感器与机身两侧的红外感知器，让Phantom 4 Pro拥有5向环境识别与4向避障能力，安全性更高，飞行更智能。飞行控制软件为DJI GO 4，航拍数据获取选用DJI GS PRO地面专业站中的测绘航拍区域模式，通过该模式，根据设定的飞行区域以及飞行器相机参数，智能规划飞行航线，执行航拍任务。

2.1 确定飞行区域

在DJI GS PRO地面专业站中新建飞行任务，选择测绘航拍区域模式，通过地图选点，确定作业区域范围。根据实地勘察矿区地形特征，本次航拍建模区域为矿山采场、工业广场及排土场，为了更好的体现矿山以及矿山周边的环境状况，所选区域的范围应大于矿区范围，本次设定区域总面积0.92km?。

2.2 飞行参数设置

根据无人机型号选用相机型号，本次任务选用Phantom 4 Pro Camera相机。根据周围地形设置飞行高度，飞行高度要高于飞行范围内的所有山体、植被、建筑物，本次飞行高度设置为248.0m。根据飞行区域内的风力状况设置飞行速度，飞行速度设置为5m/s。重叠率的设置影响到作业飞行时长以及后期建模质量，重叠率越高无人机飞行时间越长，对电池的需求约大，但后期建模质量会更高;重叠率越低无人机飞行时间越短，对电池的需求越小，但后期建模质量会偏低。考虑到电池续航能力及后期建模质量最优化，根据以往工作经验，将航向（飞行方向）重叠率设置为60%，旁向（飞行方向两边的方向）重叠率设置为60%。根据以上参数设置，本次飞行任务规划主航线条数6条，航点数69点，预计飞行时间33分22秒，所需电池数约3组。

2.3 无人机数据采集

利用大疆DJI GO 4软件进行飞行参数、飞行条件的检查，参数正常后，切换到DJI GS PRO软件接管飞机，上传飞行参数成功后，执行飞行任务。本次飞行拍摄共耗时50多分钟（包括无人机往返更换电池时间），共采集62张数字影像数据（见图2）。

3 三维建模

3.1 三维建模软件

PhotoScan是一款基于影响自动生成高质量三维模型的优秀软件，这对于三维建模需求来说实在是一把利器。而且无需设置初始值，无需相机检校，它根据最新的多视图三维重建技术，可对任意照片进行处理，无需控制点，而通过控制点则可以生成真实坐标的三维模型。照片的拍摄位置是任意的，无论是航摄照片还是高分辨率数码相机拍摄的影像都可以使用。整个工作流程无论是影像定向还是三维模型重建过程都是完全自动化的。

3.2 三维建模流程

3.3 三维建模成果

按照上述三维建模流程，可生成较为直观的三维模型（见图4）。

4 结语

结合PhotoScan三维建模软件，对矿山运用无人机多角度航拍是一种高效快速的建模方法。采用无人机自动飞行、自动拍照的作业模式，快速、准确的采集矿区影像数据，经过后期三维建模软件处理，实现了矿区地表大规模、快速、高效的建模;节省了作业时间，降低了作业成本，提高了建模效果。结果表明，本次民用无人机航拍数据的矿山建模研究效果显著，为今后三维建模技术在地质灾害点治理、矿山的地质环境治理过程中以及其他领域的应用提供了新思路。

参考文献：

[1] 王俊强，韩宏强，孙建霖.基于无人机低空摄影高分辨率三维地形景观的实现[J].测绘技术设备，2013（04）.

[2] 曲林.基于无人机倾斜摄影数据的实景三维建模研究[J].测绘与空间地理信息，2015（03）.

[3] 王耿明，朱俊凤，武国忠，等.广东省矿山开采占地情况遥感监测与综合研究[J]. 华南地质与矿产，2015（04）.

[4] 秦绪文，杨金中，康高峰，等.矿山遥感监测技术方法研究[M].北京：测绘出版社，2011.

[5] 黎富忠.无人机航拍技术在三维建模上的应用[J].广西水利水电，2016（4）.

（作者单位：福建省197地质大队）