无人机倾斜摄影测量技术在矿山监测中的应用

周勇兵

（武汉市测绘研究院，湖北 武汉 430022）

0 引言

近年来，随着无人机软硬件水平的不断提高，倾斜摄影测量技术也随之快速发展。传统的航空摄影测量虽能快速获取目标地物的相对位置及顶面信息，但难采集到地物的侧面纹理信息，已无法满足现阶段三维建模的需求［1］。自然资源部办公厅于2022 年印发了《关于全面推进实景三维中国建设的通知》，明确了实景三维中国建设的目标、任务及分工情况等，标志着实景三维中国建设逐步由前期的局部试点实施转向全面铺开。相较于传统的二维正射影像，实景三维模型能全方位直观真实地反映人类生产生活的时空信息，为数字中国建设提供统一的空间框架和分析基础，成为国家重要的新型基础设施。

倾斜摄影测量技术是测绘领域近年来发展起来的一项前沿技术，其突破了传统正射影像仅能从下视方向拍摄的局限，通过搭载在飞行平台上的多视角相机从不同角度来获取目标地物数据，可高效获取地物丰富的侧面纹理信息，并对目标区域的地物进行实景三维模型重建。通过无人机倾斜摄影测量技术生成的实景三维模型，可直观真实再现目标地物场景，使用者可通过改变观察视角来获取全方位的地物纹理信息。因此，其在国土资源调查、地形图测量、生态修复以及应急保障等领域中具有重要的应用价值［2-5］，也受到越来越多的相关领域专家及从业人员的关注。

中国拥有数量众多、类型丰富的矿产资源，矿产资源的开发在一定程度上促进国民经济的发展，而一些不合理的开发（主要是超采超挖）对生态环境造成了严重的破坏。随着国家生态文明建设的逐步推进，矿山生态修复问题亟待解决。矿山监测是矿山修复的前提，通过定期监测分析可有效获取矿山现状及修复情况，但矿山范围较大，且多地处偏僻区域，传统的人工巡查方式效率低，还容易出现遗漏。本研究基于无人机倾斜测量技术来获取矿山及周边区域内的三维实景模型，在此基础上，对矿山开挖情况进行巡查及统计分析，极大提高矿山监测工作的效率和效果。

1 无人机倾斜摄影测量技术

倾斜摄影测量技术不仅是指使用无人机进行采集，只因无人机便捷高效、成本低及周期短，应用的越来越广泛［6-7］。相较于传统的建模方法，无人机倾斜摄影测量技术构建的模型逼真度更高、建模效率更快，生产成本也更低［8］。目前，无人机分为固定翼、多旋翼和复合翼（又称垂直起降固定翼）3 种类型。其中，固定翼无人机的航速快、航程远、升限高，适合大面积航空摄影。多旋翼无人机操作简单，维护方便，比较适合小面积航空摄影。复合翼无人机则兼具固定翼无人机和多旋翼无人机的优势，在测绘生产中的使用频率越来越高。本研究采用成都纵横大鹏无人机科技有限公司生产的CW-10 垂直起降固定翼无人机作为飞行平台，并搭载成都睿博研制的DG3 Pro 五镜头相机（镜头参数见表1）进行倾斜航空摄影。

表1 镜头参数

外业采集完成后，先进行数据下载与预处理，对色彩有问题的照片可事先进行增强处理，预处理完成后，将照片、相机参数、POS 数据、控制点导入到建模软件中。ContextCapture 软件（原Smart3D 软件升级版）是目前应用最广的倾斜建模软件，但其建模效率较低，且处理大面积空中三角测量的失败率较高，本研究采用武汉大势智慧科技有限公司的重建大师进行空三运算及模型输出。检查导入数据无误后，提交空中三角测量，针对大范围空三处理容易报错的情况，可将测区划分为多个区块分别进行空三处理，每个区块还可进一步分割子区块，确保每个子区块不超过10 000 张照片。在完成空三处理后，将各区块空三合并，设置模型坐标系、原点坐标和瓦块大小等，进行三维模型输出，具体工作流程如图1 所示。空三处理和模型输出都是非常耗时的过程，单机处理运算效率低，无法满足大范围实景三维重建的需求，本研究采用多个运算节点并配合高性能存储设备，来实现网络化集群运算，可极大提高工作效率。

图 无人机三维建模步骤

2 网络集群运算

采用单机模式进行空中三角测量和模型重建的效率非常低，常规的工作站进行模型重建时，一天只能处理不到0.5 km2的区域，难以满足大范围实景三维重建的需求。为了提高空中三角测量和模型输出的效率，要采用网络化集群模式进行运算。ContextCapture 软件支持集群模式进行三维模型生产，但该软件的模型输出效率不高，且在处理大范围空中三角测量时容易失败。因此，本研究采用大势智慧科技有限公司研发的重建农场进行空三处理和模型重建，重建农场是一款软硬件一体的高密三维模型重建系统，其采用第二代Intel至强可扩展处理器和OneAPI工具包，能有效解决实景三维数据生产中空间占用大、功耗需求高、生产效率低、统一管理难等问题。一套重建农场设备包含10 个运算节点，每个节点均安装有空三计算及三维建模软件重建大师，该软件可支持多节点任务分发及协同处理。在创建工程时，要将照片路径和工程目录均设置为共享状态，建议采用网络路径，并设置每个节点的任务目录和引擎监控目录，其他操作与单机处理一致。提交空中三角测量和模型重建任务后，各计算节点会自动从相应目录接收任务，并进行自动化处理。

针对大范围的模型重建任务，要多套农场（一套农场含10 个节点）同时开展工作，而空中三角测量和模型重建都是数据密集型任务，且在空三处理和模型重建时软件会生成大量的中间成果，其中包含大量的碎片小文件，从而对网络存储设备的读写和吞吐性能提出更高的要求。为满足多节点运算需求，防止节点在抢占数据读写时因堵塞而导致效率降低，本研究采用泽塔云zOcean海量分布式存储系统来保障各运算节点的并发读写需求。zOcean是针对海量大数据及高并发I/O 应用开发的一款集硬件平台、分布式存储系统和智能管理模块于一体的存储设备，其具有高性能、高扩展、高可靠性。在实际生产环境中，由于实景三维重建设备和工作场所中的其他设备能通过同一个交换机进行数据传输，为进一步提升节点访问存储设备的速率，有必要将重建农场与zOcean 存储设备通过高速传输网线直连，防止通过交换机传输受到其他终端访问占用带宽的影响，导致性能下降。

对大范围的三维模型重建，一般采取瓦块输出，在减轻浏览压力的同时，方便后续浏览调用。根据项目需求和硬件性能来选择瓦块大小，对常规的工程项目，为保障浏览的流畅性，一般将瓦块大小设置为50～150 m。在进行模型输出时，要设置模型成果的坐标系和原点坐标值，其和瓦块大小共同决定了瓦块划分在空间的分布情况。在不同的模型重建任务中，只要保证成果坐标系、原点坐标值和瓦块大小设置一致，则瓦块的空间位置索引可实现兼容，极大地方便了三维模型的局部更新。在局部更新中，只要获取更新区域三维模型瓦块的索引集合，在提交重建任务时，选择该集合的瓦块进行输出，输出完成后，将成果文件夹拷贝替换原有的数据即可。

3 建模及效率分析

本研究选取的试验矿山区域面积约为16 km2，该区域以平原和丘陵为主，局部有一些低矮的山丘，整体高低起伏不大，矿山周围分布有大量的中低层建筑，纹理较为复杂。将目标区域按飞行高度进行外扩，并采用五镜头相机规划航线飞行，共获取约35 000张照片，同时飞行中会记录像机曝光时Pos 位置和姿态参数。将照片和Pos 数据导入重建大师中，采取常规模式进行自由网空中三角测量，然后导入控制点进行绝对定向空中三角测量。通过内业航测获取控制点，利用原有航摄资料来恢复目标区域的立体像对，并采集标线、墙角等明显特征点作为控制点。将控制点坐标文件导入重建大师软件进行刺点，剔除已经发生变化的特征点，共采用控制点21 个。得益于重建大师强大的空三处理能力，通过分割子区块可一次性完成两次空三过程，每次空三运算完成后，要查看空三报告，重点关注照片入网率、重投影误差以及控制点误差是否满足项目要求等。检查空三报告无误后，即可进行模型重建，新建重建任务时要正确配置各项参数信息，重点是成果坐标系、原点坐标、瓦块大小等。本次建模面积约为16 km2，面积大小适中，为测试网络化集群建模效率，采用40个节点（4套重建农场设备）进行模型建模，仅用时约8 h即可完成对目标区域模型重建，通过DasViewer三维模型浏览器打开重建完成的模型，检查模型的结构、精度、色彩等，模型局部示意如图2所示。从图2可以看出，模型房屋的结构较为规整，色彩饱和自然，通过浏览器工具量取部分特征点，检查其坐标精度均满足项目需求。

图2 模型局部示意图

为测试存储设备的性能，使用10 个节点重新输出模型，共耗时32 h，建模时间消耗与节点个数成正比关系，证明zOcean存储设备可有效负荷40个节点的高并发访问，性能没有随着节点的增多而出现下降的情况。此外，为对比重建大师的建模效率，在重建农场设备中安装ContextCapture 三维建模软件，并将试验区域的空三成果导出为XML 文件，然后在ContextCapture中新建重建工程，导入重建大师空三区块，并按照相同设置参数输出实景模型，也采用40 个节点运算，最终共耗时约13 h 完成所有任务，即重建大师的建模效率要明显优于ContextCap⁃ture软件的建模效率。相较ContextCapture 软件，重建大师进行三维模型重建时，初次提交建模时易出现失败的情况，经统计后发生该情况的发生概率约5%。根据目标区域的纹理复杂情况，概率可能会有一定差异，对发生重建失败的瓦块，后续可采取增强模式或修改重建参数重新提交建模，部分边缘区域和纹理信息非常少（如水面）的区域可能无法重建成功，水面区域模型缺失可通过软件进行修补。

4 矿山监测分析

相比于二维影像，三维实景模型可全方位多角度地对地物进行展示，用户可通过Dasviewer 浏览器打开模型进行查看。通过三维模型获取目标地物丰富的侧面纹理及高度信息，这些信息对矿山监测具有重要作用，图3 为矿山三维模型几个局部区域的示意图，从图中可以看出，基于无人机倾斜摄影测量技术生成的三维模型纹理非常精细，具有良好的目视判读效果。

图3 矿山模型局部示意图

除了人工目视观察矿山外，还可在三维实景模型上进行一些基础的量测工作，如测量距离、高度、周长及面积等，尤其是高质量测量对矿山监测具有重要意义。图4 是在三维模型上进行基础量测操作的示意图，其中左图为测量A点到B点的距离、平距及高差，右图为测量闭合多段线的周长和面积。

图4 矿山模型测量示意图

除了基础的量测功能外，还可采用一些更高级的统计分析工具对矿山情况进行分析。其中，最重要的分析工作就是对矿山的超采超挖情况进行统计。一般来说，矿山都要在规定的高程面上进行开采，低于该高程基准进行开采的行为属违法行为。通过DasViewer 浏览器打开三维实景模型，切换到体积测量工具界面，首先设置规定高程为基准面，并选取合适的采样距离，然后在模型中绘制感兴趣的区域范围，绘制完成后可方便获取目标范围内超出和低于高程基准面的挖方量和填方量，如图5 所示。其中，A 区域为填方区域（低于基准面，填方量即为超挖量），B区域为挖方区域（高于基准面）。

图5 矿山挖填方示意图

5 结语

实景三维模型可直观真实全方位地描述地表地物信息，可作为国土空间管控和规划设计的数据底座，在越来越多的行业中发挥着重要作用。特别是在自然资源部公布“实景三维中国”项目后，实景三维建设在各地的应用逐渐步入高潮，相关的标准体系、工艺技术、软硬件产品将为测绘生产效率带来巨大的提升。随着实景三维模型的应用范围不断扩大，无人机倾斜三维技术受到的关注也越来越多。针对大范围的倾斜三维重建，单机处理模式效率很低，难以满足现有的工作需求。为提高模型重建的效率，本研究采用基于高性能分布式存储的多节点网络化集群处理。重建农场是软硬件一体的私有云集群三维重建系统，而zOcean存储能有效满足空三和模型重建的海量大数据及高并发I/O 应用的需求，将两者有机地结合起来，构成一个高效率的实景三维生产平台。通过对目标区域进行试验，该平台能极大地缩短模型生产工期，取得良好效果，具有实际推广价值。

生态文明建设是关系人民福祉和民族未来的长远大计，矿山监测对生态环境建设工作具有重要的意义，传统的人工现场巡查方式不仅效率低下，且耗时费力，难以满足实际应用的需求。本研究通过无人机倾斜摄影测量技术快速生成矿区的三维实景模型，在此基础上，用户可观察矿山真实全面的现状信息，并通过工具进行统计分析，相较人工巡查方式，该方式能显著提高矿山监测的效率和效果，为矿山整治修复提供新思路。