基于无人机倾斜摄影测量的三维地质建模研究进展

2024-01-08潘书涵刘珺孙梦宇何璇刘配君刘冠琦黄逸贵

四川地质学报 2023年4期

关键词：固定翼优缺点旋翼

潘书涵，刘珺，孙梦宇，何璇，刘配君，刘冠琦，黄逸贵

（安徽建筑大学土木工程学院，合肥 230601）

近十几年来，测绘领域将无人机同航摄技术结合，发展出无人机倾斜摄影测量技术。无人机倾斜摄影测量技术主要包括倾斜影像及航飞数据的获取和处理两方面（孙杰，2019）。

三维地质建模技术包括三维地质模型的生成、可视化、空间分析和应用等方面（潘懋，2007）。三维地质建模技术通过将计算机技术和地质统计学结合，使海量的地质数据从传统的二维平面中跳出，实现地质研究在三维空间中的进行。

目前，无人机倾斜摄影测量技术通过与三维地质建模技术结合，在实现实景三维模拟方面表现出色，并已被广泛运用于资源开发、环境保护、地质灾害监测、野外地质露头建模等领域（朱允伟，2020）。

2021 年8 月，国家自然资源部印发的《实景三维中国建设技术大纲（2021 版）》中提到，实景三维中国建设是落实数字中国、平安中国、数字经济战略的重要举措，是落实国家新型基础设施建设的具体部署，是服务生态文明建设和经济社会发展的基础支撑。2022 年2 月，国家自然资源部印发的《自然资源部办公厅关于全面推进实景三维中国建设的通知》中指出，实景三维是国家重要的新型基础设施，为数字中国提供统一的空间定位框架和分析基础，是数字政府、数字经济重要的战略性数据资源和生产要素。目前，实景三维中国建设已经受到社会各界的广泛重视。

基于无人机倾斜摄影测量技术的三维地质建模作为实景三维中国建设的一部分，目前少有人从前期准备工作方面进行完整的整理总结与对比。因此本文通过对无人机倾斜摄影测量技术和三维地质建模技术的发展现状进行梳理与总结，从无人机机型、三维地质模型及建模软件三个方面进行归纳与对比，为后来研究者在选择无人机、三维地质模型和建模软件时提供参考意见。

1 无人机倾斜摄影测量技术

1.1 概况

摄影测量是利用光学摄影机获取的像片，经过处理以获取被摄物体的形状、大小、位置、特性及其相互关系的技术（龚涛，2014）。摄影测量从产生到现在，已经经历了模拟摄影测量、解析摄影测量、数字摄影测量三个阶段（李德仁，2000）。

无人机是依靠程序控制自动飞行或者由人在地面或母机上进行遥控的飞机（李磊等，2010）。无人机的研制与发展最先是出于军事战略目的，美国是该领域的主要国家之一，其无人机科技水平位居世界前列，我国研制无人机至今已有50 多年的历史。目前无人机广泛应用于军事、地质灾害监测、气象观测、森林火警监控及重大灾难抢险及航空摄影测量领域（李磊等，2010）。

近十几年来，测绘领域将无人机同航摄技术结合，发展出倾斜摄影测量技术。倾斜摄影测量技术也即机载多角度倾斜摄影测量技术，倾斜摄影测量技术主要包括倾斜影像及航飞数据的获取和处理两方面（孙杰，2019）。无人机倾斜摄影测量技术具有低成本、高效率、高精度、高实时性的优点（李少军，2018）。目前，该技术主要通过与三维建模技术结合实现实景三维模拟，并在城市规划、资源开发、环境保护、地质灾害监测等方面得到广泛应用（朱允伟，2020）。

无人机倾斜摄影测量技术的发展主要体现在无人机机型方面。按照无人机的机型，主要分为固定翼无人机、旋翼无人机、垂直起降固定翼无人机等，各有技术优势与不足（孙杰，2019）。

1.2 无人机机型优缺点对比

本文重点对比了三种目前市场上常见的无人机机型（图1），即固定翼无人机、旋翼无人机和垂直起降固定翼无人机。

图1 三种常见的无人机机型

固定翼无人机以汽油发动机作为动力，在续航时间、飞行速度和作业效率方面有着显著优势，但也因飞行速度过快而存在不能获取高分辨率和高清晰度影像的致命缺陷。其次，固定翼无人机外型与飞机基本一致，在起飞降落时要求有足够空旷的场地用于助跑和减速，因为对作业场景有着较高要求而常常受到限制。再者，固定翼无人机在三种无人机中翼数最少，因此机动性最差，且因仅靠两翼维持平衡而操作难度大。

旋翼无人机多以电池作为动力，在续航时间、飞行速度和作业效率方面表现平平，因而在大面积作业时需要频繁起降和更换电池。旋翼与固定翼最大的区别就在于旋翼无人机实现了垂直起降，对作业场景的包容性更强。根据旋翼无人机的体型大小一般可具有四至八翼，能够轻松实现低空飞行和空中悬停，因而能够获取高分辨率的倾斜影像。但因为翼数较固定翼无人机增多，所以在恶劣天气条件下更易受到干扰。另外，其旋翼多为可拆卸型，便于外出携带。

垂直起降固定翼无人机是固定翼和旋翼无人机的结合体，兼具了两者的优点：作业效率高、能够垂直起降和获取高分辨率和高清晰度的倾斜影像。但是该机型的致命缺陷是自重过大，因而续航时间同比与其他两者大大缩短，且导致其载重减少而不利于装载高配置相机。另外，该机型外观最为复杂，外出不便于长距离携带。

基于上述的三种无人机机型的特性，本文认为在进行小范围测量或对航飞数据有高精度要求的情况下，建议优先选择旋翼无人机。旋翼无人机虽在续航能力方面有待提升，但该问题可以通过在外业时准备多块电池解决，且其提供的倾斜影像及航飞数据最为可靠。三种常见的无人机机型优缺点对比如表1。

表1 无人机机型优缺点对比表

2 三维地质建模技术

2.1 概况

三维地质建模包括三维地质模型的生成、可视化、空间分析和应用等（潘懋，2007）。三维地质建模技术通过将计算机技术和地质统计学结合，使海量的地质数据从传统的二维平面中跳出，实现地质研究在三维空间中的进行。三维地质建模技术已经渗入到地质的各个领域，包括矿产、石油、水文地质、工程地质、地热地质、灾害地质等方面（姬广军等，2019）。三维地质模型不仅可以直观、形象地展示地质体的空间分布及其相互关系，还能够为估算矿产总量、工程建设的承载力模拟分析、寻找潜在的地质灾害、寻找远景成矿区提供指导（姬广军等，2019；周永章等，2021）。吴观茂等人（2008）根据三维空间模型构模方法将三维地质模型分为面模型、体模型、混合模型。杨波等人（2019）在利用多源数据构建安徽庐枞盆地三维地质模型中就分别构建了三种模型，如图2 所示。建立不同模型所选用的建模软件也有所不同。制作面模型的软件主要有Context Capture（原Smart 3D）、Pix4 Mapper、街景工厂等。制作体模型的软件主要有GoCAD、Surpac、3DMine、MapGIS、AutoCAD 等。

图2 三种三维模型图（据杨波等，2019）

2.2 三维模型优缺点及应用领域对比

本文对比了三种三维地质模型，即面模型、体模型和混合模型的优缺点。

面模型侧重于三维空间实体的表面特征显示，比如地形起伏、地质体层面、建筑物轮廓与空间形态。面模型的建立往往通过倾斜摄影测量获得的倾斜影像和航飞数据实现的，且目前已有较为完善的软件可以高度自动建立面模型，因而流程较为简单，且工作量相比于其他两种模型工作量小。但是因为面模型的表面特征往往是通过影像数据进行贴图而实现，所以面模型无法表示其拓扑关系和具体属性。此外，如遇到复杂地质体，需要人工手动操作，花费时间较长。

体模型则是根据单一或多源地质数据（如地质调查、钻探、物探、遥感等数据）通过将三维空间实体分割成若干个体元（或体素）进而实现真三维实体显示，并且能够实现地下空间与隐伏地质体的可视化。因为体元的属性可以单独进行描述和存储，所以体模型可以查看地质体的内部属性和进行三维空间操作和分析。但是体模型的构建建立在大量的地质数据的基础之上，越是精确的模型对数据的要求越高且数据量越大，数据统计难度和工作量也随之加大。此外，目前已有软件不能根据已有数据实现高度自动化建模，在建模过程中需要大量的人工干预，建模流程复杂。另外，因为数据本身的局限性和地质体本身的不确定性，导致建模成果往往与实际情况有所出入，精度相对较低，并且难以建立复杂地质体（如倒转地层）的模型。

混合模型则是将同一地区的面模型和体模型对应合并而成，其缺点与体模型的基本一致。其突出优势是能够实现地表特征与隐伏地质体空间特征的匹配。

基于上述三种三维模型的特性，本文认为应根据建模目的的不同选取合适的模型。若建模目的在于展示三维空间实体的地表、地形等表面特征时，应考虑建立面模型；若建模目的在于地下空间或隐伏地质体的可视化，则考虑建立体模型；若建模目的在于将地表特征与地面以下情况对应，则考虑建立混合模型。三种三维模型的优缺点对比结果及对应的应用领域如表2 所示。

表2 三维模型优缺点对比表

2.3 面模型的主要建模软件优缺点对比

本文重点对比了建立面模型的三种主流软件，即Context Capture（原Smart 3D）、Pix4 Mapper 和街景工厂，对比结果如表3。本文认为Context Capture 具有自动化程度高、一站式建模、操作简单、性能稳定的优点，相较于其他主流软件表现更为突出与完善，因此在建立面模型时建议优先选择该软件。