无人机倾斜摄影测量在柳江盆地实景三维资源建设中的应用

摘 要：随着无人机技术的发展，无人机目前已广泛应用于民用领域，相应的图像数据处理软件也在迅速推进。该文基于倾斜摄影测量技术，通过飞行载体，搭载单个相机获取秦皇岛柳江盆地石门寨西门-瓦家山地区倾斜摄影数据影像，并使用大疆智图软件处理影像，构建野外地质教学实习路线大区域、高精度的实景三维模型，为实习提供重要地形地貌资料数据。

关键词：无人机倾斜摄影测量；实景三维资源建设；地质教学实习；无人机技术；数据处理

中图分类号：P231 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）31-0193-04

Abstract： With the development ofUAV technology， UAVs are now widely used in civilian fields， and corresponding image data processing software is also rapidly advancing. Based on tilt photogrammetry technology， this paper acquires tilt photographic data images of the West Gate of Shimenzhai and Wajiashan area in Liujiang Basin， Qinhuangdao through a flying carrier and a single camera， and uses DJI Intelligent Map software to process the images to build a large area of field geological teaching and practice route， high-precision real-life three-dimensional model provides important terrain and geomorphological data for practice.

Keywords： UAV tilt photogrammetry; real-life 3D resource construction; geological teaching practice; UAV technology; data processing

随着科技的进步和信息化时代的到来，传统的二维地图已无法满足现代社会对于地理空间信息精准化、立体化的需求。因此，在2019年初，中国自然资源部着手启动了“十四五”期间的基础测绘工作，以及“实景三维中国”项目的编制工作。这一项目旨在通过构建高精度、大规模并具有共享性的三维模型数据，以推动数字城市建设和智能化发展[1]。中国科学院与中国工程院“两院”院士李德仁先生，在提及“实景三维中国”建设时，强调了“条件成熟，越快越好”的重要性。他的话语不仅反映了该项目的紧迫性，也表明了三维建模技术发展的必然趋势。随着技术的不断进步，三维模型的精度和应用范围也在不断扩大。它们不仅能为城市规划提供直观的参考，还能在灾害预防、环境保护、旅游展示等多个领域发挥巨大作用，极大地促进了城市管理智能化和精细化水平的提升。“实景三维中国”不仅代表了基础测绘工作的一个重大突破，也标志着我国在三维数字化建设方面迈出了坚实的步伐。它不仅将极大提高我国在地理空间信息服务方面的国际竞争力，更为未来的智慧城市建设奠定了坚实的基础[2]。

地质教学实习作为地质学教育体系中不可或缺的一环，对于培养学生的实践能力、加深理论知识的理解和应用具有至关重要的作用。然而，传统的地质教学实习方式往往受到地理条件、时间、安全等多重因素的限制，导致实习效果不尽如人意。尤其在复杂的野外地质环境中，学生往往难以全面、深入地了解和掌握地质现象及其规律。这不仅影响了学生对地质学的兴趣和热情，也制约了地质学教育的质量和效果。

随着科技的飞速发展，无人机倾斜摄影测量技术应运而生，为地质教学实习提供了新的可能性。无人机倾斜摄影测量技术以其高效、精确、灵活的特点，在地质领域的应用逐渐展现出广阔的前景。该技术通过搭载高清相机等传感器设备，从多个角度对目标区域进行拍摄，获取丰富的纹理信息和地形数据。相较于传统的测量方法，无人机倾斜摄影测量技术具有更高的效率和精度，能够更全面地反映地质现象的真实情况。

因此，本文将详细探讨无人机倾斜摄影测量在野外地质教学实习路线实景三维资源建设中的应用，通过对柳江盆地石门寨西门-瓦家山地区进行无人机倾斜摄影测量及实景三维资源建设，以期通过这一创新技术，为地质教学实习带来革命性的变革，提升实习效果，促进学生更好地掌握地质知识和技能。

1 无人机倾斜摄影测量技术概述

无人机（Unmanned Aerial Vehicle， UAV）这一概念，起源于20世纪20年代的军事领域。英国军事航空学会率先探索了无线电操控飞机的可能性，旨在不将飞行员暴露于危险中而实现侦察和攻击任务。美国于1917年研发并成功试飞了第一架原型无人机，标志着无人机技术在军事领域的初步应用[3]。

自诞生之初，无人机就承载着人类对空中智能作业的梦想。经过一个世纪的发展，特别是随着电子技术、计算机科学、人工智能及材料工程的飞速进步，无人机已经由单一的军事用途拓展到了广泛的民用和科研领域。

在地理信息系统（GIS）领域，Bernard等[4]研究者利用大疆精灵3无人机采集了航空影像，并结合结构从运动（SFM）算法计算得到数字高程模型（DEM），揭示了北极某区域由于积雪和结冰造成的冰川体积变化。此类研究不仅展示了无人机在极地等恶劣环境中的适用性，也为全球变化研究提供了新的数据获取手段。

城市规划与道路管理是另一重要应用领域。Inzerillo等[5]在意大利巴勒莫大学校园内进行了道路破损检测实验。他们通过无人机采集图像并生成3D模型，与传统地面激光扫描结果进行对比分析，证明了无人机在城市基础设施维护方面的潜力和优势，特别是在自动化检测和提高安全性上。

对于火山地貌的研究同样离不开无人机的助力。Fedele等[6]学者结合无人机和数字摄影测量技术，获取了高密度三维点云和数字正射影像。通过构建时间序列的数字地形数据，精确监测活火山的地形变化，这不仅减少了科研人员的风险，同时提高了数据的质量和可靠性。

无人机倾斜摄影测量技术是一种基于无人机平台的先进测量技术，它结合了无人机的灵活性和倾斜摄影的高精度特性，为地质领域提供了一种全新的数据获取方式。该技术通过搭载高清相机等传感器设备，从多个角度对目标区域进行拍摄，获取丰富的纹理信息和地形数据。这种多角度的拍摄方式使得获取的数据更加全面、细致，能够更真实地反映目标区域的地质特征。

在地质领域，无人机倾斜摄影测量技术的应用已经越来越广泛。它不仅可以用于地形地貌的精细测量和分析，还可以用于地质遗迹的保护和监测、矿产资源的勘查和开发等方面。通过无人机倾斜摄影测量技术获取的数据，可以为地质学家提供更加全面、准确的地质信息，有助于他们更好地理解和解释地质现象，为地质研究和教学提供有力的支持。

2 野外地质教学实习路线实景三维资源建设需求分析

位于河北省秦皇岛市抚宁县石门寨镇的上庄坨村附近，坐落着一处占地约23万m2的地学研究宝地——柳江地学实习基地。基于原河北秦皇岛煤矿学校校址，该基地利用柳江盆地独有的地质景观资源，为地学爱好者提供了一个实地研习的理想环境。

2011年，郝伟等学者在体验式地质教学领域迈出了重要一步。他们运用虚拟现实和计算机图形技术，精心打造了以柳江盆地石门寨西门-瓦家山地区的地质结构为基础的三维模型。这一成果，借助Virtools平台的强大功能，实现了一套虚拟地学认识实习系统，不仅丰富了教学内容，还提升了学习效率。2012年，龚文峰等深入剖析了传统野外实习的局限性，并提出了教学模式改革的建议。他们将视野聚焦在秦皇岛柳江盆地，一个典型的野外实习基地。通过引入现代3S空间信息技术，结合自然地理的实习要求，优化了鸡冠山实习区的实习路线设计，确保了数据的全面性和实习过程的高效性。这些研究成果，无不体现了科技与教育相结合的重要性。它们不仅增强了学生对地质知识的理解和掌握，也为地学领域的专业发展提供了宝贵的技术支持与实践平台。

野外地质教学实习路线通常涵盖多种地形地貌和地质特征，是学生们进行地质实践的重要场所。然而，传统的实习方式往往难以充分展示这些地质现象的真实性和复杂性，使得学生们难以深入理解和掌握相关知识。因此，建设实景三维资源成为提升地质教学实习效果的关键所在。

实景三维资源能够真实、直观地呈现野外地质实习路线的地形地貌、地质构造和矿产资源等信息，为学生提供一个沉浸式的学习环境。通过实景三维资源，学生可以更加深入地了解地质现象的形成机制和演化过程，加深对地质知识的理解。同时，实景三维资源还可以提供交互式的学习体验，允许学生进行虚拟漫游、地质现象观察和数据分析等操作，从而增强学生的实践能力和创新能力。

此外，实景三维资源还具有可重复利用和共享的优势。一旦建设完成，这些资源可以多次使用，为不同批次的学生提供相同的学习体验。同时，这些资源也可以在不同学校或机构之间共享，促进地质教学资源的优化配置和共享利用。

3 数据获取与处理

无人机数字航空摄影技术在各类不同项目中的应用，都遵循着一套科学严谨的作业流程。这一流程确保了工作的高效性、精确性，以及最终成果的质量。以下为本次工作的主要作业流程（图1）。

3.1 无人机相关参数

此次试验采用的无人机是大疆御3行业多光谱版M3M，搭载RTK模块，实现厘米级高精度定位。集成了1个4/3 CMOS的2 000万像素可见光相机及4个500万像素的多光谱相机，可实现高精度航测、作物生长监测、自然资源调查等应用。

3.2 航线规划

通过大疆DJI Pilot2软件进行航线规划，航向重叠率为80%，旁向重叠率为70%，飞行相对高度为150 m，开启实时仿地和智能摆动功能，GSD为4.6 cm/pixel，航线长度14 km，测区面积0.16 km2，飞行时间为18 min。

3.3 数据处理

本次试验数据处理采用了大疆开发的大疆智图（DJI Terra）软件，该软件是一款以二维正射影像与三维模型重建为主的软件，同时提供二维多光谱重建、激光雷达点云处理、精细化巡检等功能[7]。它能够将无人机采集的数据可视化，实时生成高精度、高质量三维模型，满足事故现场、工程监测、电力巡线等场景的展示与精确测量需求。通过数据导入，空三处理，得到数字表面模型（DSM）（图2）、数字正射影像（DOM）（图3）以及实景三维模型（图4）。

4 结束语

无人机倾斜摄影测量技术可以成功应用于柳江盆地野外地质教学实习路线实景三维资源建设中，为地质教学实习提供全新的视角和方法。这种技术的应用不仅可以提升实习效果，促进学生更好地掌握地质知识和技能，还可以推动地质教学资源的优化配置和共享利用，促进地质教育的创新发展。

参考文献：

[1] 刘建程.倾斜摄影测量面向城市实景三维建模与质量评价[D].阜新：辽宁工程技术大学，2022.

[2] 李德仁，李明.无人机遥感系统的研究进展与应用前景[J].武汉大学学报（信息科学版），2014，39（5）：505-513，540.

[3] 邹剑波.无人机倾斜摄影精细化实景三维建模及校园GIS应用[D].徐州：中国矿业大学，2022.

[4] BERNARD ， FRIEDT J M， TOLLE F， et al. Investigating snowpack volumes and icing dynamics in the moraine of an Arctic catchment using UAV photogrammetry[J].The Photogrammetric Record， 2017，32（160）：497-512.

[5] INZERILLO L， DI M G， ROBERTS R. Image-based 3D reconstruction using traditional and UAV datasets for analysis of road pavement distress[J].Automation in Construction， 2018，96：457-469.

[6] FEDELE A， SOMMA R， TROISE C， et al. Time-Lapse Landform Monitoring in the Pisciarelli（Campi Flegrei-Italy） Fumarole Field Using UAV Photogrammetry[J]. Remote Sensing，2021，13（1）：118-136.

[7] 刘成成.基于无人机多光谱影像的棉花叶片SPAD值和LAI反演研究[D].阿拉尔：塔里木大学，2023.