基于無人機三維建模技術(shù)的礦山實習(xí)教學(xué)優(yōu)化

薛勝超，王慶飛，鄭彥威

[摘 要] 礦山基地綜合實習(xí)是銜接本科資源勘查專業(yè)課程學(xué)習(xí)和生產(chǎn)實習(xí)的重要實踐環(huán)節(jié)。然而由于受實地條件限制礦山基地重要觀察點通常無法近距離觀察學(xué)習(xí)，限制了綜合實習(xí)的效果，無人機三維建模技術(shù)的應(yīng)用是該類實習(xí)教學(xué)優(yōu)化有效手段。通過野外實地觀察和三維模型輔助，將新興技術(shù)與傳統(tǒng)地質(zhì)實習(xí)相結(jié)合，完善了密云鐵礦綜合實習(xí)教學(xué)，利于學(xué)生快速進入生產(chǎn)實習(xí)角色，實現(xiàn)了綜合實習(xí)效果的最大化，同時在學(xué)校實踐教學(xué)改革中起到了示范和指導(dǎo)作用。

[關(guān)鍵詞] 資源勘查專業(yè);綜合實習(xí);三維建模;教學(xué)優(yōu)化

[基金項目] 2021年度中國地質(zhì)大學(xué)（北京）教改項目“思政實踐和大學(xué)生科技競賽”（640121006）

[作者簡介] 薛勝超（1987—），男，河北保定人，博士，中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與資源學(xué)院副教授，主要從事礦床學(xué)理論及教學(xué)研究;王慶飛（1978—），男，山東德州人，博士，中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與資源學(xué)院教授，主要從事礦床學(xué)與礦產(chǎn)資源勘查評價研究;鄭彥威（1986—），男，山西臨汾人，學(xué)士，中國地質(zhì)大學(xué)（北京）信息網(wǎng)絡(luò)中心工程師，主要從事網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與科研信息化研究。

[中圖分類號] G642? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）46-0065-04? ?[收稿日期] 2021-05-22

一、教學(xué)優(yōu)化背景

21世紀以來我國高等教育中理科和工科教學(xué)愈加注重基礎(chǔ)知識與實踐能力的緊密銜接。如何將地質(zhì)學(xué)專業(yè)本科教育的理論教學(xué)更為高效地運用到野外生產(chǎn)實習(xí)中，是地質(zhì)高校教師亟待解決的問題[1]。礦山基地資源勘查工程綜合訓(xùn)練（也稱為礦山基地綜合實習(xí)）是中國地質(zhì)大學(xué)（北京）為強化實踐教學(xué)而新增的一項實踐課程，能夠更好地串聯(lián)與銜接資源勘查專業(yè)本科二年級與三年級野外實習(xí)內(nèi)容，提升地礦類專業(yè)必修課教學(xué)質(zhì)量[2，3]。該課程的最終目標為提供綜合的礦床地質(zhì)理論、實踐應(yīng)用和科學(xué)研究訓(xùn)練。在素質(zhì)目標方面培養(yǎng)學(xué)生增強專業(yè)知識、方法和技能在工作中綜合運用的意識;培養(yǎng)學(xué)生樹立高尚的職業(yè)道德，發(fā)揮地質(zhì)人求真務(wù)實的寶貴品質(zhì);培養(yǎng)學(xué)生了解與國家發(fā)展息息相關(guān)的緊缺礦產(chǎn)，提升礦床學(xué)科的民族使命感。這門實踐課程所依托的密云鐵礦實習(xí)基地集礦山地質(zhì)考察、礦山生產(chǎn)流程與綠色礦山建設(shè)、多產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展、地質(zhì)科普展示于一體[4]。綜合實習(xí)的礦床類型是BIF鐵礦床，密云地區(qū)的BIF鐵礦床具有明顯的條帶狀特征和較好的成層性，賦存于元古宙的密云巖群沙廠組變質(zhì)巖系，磁鐵礦為主要礦石礦物。實習(xí)基地建立在密云地區(qū)目前唯一正在開采的霍各莊鐵礦床，該礦由北京威克冶金有限責(zé)任公司進行開采。

礦山綜合實習(xí)大部分重要內(nèi)容均在該鐵礦的露天采坑完成，內(nèi)容包括：熟悉礦區(qū)地質(zhì)、礦體產(chǎn)出特征，成礦期和成礦期后構(gòu)造和巖漿活動對礦床的改造;掌握野外露天采場地質(zhì)工作的基本方法，熟悉如何圍繞某一科學(xué)問題系統(tǒng)采樣[4]。然而，該露采礦山目前開采程度過高，露天采場的南段和北段采坑已采完并積水導(dǎo)致無法實地觀測，正在開采的中段采坑僅能在坑底部分位置進行觀測，采坑壁各級臺階由于安全原因無法進入導(dǎo)致很多地質(zhì)現(xiàn)象不能近距離觀察描述。上述原因造成學(xué)生對礦體產(chǎn)狀和出露特點、礦體與圍巖接觸關(guān)系、不同期次斷裂及巖漿活動對礦體和圍巖的影響等難以獲得整體的認識，進而導(dǎo)致學(xué)生缺乏對于整個鐵礦床的全面認識，嚴重制約了礦山綜合實習(xí)的效果及學(xué)生綜合地質(zhì)思維的培養(yǎng)。

無人機，正在成為繼地質(zhì)學(xué)野外考察工作中“三大件”：地質(zhì)錘、羅盤、放大鏡之外的“第四件”。近年來，無人機地質(zhì)三維建模成為野外地質(zhì)調(diào)查中最新發(fā)展的有效技術(shù)手段，可建立從野外出露點到地質(zhì)體剖面產(chǎn)狀、厚度測量、走向分析，再到區(qū)域地形地貌觀測、面積測量等的可視化、矢量化、標準化三維模型，目前該技術(shù)已在礦山建設(shè)、環(huán)境評估、災(zāi)害調(diào)查等方面發(fā)揮了非常重要的作用[5，6]。無人機地質(zhì)三維建模可以為補充野外教學(xué)實習(xí)難以實地觀察的位置提供有效技術(shù)支撐，為我們建立密云鐵礦采坑不可實地觀測的考察點和能夠?qū)嵉赜^測考察點的礦體、構(gòu)造斷裂、巖脈、圍巖連續(xù)剖面信息提供了可能[7]。根據(jù)這一思路，我們開展了基于無人機三維建模技術(shù)的密云礦山綜合實習(xí)教學(xué)優(yōu)化探索，以期利用可視化數(shù)據(jù)完善實習(xí)作業(yè)區(qū)的教學(xué)內(nèi)容。

我校信息網(wǎng)絡(luò)中心組建了以服務(wù)本?？蒲薪虒W(xué)為宗旨，以解決教學(xué)和科研面臨的實際問題為導(dǎo)向的無人機信息化應(yīng)用團隊。該中心配備了不同類型無人機以滿足不同專業(yè)需求，配套的無人機高分數(shù)據(jù)處理和信息挖掘軟件用于本科教學(xué)及科學(xué)研究。利用我校信息網(wǎng)絡(luò)中心總結(jié)出的一套以無人機野外數(shù)據(jù)獲取、室內(nèi)三維模型建立為主體的方法流程，針對密云鐵礦綜合實習(xí)中學(xué)生無法實際觀察的采坑、巖壁、礦體及其與圍巖接觸關(guān)系、斷層、巖脈特征，建立數(shù)字化的可視模型，可以為學(xué)生實際野外觀測提供有力輔助，使綜合實習(xí)效果最大化，為后續(xù)生產(chǎn)實習(xí)奠定堅實基礎(chǔ)。

二、方案建設(shè)和操作

（一）礦山三維建模方案

1.野外調(diào)研與方案確定。在進行野外數(shù)據(jù)采集之前，收集密云鐵礦相關(guān)的地質(zhì)背景資料，了解礦床所在區(qū)域的基底、蓋層、侵入巖、變質(zhì)變形等基本特點;熟悉礦區(qū)基本地質(zhì)概況、交通及地貌特征;熟悉礦床地質(zhì)、礦體產(chǎn)出特征，成礦期和成礦期后構(gòu)造和巖漿活動對礦床的改造，進而開展鐵礦區(qū)及外圍地層、環(huán)斑花崗巖體野外實地調(diào)研，篩選出學(xué)生無法實地觀測的重點教學(xué)區(qū)域，進而圈定模型構(gòu)建范圍、確定所需要的模型精度，選定無人機飛行平臺與搭載傳感器類型，制定無人機飛行方案。

2.密云鐵礦區(qū)航線設(shè)定。劃分出密云鐵礦作業(yè)區(qū)（主要針對北段—中段—南段采坑、礦區(qū)全貌和礦區(qū)外圍環(huán)斑花崗巖）、完成飛行參數(shù)設(shè)計（航線設(shè)計、航高確定、航向重疊率、旁向重疊率）、像控點布設(shè)方案設(shè)計，根據(jù)規(guī)范要求確定基準面高程和高程區(qū)間，設(shè)定相應(yīng)的仿地形飛行高度，按照規(guī)范要求設(shè)計航線。

3.野外作業(yè)和數(shù)據(jù)采集。按照密云鐵礦區(qū)設(shè)定的航線開展無人機飛行作業(yè)，獲取具有一定重疊的航空影像，并依據(jù)野外控制點對目標區(qū)域坐標進行平差處理，得到礦區(qū)加密點的平面坐標和高程坐標，按照設(shè)計完成野外信息和數(shù)據(jù)的采集。

4.數(shù)據(jù)處理和三維建模。基于影像匹配、空三測量、三角網(wǎng)構(gòu)建、紋理映射的關(guān)鍵技術(shù)流程和操作方法，利用匹配后的無人機影像獲取高密度點云，構(gòu)建三維模型，形成密云鐵礦區(qū)野外地質(zhì)剖面地表三維模型的矢量結(jié)構(gòu)，建立密云鐵礦區(qū)綜合實習(xí)所需數(shù)字化的可視模型，計劃模型三種：北段—中段—南段采坑高精度三維模型、鐵礦區(qū)三維模型（包括采礦區(qū)、恢復(fù)區(qū)、選礦區(qū)、辦公區(qū)及尾礦壩）、礦山外圍環(huán)斑花崗巖典型出露點聯(lián)合三維模型。

5.建立實地觀測與三維模型的聯(lián)合教學(xué)流程。系統(tǒng)整理礦區(qū)采坑不可實地觀測的剝露點和出露點，將這些區(qū)域與三維模型中的可視化點位相對應(yīng)，系統(tǒng)建立礦體、構(gòu)造斷裂、巖脈、圍巖連續(xù)剖面的教學(xué)內(nèi)容，建立鐵礦生產(chǎn)作業(yè)區(qū)和外圍環(huán)斑花崗巖體地表產(chǎn)狀、巖性變化等宏觀認識的教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化相關(guān)教案和課件。

（二）具體實施方案

收集密云鐵礦區(qū)不同年限的地質(zhì)和生產(chǎn)資料及區(qū)域相關(guān)的地質(zhì)背景資料。以此為基礎(chǔ)開展野外調(diào)研，以密云鐵礦區(qū)的霍各莊鐵礦床及礦區(qū)外圍大面積出露的環(huán)斑花崗巖體為基礎(chǔ)，在霍各莊鐵礦采坑南—中—北段、整個生產(chǎn)作業(yè)區(qū)（包括采坑、粗選礦廠、精選礦廠、辦公區(qū)和尾礦壩等）、沙廠附近的環(huán)斑花崗巖三個重點實習(xí)考察區(qū)確定模型構(gòu)建范圍面積，確定使用無人機類型（如固定翼）、搭載鏡頭類型（如全畫幅相機配備35mm焦距鏡頭）等。

三個重點考察區(qū)各具特點，霍各莊鐵礦采坑以不同高程數(shù)據(jù)收集為主，目前采坑深度不超過200米，為保證最終獲取模型的精度，航線的設(shè)計以每50米為一個高程區(qū)間，設(shè)計3個起降點飛行6個架次完成野外數(shù)據(jù)的采集;整個生產(chǎn)作業(yè)區(qū)的數(shù)據(jù)收集面積約3.8平方公里，外圍環(huán)斑花崗巖體的數(shù)據(jù)收集面積約0.5平方公里（重點針對巖體陡峭、人無法靠近的區(qū)域現(xiàn)象），根據(jù)無人機的最大航程、飛行高度及傳感器的尺寸和焦距等條件約束，設(shè)定相應(yīng)的仿地形飛行高度，總共設(shè)計約7個起降點飛行15個架次獲取兩個考察點野外數(shù)據(jù)的采集。

通過一定算法尋求多幅影像之間的相同點，建立影像間的幾何關(guān)系，影像匹配獲取的相同點參與到空三加密過程中;將匹配后的影像校正到統(tǒng)一參考空間下，對形成的影像模型進行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理;通過影像匹配和空三加密，形成基于正確空間方位的影像模型，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng);確定所構(gòu)建的每個三角網(wǎng)與紋理信息唯一對應(yīng)，保證所構(gòu)建的三維模型的視覺效果[8，9];輸出北段—中段—南段采坑高精度三維模型、生產(chǎn)作業(yè)區(qū)三維模型、礦物外圍環(huán)斑花崗巖典型出露點聯(lián)合三維模型。

三、課程實施效果

根據(jù)三個重點教學(xué)考察區(qū)的三維模型，建立了礦區(qū)采坑不可實地觀測的考察點和能夠?qū)嵉赜^測考察點的礦體、構(gòu)造斷裂、巖脈、圍巖連續(xù)剖面信息。實習(xí)課程開展后，先帶領(lǐng)學(xué)生完成采場內(nèi)能夠?qū)嵉乜疾斓挠^察點的野外觀測學(xué)習(xí)，并在各考察點采集代表性鐵礦礦石、地層巖石、侵入巖和相關(guān)蝕變巖石樣品;對于無法實地觀測的地段，在室內(nèi)通過數(shù)字化高清三維建模圖像輔助教學(xué)，圖像通過Acute3DViewer軟件進行立體展示，結(jié)合野外采回的不同類型樣品，讓學(xué)生在感官上可以達到實地觀測的效果。這一新奇的學(xué)習(xí)體驗也大大激發(fā)了學(xué)生的實習(xí)積極性，從原來的被動聽課學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃訁⑴c完善礦區(qū)連續(xù)剖面信息，真正開拓了綜合實習(xí)課程的趣味性和感染力。通過礦山基地綜合實習(xí)的訓(xùn)練，學(xué)生掌握了地質(zhì)資料的搜集與整理、熟悉了礦山野外工作的方法和流程，鍛煉了室內(nèi)專業(yè)課知識的野外綜合運用能力，同時提升了學(xué)生對于資源勘查這一艱苦專業(yè)的興趣[4]，從而能更好地適應(yīng)生產(chǎn)實習(xí)的崗位要求;對于教師來說，解決了學(xué)生在野外地質(zhì)考察階段存在的問題、完善了礦山實習(xí)基地的野外授課內(nèi)容、實現(xiàn)了傳統(tǒng)野外地質(zhì)實踐課程與現(xiàn)代新興技術(shù)的有機融合。

此外，無人機三維建模技術(shù)對礦山綜合實習(xí)教學(xué)優(yōu)化的成功探索，也為我校地質(zhì)專業(yè)學(xué)生的北戴河地質(zhì)認知實習(xí)的效果最大化提供了借鑒意義。以湯河地塹的觀察學(xué)習(xí)為例，該地塹是由湯河河谷西側(cè)大平臺和東側(cè)雞冠山經(jīng)由一系列高角度正斷層活動形成。湯河河谷東北端寬、西南端窄、谷坡陡，湯河從東北流向西南。西側(cè)大平臺斷層為F1和F2，東側(cè)雞冠山斷層為F3和F4，這四條正斷層在平面上向南西方向收斂，構(gòu)成湯河地塹構(gòu)造。由于該地塹構(gòu)造規(guī)模宏大，斷層和出露的地層位于湯河河谷兩岸的巖壁，而在湯河谷底由于植被繁茂，不能同時觀察兩岸現(xiàn)象，在雞冠山頂也僅能觀察到對岸大平臺一側(cè)現(xiàn)象。針對上述觀察限制，顯然無人機三維建模技術(shù)可以很好地解決這一問題。類似的情況還出現(xiàn)在鴿子窩海洋公園的河口三角洲、亮甲山—石門寨西亮甲山組—下石河子組地層、上莊坨河流地質(zhì)作用等觀察點，均可以利用該技術(shù)輔助實踐教學(xué)。

四、結(jié)語

“礦山基地資源勘查工程綜合訓(xùn)練”是針對高年級資源勘查工程專業(yè)學(xué)生所開設(shè)，本課程是對學(xué)生已學(xué)專業(yè)知識和野外工作方法的強化和綜合訓(xùn)練，重點培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際，綜合分析問題、解決問題的能力，以及科研技能，為學(xué)生進行后期的生產(chǎn)實習(xí)、畢業(yè)實習(xí)及走上工作崗位從事生產(chǎn)和科研工作打下扎實的專業(yè)基礎(chǔ)。本次針對該實習(xí)課程的教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化，是聚焦于實習(xí)的全面性和連續(xù)性，以無人機三維實景建模技術(shù)為支撐，以建立礦山采場連續(xù)剖面為主要內(nèi)容，最終以提高該實習(xí)的學(xué)習(xí)效果為目的。這是地質(zhì)類院校實踐課程與現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展有機結(jié)合的一次成功嘗試，也為不同年級階段、不同實踐內(nèi)容的教學(xué)優(yōu)化提供了有益參考。

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Optimization of Mine Field Practice Training Based on UAV 3D Modeling Technology

XUE Sheng-chaoa， WANG Qing-feia， ZHENG Yan-weib

（a. School of Earth Sciences and Resources， b. Information Network Center， China University of Geosciences 〔Beijing〕， Beijing 100083， China）

Abstract： Comprehensive field practice in mine bases is an important practical link to connect the undergraduate courses of resource exploration major and the production practice. However， due to the limitations of the field conditions in mine bases， some important observation points are difficult to directly observe， which limits the effect of field practice training. The application of UAV 3D modeling technology is an effective way to optimize this training course. Through field observations and 3D modeling assistance， the emerging technology is integrated into the traditional geological practice， and the comprehensive field practice teaching in the Miyun iron deposit is improved， which helps students to quickly position themselves in the practice， maximizes the effect of comprehensive field practice， and at the same time plays a demonstration and guiding role in the schools practice teaching reform.

Key words： resource exploration major; comprehensive field practice; 3D modeling; teaching optimization