無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在礦山監(jiān)測中的應(yīng)用

周勇兵

（武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022）

0 引言

近年來，隨著無人機(jī)軟硬件水平的不斷提高，傾斜攝影測量技術(shù)也隨之快速發(fā)展。傳統(tǒng)的航空攝影測量雖能快速獲取目標(biāo)地物的相對位置及頂面信息，但難采集到地物的側(cè)面紋理信息，已無法滿足現(xiàn)階段三維建模的需求［1］。自然資源部辦公廳于2022 年印發(fā)了《關(guān)于全面推進(jìn)實(shí)景三維中國建設(shè)的通知》，明確了實(shí)景三維中國建設(shè)的目標(biāo)、任務(wù)及分工情況等，標(biāo)志著實(shí)景三維中國建設(shè)逐步由前期的局部試點(diǎn)實(shí)施轉(zhuǎn)向全面鋪開。相較于傳統(tǒng)的二維正射影像，實(shí)景三維模型能全方位直觀真實(shí)地反映人類生產(chǎn)生活的時空信息，為數(shù)字中國建設(shè)提供統(tǒng)一的空間框架和分析基礎(chǔ)，成為國家重要的新型基礎(chǔ)設(shè)施。

傾斜攝影測量技術(shù)是測繪領(lǐng)域近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)前沿技術(shù)，其突破了傳統(tǒng)正射影像僅能從下視方向拍攝的局限，通過搭載在飛行平臺上的多視角相機(jī)從不同角度來獲取目標(biāo)地物數(shù)據(jù)，可高效獲取地物豐富的側(cè)面紋理信息，并對目標(biāo)區(qū)域的地物進(jìn)行實(shí)景三維模型重建。通過無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)生成的實(shí)景三維模型，可直觀真實(shí)再現(xiàn)目標(biāo)地物場景，使用者可通過改變觀察視角來獲取全方位的地物紋理信息。因此，其在國土資源調(diào)查、地形圖測量、生態(tài)修復(fù)以及應(yīng)急保障等領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價值［2-5］，也受到越來越多的相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜壹皬臉I(yè)人員的關(guān)注。

中國擁有數(shù)量眾多、類型豐富的礦產(chǎn)資源，礦產(chǎn)資源的開發(fā)在一定程度上促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，而一些不合理的開發(fā)（主要是超采超挖）對生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞。隨著國家生態(tài)文明建設(shè)的逐步推進(jìn)，礦山生態(tài)修復(fù)問題亟待解決。礦山監(jiān)測是礦山修復(fù)的前提，通過定期監(jiān)測分析可有效獲取礦山現(xiàn)狀及修復(fù)情況，但礦山范圍較大，且多地處偏僻區(qū)域，傳統(tǒng)的人工巡查方式效率低，還容易出現(xiàn)遺漏。本研究基于無人機(jī)傾斜測量技術(shù)來獲取礦山及周邊區(qū)域內(nèi)的三維實(shí)景模型，在此基礎(chǔ)上，對礦山開挖情況進(jìn)行巡查及統(tǒng)計(jì)分析，極大提高礦山監(jiān)測工作的效率和效果。

1 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)

傾斜攝影測量技術(shù)不僅是指使用無人機(jī)進(jìn)行采集，只因無人機(jī)便捷高效、成本低及周期短，應(yīng)用的越來越廣泛［6-7］。相較于傳統(tǒng)的建模方法，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)構(gòu)建的模型逼真度更高、建模效率更快，生產(chǎn)成本也更低［8］。目前，無人機(jī)分為固定翼、多旋翼和復(fù)合翼（又稱垂直起降固定翼）3 種類型。其中，固定翼無人機(jī)的航速快、航程遠(yuǎn)、升限高，適合大面積航空攝影。多旋翼無人機(jī)操作簡單，維護(hù)方便，比較適合小面積航空攝影。復(fù)合翼無人機(jī)則兼具固定翼無人機(jī)和多旋翼無人機(jī)的優(yōu)勢，在測繪生產(chǎn)中的使用頻率越來越高。本研究采用成都縱橫大鵬無人機(jī)科技有限公司生產(chǎn)的CW-10 垂直起降固定翼無人機(jī)作為飛行平臺，并搭載成都睿博研制的DG3 Pro 五鏡頭相機(jī)（鏡頭參數(shù)見表1）進(jìn)行傾斜航空攝影。

表1 鏡頭參數(shù)

外業(yè)采集完成后，先進(jìn)行數(shù)據(jù)下載與預(yù)處理，對色彩有問題的照片可事先進(jìn)行增強(qiáng)處理，預(yù)處理完成后，將照片、相機(jī)參數(shù)、POS 數(shù)據(jù)、控制點(diǎn)導(dǎo)入到建模軟件中。ContextCapture 軟件（原Smart3D 軟件升級版）是目前應(yīng)用最廣的傾斜建模軟件，但其建模效率較低，且處理大面積空中三角測量的失敗率較高，本研究采用武漢大勢智慧科技有限公司的重建大師進(jìn)行空三運(yùn)算及模型輸出。檢查導(dǎo)入數(shù)據(jù)無誤后，提交空中三角測量，針對大范圍空三處理容易報錯的情況，可將測區(qū)劃分為多個區(qū)塊分別進(jìn)行空三處理，每個區(qū)塊還可進(jìn)一步分割子區(qū)塊，確保每個子區(qū)塊不超過10 000 張照片。在完成空三處理后，將各區(qū)塊空三合并，設(shè)置模型坐標(biāo)系、原點(diǎn)坐標(biāo)和瓦塊大小等，進(jìn)行三維模型輸出，具體工作流程如圖1 所示?？杖幚砗湍Ｐ洼敵龆际欠浅：臅r的過程，單機(jī)處理運(yùn)算效率低，無法滿足大范圍實(shí)景三維重建的需求，本研究采用多個運(yùn)算節(jié)點(diǎn)并配合高性能存儲設(shè)備，來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化集群運(yùn)算，可極大提高工作效率。

圖 無人機(jī)三維建模步驟

2 網(wǎng)絡(luò)集群運(yùn)算

采用單機(jī)模式進(jìn)行空中三角測量和模型重建的效率非常低，常規(guī)的工作站進(jìn)行模型重建時，一天只能處理不到0.5 km2的區(qū)域，難以滿足大范圍實(shí)景三維重建的需求。為了提高空中三角測量和模型輸出的效率，要采用網(wǎng)絡(luò)化集群模式進(jìn)行運(yùn)算。ContextCapture 軟件支持集群模式進(jìn)行三維模型生產(chǎn)，但該軟件的模型輸出效率不高，且在處理大范圍空中三角測量時容易失敗。因此，本研究采用大勢智慧科技有限公司研發(fā)的重建農(nóng)場進(jìn)行空三處理和模型重建，重建農(nóng)場是一款軟硬件一體的高密三維模型重建系統(tǒng)，其采用第二代Intel至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器和OneAPI工具包，能有效解決實(shí)景三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)中空間占用大、功耗需求高、生產(chǎn)效率低、統(tǒng)一管理難等問題。一套重建農(nóng)場設(shè)備包含10 個運(yùn)算節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)均安裝有空三計(jì)算及三維建模軟件重建大師，該軟件可支持多節(jié)點(diǎn)任務(wù)分發(fā)及協(xié)同處理。在創(chuàng)建工程時，要將照片路徑和工程目錄均設(shè)置為共享狀態(tài)，建議采用網(wǎng)絡(luò)路徑，并設(shè)置每個節(jié)點(diǎn)的任務(wù)目錄和引擎監(jiān)控目錄，其他操作與單機(jī)處理一致。提交空中三角測量和模型重建任務(wù)后，各計(jì)算節(jié)點(diǎn)會自動從相應(yīng)目錄接收任務(wù)，并進(jìn)行自動化處理。

針對大范圍的模型重建任務(wù)，要多套農(nóng)場（一套農(nóng)場含10 個節(jié)點(diǎn)）同時開展工作，而空中三角測量和模型重建都是數(shù)據(jù)密集型任務(wù)，且在空三處理和模型重建時軟件會生成大量的中間成果，其中包含大量的碎片小文件，從而對網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備的讀寫和吞吐性能提出更高的要求。為滿足多節(jié)點(diǎn)運(yùn)算需求，防止節(jié)點(diǎn)在搶占數(shù)據(jù)讀寫時因堵塞而導(dǎo)致效率降低，本研究采用澤塔云zOcean海量分布式存儲系統(tǒng)來保障各運(yùn)算節(jié)點(diǎn)的并發(fā)讀寫需求。zOcean是針對海量大數(shù)據(jù)及高并發(fā)I/O 應(yīng)用開發(fā)的一款集硬件平臺、分布式存儲系統(tǒng)和智能管理模塊于一體的存儲設(shè)備，其具有高性能、高擴(kuò)展、高可靠性。在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中，由于實(shí)景三維重建設(shè)備和工作場所中的其他設(shè)備能通過同一個交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，為進(jìn)一步提升節(jié)點(diǎn)訪問存儲設(shè)備的速率，有必要將重建農(nóng)場與zOcean 存儲設(shè)備通過高速傳輸網(wǎng)線直連，防止通過交換機(jī)傳輸受到其他終端訪問占用帶寬的影響，導(dǎo)致性能下降。

對大范圍的三維模型重建，一般采取瓦塊輸出，在減輕瀏覽壓力的同時，方便后續(xù)瀏覽調(diào)用。根據(jù)項(xiàng)目需求和硬件性能來選擇瓦塊大小，對常規(guī)的工程項(xiàng)目，為保障瀏覽的流暢性，一般將瓦塊大小設(shè)置為50～150 m。在進(jìn)行模型輸出時，要設(shè)置模型成果的坐標(biāo)系和原點(diǎn)坐標(biāo)值，其和瓦塊大小共同決定了瓦塊劃分在空間的分布情況。在不同的模型重建任務(wù)中，只要保證成果坐標(biāo)系、原點(diǎn)坐標(biāo)值和瓦塊大小設(shè)置一致，則瓦塊的空間位置索引可實(shí)現(xiàn)兼容，極大地方便了三維模型的局部更新。在局部更新中，只要獲取更新區(qū)域三維模型瓦塊的索引集合，在提交重建任務(wù)時，選擇該集合的瓦塊進(jìn)行輸出，輸出完成后，將成果文件夾拷貝替換原有的數(shù)據(jù)即可。

3 建模及效率分析

本研究選取的試驗(yàn)礦山區(qū)域面積約為16 km2，該區(qū)域以平原和丘陵為主，局部有一些低矮的山丘，整體高低起伏不大，礦山周圍分布有大量的中低層建筑，紋理較為復(fù)雜。將目標(biāo)區(qū)域按飛行高度進(jìn)行外擴(kuò)，并采用五鏡頭相機(jī)規(guī)劃航線飛行，共獲取約35 000張照片，同時飛行中會記錄像機(jī)曝光時Pos 位置和姿態(tài)參數(shù)。將照片和Pos 數(shù)據(jù)導(dǎo)入重建大師中，采取常規(guī)模式進(jìn)行自由網(wǎng)空中三角測量，然后導(dǎo)入控制點(diǎn)進(jìn)行絕對定向空中三角測量。通過內(nèi)業(yè)航測獲取控制點(diǎn)，利用原有航攝資料來恢復(fù)目標(biāo)區(qū)域的立體像對，并采集標(biāo)線、墻角等明顯特征點(diǎn)作為控制點(diǎn)。將控制點(diǎn)坐標(biāo)文件導(dǎo)入重建大師軟件進(jìn)行刺點(diǎn)，剔除已經(jīng)發(fā)生變化的特征點(diǎn)，共采用控制點(diǎn)21 個。得益于重建大師強(qiáng)大的空三處理能力，通過分割子區(qū)塊可一次性完成兩次空三過程，每次空三運(yùn)算完成后，要查看空三報告，重點(diǎn)關(guān)注照片入網(wǎng)率、重投影誤差以及控制點(diǎn)誤差是否滿足項(xiàng)目要求等。檢查空三報告無誤后，即可進(jìn)行模型重建，新建重建任務(wù)時要正確配置各項(xiàng)參數(shù)信息，重點(diǎn)是成果坐標(biāo)系、原點(diǎn)坐標(biāo)、瓦塊大小等。本次建模面積約為16 km2，面積大小適中，為測試網(wǎng)絡(luò)化集群建模效率，采用40個節(jié)點(diǎn)（4套重建農(nóng)場設(shè)備）進(jìn)行模型建模，僅用時約8 h即可完成對目標(biāo)區(qū)域模型重建，通過DasViewer三維模型瀏覽器打開重建完成的模型，檢查模型的結(jié)構(gòu)、精度、色彩等，模型局部示意如圖2所示。從圖2可以看出，模型房屋的結(jié)構(gòu)較為規(guī)整，色彩飽和自然，通過瀏覽器工具量取部分特征點(diǎn)，檢查其坐標(biāo)精度均滿足項(xiàng)目需求。

圖2 模型局部示意圖

為測試存儲設(shè)備的性能，使用10 個節(jié)點(diǎn)重新輸出模型，共耗時32 h，建模時間消耗與節(jié)點(diǎn)個數(shù)成正比關(guān)系，證明zOcean存儲設(shè)備可有效負(fù)荷40個節(jié)點(diǎn)的高并發(fā)訪問，性能沒有隨著節(jié)點(diǎn)的增多而出現(xiàn)下降的情況。此外，為對比重建大師的建模效率，在重建農(nóng)場設(shè)備中安裝ContextCapture 三維建模軟件，并將試驗(yàn)區(qū)域的空三成果導(dǎo)出為XML 文件，然后在ContextCapture中新建重建工程，導(dǎo)入重建大師空三區(qū)塊，并按照相同設(shè)置參數(shù)輸出實(shí)景模型，也采用40 個節(jié)點(diǎn)運(yùn)算，最終共耗時約13 h 完成所有任務(wù)，即重建大師的建模效率要明顯優(yōu)于ContextCap?ture軟件的建模效率。相較ContextCapture 軟件，重建大師進(jìn)行三維模型重建時，初次提交建模時易出現(xiàn)失敗的情況，經(jīng)統(tǒng)計(jì)后發(fā)生該情況的發(fā)生概率約5%。根據(jù)目標(biāo)區(qū)域的紋理復(fù)雜情況，概率可能會有一定差異，對發(fā)生重建失敗的瓦塊，后續(xù)可采取增強(qiáng)模式或修改重建參數(shù)重新提交建模，部分邊緣區(qū)域和紋理信息非常少（如水面）的區(qū)域可能無法重建成功，水面區(qū)域模型缺失可通過軟件進(jìn)行修補(bǔ)。

4 礦山監(jiān)測分析

相比于二維影像，三維實(shí)景模型可全方位多角度地對地物進(jìn)行展示，用戶可通過Dasviewer 瀏覽器打開模型進(jìn)行查看。通過三維模型獲取目標(biāo)地物豐富的側(cè)面紋理及高度信息，這些信息對礦山監(jiān)測具有重要作用，圖3 為礦山三維模型幾個局部區(qū)域的示意圖，從圖中可以看出，基于無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)生成的三維模型紋理非常精細(xì)，具有良好的目視判讀效果。

圖3 礦山模型局部示意圖

除了人工目視觀察礦山外，還可在三維實(shí)景模型上進(jìn)行一些基礎(chǔ)的量測工作，如測量距離、高度、周長及面積等，尤其是高質(zhì)量測量對礦山監(jiān)測具有重要意義。圖4 是在三維模型上進(jìn)行基礎(chǔ)量測操作的示意圖，其中左圖為測量A點(diǎn)到B點(diǎn)的距離、平距及高差，右圖為測量閉合多段線的周長和面積。

圖4 礦山模型測量示意圖

除了基礎(chǔ)的量測功能外，還可采用一些更高級的統(tǒng)計(jì)分析工具對礦山情況進(jìn)行分析。其中，最重要的分析工作就是對礦山的超采超挖情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。一般來說，礦山都要在規(guī)定的高程面上進(jìn)行開采，低于該高程基準(zhǔn)進(jìn)行開采的行為屬違法行為。通過DasViewer 瀏覽器打開三維實(shí)景模型，切換到體積測量工具界面，首先設(shè)置規(guī)定高程為基準(zhǔn)面，并選取合適的采樣距離，然后在模型中繪制感興趣的區(qū)域范圍，繪制完成后可方便獲取目標(biāo)范圍內(nèi)超出和低于高程基準(zhǔn)面的挖方量和填方量，如圖5 所示。其中，A 區(qū)域?yàn)樘罘絽^(qū)域（低于基準(zhǔn)面，填方量即為超挖量），B區(qū)域?yàn)橥诜絽^(qū)域（高于基準(zhǔn)面）。

圖5 礦山挖填方示意圖

5 結(jié)語

實(shí)景三維模型可直觀真實(shí)全方位地描述地表地物信息，可作為國土空間管控和規(guī)劃設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)底座，在越來越多的行業(yè)中發(fā)揮著重要作用。特別是在自然資源部公布“實(shí)景三維中國”項(xiàng)目后，實(shí)景三維建設(shè)在各地的應(yīng)用逐漸步入高潮，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)體系、工藝技術(shù)、軟硬件產(chǎn)品將為測繪生產(chǎn)效率帶來巨大的提升。隨著實(shí)景三維模型的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，無人機(jī)傾斜三維技術(shù)受到的關(guān)注也越來越多。針對大范圍的傾斜三維重建，單機(jī)處理模式效率很低，難以滿足現(xiàn)有的工作需求。為提高模型重建的效率，本研究采用基于高性能分布式存儲的多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)化集群處理。重建農(nóng)場是軟硬件一體的私有云集群三維重建系統(tǒng)，而zOcean存儲能有效滿足空三和模型重建的海量大數(shù)據(jù)及高并發(fā)I/O 應(yīng)用的需求，將兩者有機(jī)地結(jié)合起來，構(gòu)成一個高效率的實(shí)景三維生產(chǎn)平臺。通過對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)，該平臺能極大地縮短模型生產(chǎn)工期，取得良好效果，具有實(shí)際推廣價值。

生態(tài)文明建設(shè)是關(guān)系人民福祉和民族未來的長遠(yuǎn)大計(jì)，礦山監(jiān)測對生態(tài)環(huán)境建設(shè)工作具有重要的意義，傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場巡查方式不僅效率低下，且耗時費(fèi)力，難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。本研究通過無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)快速生成礦區(qū)的三維實(shí)景模型，在此基礎(chǔ)上，用戶可觀察礦山真實(shí)全面的現(xiàn)狀信息，并通過工具進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，相較人工巡查方式，該方式能顯著提高礦山監(jiān)測的效率和效果，為礦山整治修復(fù)提供新思路。