小型无人机倾斜摄影三维建模技术 在矿山地质环境治理中的应用

2 项目实例

福州某山采石场，面积 15 万平方米，为了地质环境治理的需要，需要获取本项目 1 ∶500 比例尺地形图、1 ∶500 比例尺横断面图。场地地形复杂，采石场经过多年开采形成一道道杂乱陡坎，到处是乱石堆和一个个深坑，不利于测绘人员攀爬行走，采用传统全站仪获取数据较为困难。为了提高外业测量工作效率和降低成本，采用大疆单镜头 Phantom4ProRTK 进行倾斜影像测量建模方法，再利用三维模型测制 1 ∶500 比例尺地形图和利用 DSM 测制 1 ∶ 500比例尺横断面。三维建模软 件 采 用 Bentley 公 司Smart 3D 软件。

2.1 数据采集

基于 Phantom4Pro RTK 无人机倾斜摄影技术生成三维模型的数据采集阶段主要为: 场地选择，航向规划与飞行设置，空中与地面数据采集等几个部分[1]。通过无人机航摄技术进行正摄及前视、左视、右视与后视共 5 个不同的角度采集影像原始据，除正摄外，其他 4 个角度调整相机镜头倾斜角度为 60°，航向重叠 80%，旁向重叠 70%，飞行高度 90m，共进行 5 架次航拍，获取 2.5 cm 分辨率的照片999 张。并进行像控点测量，共测量 7 个点，并按不同高程均匀布设。

2.2 数据处理

数据处理阶段主要为: 数据预处理、数据导入、空中三角测量、生成三维模型、DOM、DSM 六大部分。

( 1) 数据预处理。在得到倾斜摄影数据后，数据预处理，首先检查影像数据和 POS 数据是否一一对应，然后检查影像数据是否清晰、有无大范围的模糊遮挡现象等质量问题。由于倾斜摄影像机在地物数据获取过程中，各条航带所获取的地物数据在时间与角度各不相同，会造成各个影像数据在光线度、色彩亮度上存在差异，影响后期三维建模的精度和效果。因此需对影像数据进行匀光匀色处理。最后，由于无人机原始 POS 数 据 中 的 GPS 数 据 是WGS84 坐标系，需要根据项目需求坐标进行坐标系的转换工作[2]。

( 2) 原始数据导入。照片数据、POS 数据、像控点数据、相机参数分别导入 Smart 3D 软 件，由 于Phantom4Pro RTKPOS 数据数据直接写在照片里，SmartD 软件读取照片时，可以直接读取 POS 数据，不用再导入 POS 数据。

( 3) 多视角影像空中三角测量。空中三角测量处理具体流程为: 将一个垂直镜头和四个倾斜镜头所得到的影像进行连接点自动匹配，对获取的特征点采用多像密集匹配技术自动匹配同名点，然后行粗点检测，构建自由网，输入像控点坐标，进行刺点后进行光束法区域网平差，根据平差结果进行反复调整，包括参数设置、像控点刺点位置调整，直到空三结果满足所需要求，最后得到空三结果报告，以供后续三维重建使用。

( 4) 生成三维模型

三维模型的生成流程: 设置模型空间参考系统、三维模型格式、生成三维模型范围等，最后生成三维模型如图 1 所示。

2.3 倾斜摄影输出成果数据

在进行空中三角测量计算、生成矿区 3D 地形模型成果后、可以再生成、输出相应项目的 DOM( 正射影像图) 、DSM( 数字表面模型) ，以供浏览和后期加工。

2.4 地形图和横断面图绘制

( 1) 地形图绘制。将构建好的实景三维模型导入清华山维 EPS 三维测图系统，利用三维模型进行全要素采集。通过构建一体化的多视角三维测图环境，形成严格成像关系下的精密重建，弥补了下视影像的视角、分辨率、遮挡等局限。实现了在真三维环境中高精度的地形采集、屋檐改正、部件测量、地貌采集等，大幅降低外业调绘的工作强度，保证地形图绘制质量，提高了生产效率。利用清华山维 EPS 数字化成图软件平台无需佩戴立体眼镜，可以降低对内业绘图人员的要求，一般会测绘地形图人员都能操控。 2) 横断面图绘制。将 DSM 数据导入 Global Mapper 软件，软件会根据指定线段自动生成横断面图。

3 结果及分析

3.1 精度评定

( 1) 模型的精细度。模型的精细度检查主要在Pix4d Mapper 或其他软件平台，透过对模型放大、旋转浏览，从多个角度观察模型各类地理要素、地物的纹理等与实地场景比对，结合《三维地理信息模型数据产品规范》[3]要求进行判别。经过浏览检查，本项目模型结构完整、地理各类要出齐全，模型没有存在模型缺失等问题。各类地物纹理、色泽、形状、空间位置相对关系实景吻合。( 2) 模型几何精度评定。模型几何精度包括平面精度和高程精度这两个方面的评定指标，本项目共在现场均匀布设了 12 点平面、高程检查点。三维模型平面最大点位误差0.268 m，平面点位中误差 ± 0. 091 m ( 平 面中 = ±ΔS2 槡 /n ) 。最大高程误差为 0.162 m，高程中误差±0. 131 m ( H中 = ± ΔH2 槡 /n ) 。依 据《工 程 测 量 规范》[4]要求 1 ∶500 比例尺地形图平面中误差为±0.3m，高程中误差平地±0.17 m、丘陵±0.25 m。三维模型平面点位中误差 0.091 m 规范规定的±0.3 m，高程中误差±0.131 m 规范规定的±0.17 m，三维模其平面、高程精度符合要求( 3) 模型高度精度评定。模型高度精度评定:通过实测各类地物的高度与模型中量测高度进行比对评定模型高度精度[3]。共在现场采用手持测距仪量测共 12 段建筑物高度，并在模型当中相同位置量取 12 段建筑物高度。模型高度中误差为±0.20 m，根据《三维地理信息模型数据产品规范》规定，1 ∶500 比例尺成图高度中误差为±0.50 m，高度中误差为±0.20 m 规范规定的±0.50 m，模型高度精度符合规范要求。3.2 倾斜摄影三维模型法测图与常规测图方法对比具有明显优势( 1) 效率高: 常规采用全站仪、GPS RTK 完成本项目外业地形和横断面数据采集需要人员 2 ～ 3 人，时间需要 2～3 d，而且人员需不断爬上爬下，劳动强度大。采用精灵 PhantomPro 4 RTK 倾斜摄影三维模型法测图外业数据采集只需一个人半天就轻松可以完成。( 2) 限制少: 非接触性测量，不受地形条件限制。( 3) 精度高: 采用常规方法测图，特别是人工难以到达的地方，要控制好这些点的点位平面和高程精度非常困难，倾斜摄影三维模型法测图轻松解决，且精度满足规范要求。( 4) 成果数据多样化: 能提供 DOM、DSM、3D 地形模型、地形图、横断面图。

3.3 存在问题和解决办法

( 1) 存在问题。无人机倾斜摄影在对于地形、地物进行自动拍摄时，有些地物遮档厉害，可能造有些地物自动拍摄时漏拍，制作出来的三维模型，某些地方存在模型缺失等一系列的问题，造成了局部模型的不完整性。无人机倾斜摄影无法获取植被覆盖的原地面模型，这是无人机倾斜摄影技术硬伤所在。( 2) 解决办法。对于有些地物遮挡厉害，造成有些地物自动拍摄时漏拍，造成三维模型的局部不完整性的，可以在外业采用手动方式进行补拍，从而将三维图像创建得更加完整。植被覆盖原地面只能采用传统全站仪方法进行人工补测，获取原地面高程。地面下沉现象。珠海市多数危险边坡为人工开挖削坡形成，由于无序开挖，造成坡面裸露，局部产状近于直立，由于浅表层岩土体裸露、结构较松散，受雨水冲刷作用，岩土体浸润严重，渗透性较好，在雨水浸润下会迅速软化和失稳，进而造成崩塌或滑坡。

4 结论

根据广 东 省 珠 海 市 地质灾害详细调查 ( 1 ∶50000) 成果及近年来珠海市地质灾害发生情况，总结珠海市地质灾害发育特征及形成条件如下:

( 1) 崩塌、滑坡地质灾害发生的时间段主要分布在每年的 4 月～10 月期间( 汛期) ; 发生的部位要位于人工削坡建房和道路削坡形成的危险边坡坡肩及浅表层，少数发生在自然斜坡和孤石所在的危险边坡区域。诱发崩塌和滑坡的主要条件为降雨，其他条件包括边坡形态、高度及坡度、物质组成及结构特征、汇水条件及面积、地层岩性、岩土体工程地质特性、降雨、地震、人类工程活动等。崩塌、滑坡具有突发性强、破坏速度快的特点。

( 2) 不稳定斜坡主要发育在自然斜坡和人工边坡的坡肩及浅表层，此类边坡坡面裸露，浅表层岩土体结构一般较松散，基岩裂隙较发育，岩体较破碎，在强降雨或持续性降雨条件下，不稳定岩土体很容易失稳，易发生崩塌或滑坡地质灾害。此类斜坡同样具有突发性强、破坏速度快的特点。

( 3) 软土地面沉降主要发生在平原区工程建比较频繁和软土分布较厚的区域。沉降快慢随季节性变化，形成条件主要受地下水补给、排泄以及地表人类工程建设影响。其具有发生缓慢、危害性大的特点。