毛崔磊　田毅　陳建平

摘要：針對廢棄礦山原地形地貌、堆棄物的規(guī)模、堆棄物的穩(wěn)定性未知等問題，以北京市密云某礦區(qū)為例，采用無人機技術(shù)獲取研究區(qū)航測數(shù)據(jù)，提出基于Agisoft PhotoScan的影像三維建模以及精度檢驗方法，利用Agisoft PhotoScan軟件進行定向、點云提取和正射影像圖的制作，生成了研究區(qū)的三維模型視圖。結(jié)果表明，該方法可以用于建立廢棄礦山的三維模型，縮短了建模的時間，有效降低了成本，為今后廢棄礦山地質(zhì)災害信息獲取提供新的思路。

關(guān)鍵詞：無人機技術(shù)；Agisoft PhotoScan軟件；三維建模

中圖分類號： S127文獻標志碼：

文章編號：1002-1302（2017）16-0198-04

收稿日期：2017-02-08

基金項目：北京市教育委員會課題（編號：京教函〔2015〕282號）；國土資源部公益性行業(yè)科研專項（編號：201411007-3）。

作者簡介：毛崔磊（1992—），男，河南新鄉(xiāng)人，碩士，主要從事礦山資源環(huán)境研究。E-mail：1042274447@qqcom。

通信作者：田毅，博士，副教授，主要從事土地綜合整治、城市地下空間資源定量評價的教學與科研。E-mail：tianyi@cugbeducn。

社會經(jīng)濟的快速發(fā)展加快了對礦產(chǎn)資源的開發(fā)與利用，在帶給社會效益的同時，由于長期不當?shù)牡V產(chǎn)開發(fā)，對于礦山原地形地貌破壞較大，同時潛在的致災隱患不斷增多，隨時可能發(fā)展成地質(zhì)災害，常見的礦區(qū)地質(zhì)災害為地面塌陷、邊坡失穩(wěn)、滑坡等，且礦區(qū)周邊常有居民點，一旦災害發(fā)生將會造成不可估量的經(jīng)濟損失，甚至人員傷亡。

由于長期的開采，礦山廢棄物隨意堆棄，粗放的堆棄導致原地形原地貌未知，堆棄物的規(guī)模未知，堆棄物的穩(wěn)定性未知，以及可能導致潛在的礦山環(huán)境災害未知，因此對于廢棄礦山的地形地貌的精準測量變得尤為重要。

近年來，隨著無人機航拍技術(shù)的不斷成熟，加之無人機低成本，機動性強，大比例尺高精度、維護簡單；在小區(qū)域和飛行困難地區(qū)高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優(yōu)勢，如在災害發(fā)生的區(qū)域進行快速的影像獲取，以及礦山地形圖的快速更新，使得無人機逐漸成為獲取更高精度的影像的主要技術(shù)手段之一。

本研究以北京密云某廢棄礦山為例，提出了利用無人機遙感技術(shù)獲取的影像來進行三維地形建模，并對廢棄礦山地貌精準測量方法進行探討[2-3]。

1三維重建方法及軟件

11研究區(qū)簡介

密云區(qū)位于北京市東北部，屬燕山山地與華北平原交接地，總地形為三面環(huán)山，中部低緩，西南開口的簸箕形。密云區(qū)為暖溫帶季風型大陸性半濕潤半干旱氣候。四季分明，干濕冷暖變化明顯。地理坐標西起116°39′33″E，東至117°30′25″E，東西長69 km；南起40°13′7″N，北至 40°47′57″N，是華北通往東北、內(nèi)蒙古的重要門戶。

密云區(qū)的礦產(chǎn)資源豐富，已探明儲量的礦產(chǎn)有25種，主要礦產(chǎn)有金、銀、鐵、鎢、鉛等。鐵礦儲量達95億t，在全國 2 000 多個縣中居19位，占北京地區(qū)總儲量的964%，石灰?guī)r的儲量也有近億t。

12原始數(shù)據(jù)的特點及來源

以北京密云某廢棄礦山為研究區(qū)域，通過無人機利用非量測相機對該地區(qū)進行航空攝影測量（所用sony a5100相機參數(shù)見表1，相機見圖1）。本研究區(qū)設(shè)計飛行相對高度為 250 m，絕對高度為450 m，無人機上搭載的相機焦距為 285 mm，測區(qū)范圍總面積達88 km2，獲得原始照片663張，同時保證航空攝影測量時60%側(cè)向重疊和80%航向重疊的規(guī)范要求。采用GeoFly-X8固定翼無人機，相對于多旋翼無人機其速度更快、效率更高、更節(jié)能，適合大范圍的高清影像的拍攝，可作業(yè)范圍甚至可達幾十平方公里，是農(nóng)業(yè)監(jiān)測、礦山監(jiān)測，災情監(jiān)測的首選機型。該無人機飛行高度可達 1 200 m，影像精度為005～010 m，飛行速度35～70 km/h。

121影像特征

在實際飛行中，該區(qū)域1個架次完成，共獲取663張照片，其中有效照片658張。對應(yīng)的照片信息見圖2。該任務(wù)區(qū)內(nèi)包含建筑、道路、植被，各個類型的航拍原始圖片細節(jié)見圖3、圖4、圖5。

13三維建模軟件（Agisoft PhotoScan）

Agisoft PhotoScan是一款基于靜態(tài)圖像構(gòu)建高精度三維模型的軟件。依據(jù)最新的計算機多目視覺影像三維重建技術(shù)，就可以對具有影像重疊的照片進行處理；也可以通過給予的控制點生成真實坐標的三維模型。其在三維場景中的應(yīng)用相當廣泛，如考古（Agisoft Photoscan 和 Adobe Illustrator軟件在田野考古繪圖中的綜合應(yīng)用）、工業(yè)、軍事、醫(yī)學等諸多領(lǐng)域都可以使用該軟件進行處理。整個工作流程都是完全自動化的。

Agisoft PhotoScan區(qū)別于其他傳統(tǒng)航攝軟件的地方在于它使用的是運動信息中恢復三維場景結(jié)構(gòu)（structure from motion，SfM）的方法。SfM三維重建的主要過程如下：（1）利用SIFT算子從每張影像上提取特征點并獲取其對應(yīng)的Descriptor；（2）根據(jù)POS或其他約束關(guān)系選出可能具有重疊關(guān)系的像對；（3）對每一像對Descriptor進行匹配，并使用RANSAC算法進行粗差剔除，消除誤匹配；（4）根據(jù)計算機多目視覺原理，將各像對匹配的同名像點連接統(tǒng)一起來，在逐次平差迭代過程中，剔除粗差，估算出視覺場景中相機和由匹配點形成的稀疏點云的相對位置；（5）結(jié)合相機的GPS和像控點的位置坐標，通過Damped Least-Squares（DLS）算法來獲取相機和稀疏點云的真實空間位置。

2三維模型構(gòu)建

后期影像處理基于POS數(shù)據(jù)進行，經(jīng)過一系列的處理后，得到研究區(qū)的三維模型[4]。處理流程見圖6。

21原始數(shù)據(jù)的預處理

由于無人機類別及用途存在差異， 無人機所獲取的影像

POS信息的文件格式也有所區(qū)別。首先要將POS數(shù)據(jù)格式按照處理軟件的要求進行修改，使其能夠順利地導入到工程當中。將數(shù)據(jù)格式依次修改為緯度、經(jīng)度、海拔高度、航向、俯仰、橫滾。

22導入影像

在導入之前，檢查影像的質(zhì)量，刪除模糊、變形、色彩異常的影像，提高數(shù)據(jù)的精度。本次拍攝的區(qū)域較大，獲取的影像數(shù)量較多，分區(qū)塊依次單獨進行處理，對每一個塊逐一進行照片對齊、點云提取和立體模型的建立，最后再進行合并、提取紋理。分區(qū)塊進行處理的好處在于，既可以充分利用計算機的性能特點，還可以提高影像數(shù)據(jù)處理的效率。需要注意的是，導入的影像必須是依照航線且連續(xù)的影像，與POS數(shù)據(jù)一一對應(yīng)的數(shù)據(jù)，中間不能有遺漏。

23數(shù)據(jù)定向、點云提取

Agisoft photoscan根據(jù)空中三角測量的基本原理，根據(jù)多目視覺影像三維模型重建技術(shù)，自動解算出影像的坐標、姿態(tài)等信息，同時自動完成影像匹配、內(nèi)定向、相對定向及絕對定向等過程，處理過程中不再需要進行人工干預。后期處理所需要的基本數(shù)據(jù)是影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)和地面控制點數(shù)據(jù)，影像的拍攝姿態(tài)與位置是由無人機在飛行過程中根據(jù)航線的設(shè)計和飛行的姿態(tài)來決定。

24立體建模

利用Agisoft photoscan從無人機航拍的原始影像數(shù)據(jù)和位置信息提取帶有坐標信息的點云數(shù)據(jù)，可以快速重新構(gòu)建任務(wù)目標的三維模型，即線、面、體、空間等各種數(shù)據(jù)，還原任務(wù)目標真實的形態(tài)特性。

25模型賦予紋理

模型構(gòu)建完成后，需要將模型賦予材質(zhì)、著色、紋理，Agisoft photoscan軟件對于紋理的生成具有5種不同的模式，包括通用、正射影像、自適應(yīng)正射影像、球形、單一相機。根據(jù)研究區(qū)特點采用適合研究區(qū)域的自適應(yīng)正射影像模式，以達到符合實際的效果，保證質(zhì)量。

26成果輸出

完成上述步驟后，就可以根據(jù)實際的需要將數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射影像（DOM）、數(shù)字表面模型（DSM）導出，數(shù)字高程模型（DEM）即地形表面形態(tài)的數(shù)字化表達，它是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型。數(shù)字正射影像（DOM）是對航空（或航天）相片進行數(shù)字微分糾正和鑲嵌，按一定圖幅范圍裁剪生成的數(shù)字正射影像集。它是同時具有地圖幾何精度和影像特征的圖像。數(shù)字表面模型（DSM）指物體表面形態(tài)以數(shù)字表達的集合。其中DEM必須是高程信息，是地表的模擬，DSM可以是地物表面的模擬，包括植被表面、房屋的表面，對DSM進行加工，去掉房屋、植被等信息，可以形成DEM。成果輸出時，根據(jù)需求調(diào)整像元大小、投影坐標的類型，選擇分幅圖或整幅圖輸出。輸出的格式常用為TIFF/GeoTIFF（tif）格式，也可導出KML文件，在google earth上打開，數(shù)字地表模型（DSM）也可導出為PDF或3DS等多種格式。三維模型見圖7。

三維模型的精度決定了其可以滿足的不同應(yīng)用需求，為檢驗軟件生成的三維模型，在實地采集了32個控制點，其中7個作為匹配點，對三維模型進行匹配，將控制點輸入軟件，坐標為wgs84，匹配模型見圖8，導入的GPS點與軟件匹配后的點進行比較，計算得到Z值誤差數(shù)據(jù)（表2）。

從圖9可以看出，誤差總體控制在05 m左右，由于受實際條件的限制，以及天氣原因的影響，基本上達到了預期的效果，與實際外業(yè)測量的真實坐標差距不是很大，因此構(gòu)建的三維模型具有較高的精度，可以滿足實際需求[5]。

3結(jié)論

本研究以廢棄礦山為例，通過無人機獲取的原始數(shù)據(jù)，運用Agisoft PhotoScan軟件建立了相應(yīng)的三維模型，實現(xiàn)了廢棄礦山的精準測量，試驗結(jié)果表明，基于Agisoft PhotoScan可以快速得到研究區(qū)的三維模型，并結(jié)合精度檢驗，可以滿足相應(yīng)的需求，為廢棄礦山的地貌精準測量提供了幫助，相比與傳統(tǒng)的三維建模方式縮短了時間，降低了成本，具有更好的應(yīng)用前景[6-7]。

同時需要注意GCP點應(yīng)布置在高對比度、可清楚地確定出中心位置的目標。這樣才能提高影像坐標和空間坐標的匹配度與可靠性。實際實施中受一些客觀條件的限制未能將GCP點做到最優(yōu)化。下一步需要優(yōu)化GCP點位置，從而提高三維模型的精度[8-10]。

今后將研究局部微地貌的表達，地形的緩陡程度，將三維數(shù)據(jù)與實地數(shù)據(jù)進行對比分析，進一步驗證該方法的可行性與快捷性。

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