摘 要：隨著無人機技術(shù)的發(fā)展，無人機目前已廣泛應(yīng)用于民用領(lǐng)域，相應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)處理軟件也在迅速推進。該文基于傾斜攝影測量技術(shù)，通過飛行載體，搭載單個相機獲取秦皇島柳江盆地石門寨西門-瓦家山地區(qū)傾斜攝影數(shù)據(jù)影像，并使用大疆智圖軟件處理影像，構(gòu)建野外地質(zhì)教學(xué)實習(xí)路線大區(qū)域、高精度的實景三維模型，為實習(xí)提供重要地形地貌資料數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：無人機傾斜攝影測量；實景三維資源建設(shè)；地質(zhì)教學(xué)實習(xí)；無人機技術(shù)；數(shù)據(jù)處理

中圖分類號：P231 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：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

隨著科技的進步和信息化時代的到來，傳統(tǒng)的二維地圖已無法滿足現(xiàn)代社會對于地理空間信息精準(zhǔn)化、立體化的需求。因此，在2019年初，中國自然資源部著手啟動了“十四五”期間的基礎(chǔ)測繪工作，以及“實景三維中國”項目的編制工作。這一項目旨在通過構(gòu)建高精度、大規(guī)模并具有共享性的三維模型數(shù)據(jù)，以推動數(shù)字城市建設(shè)和智能化發(fā)展[1]。中國科學(xué)院與中國工程院“兩院”院士李德仁先生，在提及“實景三維中國”建設(shè)時，強調(diào)了“條件成熟，越快越好”的重要性。他的話語不僅反映了該項目的緊迫性，也表明了三維建模技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。隨著技術(shù)的不斷進步，三維模型的精度和應(yīng)用范圍也在不斷擴大。它們不僅能為城市規(guī)劃提供直觀的參考，還能在災(zāi)害預(yù)防、環(huán)境保護、旅游展示等多個領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用，極大地促進了城市管理智能化和精細化水平的提升?！皩嵕叭S中國”不僅代表了基礎(chǔ)測繪工作的一個重大突破，也標(biāo)志著我國在三維數(shù)字化建設(shè)方面邁出了堅實的步伐。它不僅將極大提高我國在地理空間信息服務(wù)方面的國際競爭力，更為未來的智慧城市建設(shè)奠定了堅實的基礎(chǔ)[2]。

地質(zhì)教學(xué)實習(xí)作為地質(zhì)學(xué)教育體系中不可或缺的一環(huán)，對于培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、加深理論知識的理解和應(yīng)用具有至關(guān)重要的作用。然而，傳統(tǒng)的地質(zhì)教學(xué)實習(xí)方式往往受到地理條件、時間、安全等多重因素的限制，導(dǎo)致實習(xí)效果不盡如人意。尤其在復(fù)雜的野外地質(zhì)環(huán)境中，學(xué)生往往難以全面、深入地了解和掌握地質(zhì)現(xiàn)象及其規(guī)律。這不僅影響了學(xué)生對地質(zhì)學(xué)的興趣和熱情，也制約了地質(zhì)學(xué)教育的質(zhì)量和效果。

隨著科技的飛速發(fā)展，無人機傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)運而生，為地質(zhì)教學(xué)實習(xí)提供了新的可能性。無人機傾斜攝影測量技術(shù)以其高效、精確、靈活的特點，在地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸展現(xiàn)出廣闊的前景。該技術(shù)通過搭載高清相機等傳感器設(shè)備，從多個角度對目標(biāo)區(qū)域進行拍攝，獲取豐富的紋理信息和地形數(shù)據(jù)。相較于傳統(tǒng)的測量方法，無人機傾斜攝影測量技術(shù)具有更高的效率和精度，能夠更全面地反映地質(zhì)現(xiàn)象的真實情況。

因此，本文將詳細探討無人機傾斜攝影測量在野外地質(zhì)教學(xué)實習(xí)路線實景三維資源建設(shè)中的應(yīng)用，通過對柳江盆地石門寨西門-瓦家山地區(qū)進行無人機傾斜攝影測量及實景三維資源建設(shè)，以期通過這一創(chuàng)新技術(shù)，為地質(zhì)教學(xué)實習(xí)帶來革命性的變革，提升實習(xí)效果，促進學(xué)生更好地掌握地質(zhì)知識和技能。

1 無人機傾斜攝影測量技術(shù)概述

無人機（Unmanned Aerial Vehicle， UAV）這一概念，起源于20世紀(jì)20年代的軍事領(lǐng)域。英國軍事航空學(xué)會率先探索了無線電操控飛機的可能性，旨在不將飛行員暴露于危險中而實現(xiàn)偵察和攻擊任務(wù)。美國于1917年研發(fā)并成功試飛了第一架原型無人機，標(biāo)志著無人機技術(shù)在軍事領(lǐng)域的初步應(yīng)用[3]。

自誕生之初，無人機就承載著人類對空中智能作業(yè)的夢想。經(jīng)過一個世紀(jì)的發(fā)展，特別是隨著電子技術(shù)、計算機科學(xué)、人工智能及材料工程的飛速進步，無人機已經(jīng)由單一的軍事用途拓展到了廣泛的民用和科研領(lǐng)域。

在地理信息系統(tǒng)（GIS）領(lǐng)域，Bernard等[4]研究者利用大疆精靈3無人機采集了航空影像，并結(jié)合結(jié)構(gòu)從運動（SFM）算法計算得到數(shù)字高程模型（DEM），揭示了北極某區(qū)域由于積雪和結(jié)冰造成的冰川體積變化。此類研究不僅展示了無人機在極地等惡劣環(huán)境中的適用性，也為全球變化研究提供了新的數(shù)據(jù)獲取手段。

城市規(guī)劃與道路管理是另一重要應(yīng)用領(lǐng)域。Inzerillo等[5]在意大利巴勒莫大學(xué)校園內(nèi)進行了道路破損檢測實驗。他們通過無人機采集圖像并生成3D模型，與傳統(tǒng)地面激光掃描結(jié)果進行對比分析，證明了無人機在城市基礎(chǔ)設(shè)施維護方面的潛力和優(yōu)勢，特別是在自動化檢測和提高安全性上。

對于火山地貌的研究同樣離不開無人機的助力。Fedele等[6]學(xué)者結(jié)合無人機和數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)，獲取了高密度三維點云和數(shù)字正射影像。通過構(gòu)建時間序列的數(shù)字地形數(shù)據(jù)，精確監(jiān)測活火山的地形變化，這不僅減少了科研人員的風(fēng)險，同時提高了數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性。

無人機傾斜攝影測量技術(shù)是一種基于無人機平臺的先進測量技術(shù)，它結(jié)合了無人機的靈活性和傾斜攝影的高精度特性，為地質(zhì)領(lǐng)域提供了一種全新的數(shù)據(jù)獲取方式。該技術(shù)通過搭載高清相機等傳感器設(shè)備，從多個角度對目標(biāo)區(qū)域進行拍攝，獲取豐富的紋理信息和地形數(shù)據(jù)。這種多角度的拍攝方式使得獲取的數(shù)據(jù)更加全面、細致，能夠更真實地反映目標(biāo)區(qū)域的地質(zhì)特征。

在地質(zhì)領(lǐng)域，無人機傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛。它不僅可以用于地形地貌的精細測量和分析，還可以用于地質(zhì)遺跡的保護和監(jiān)測、礦產(chǎn)資源的勘查和開發(fā)等方面。通過無人機傾斜攝影測量技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)，可以為地質(zhì)學(xué)家提供更加全面、準(zhǔn)確的地質(zhì)信息，有助于他們更好地理解和解釋地質(zhì)現(xiàn)象，為地質(zhì)研究和教學(xué)提供有力的支持。

2 野外地質(zhì)教學(xué)實習(xí)路線實景三維資源建設(shè)需求分析

位于河北省秦皇島市撫寧縣石門寨鎮(zhèn)的上莊坨村附近，坐落著一處占地約23萬m2的地學(xué)研究寶地——柳江地學(xué)實習(xí)基地?；谠颖鼻鼗蕧u煤礦學(xué)校校址，該基地利用柳江盆地獨有的地質(zhì)景觀資源，為地學(xué)愛好者提供了一個實地研習(xí)的理想環(huán)境。

2011年，郝偉等學(xué)者在體驗式地質(zhì)教學(xué)領(lǐng)域邁出了重要一步。他們運用虛擬現(xiàn)實和計算機圖形技術(shù)，精心打造了以柳江盆地石門寨西門-瓦家山地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的三維模型。這一成果，借助Virtools平臺的強大功能，實現(xiàn)了一套虛擬地學(xué)認識實習(xí)系統(tǒng)，不僅豐富了教學(xué)內(nèi)容，還提升了學(xué)習(xí)效率。2012年，龔文峰等深入剖析了傳統(tǒng)野外實習(xí)的局限性，并提出了教學(xué)模式改革的建議。他們將視野聚焦在秦皇島柳江盆地，一個典型的野外實習(xí)基地。通過引入現(xiàn)代3S空間信息技術(shù)，結(jié)合自然地理的實習(xí)要求，優(yōu)化了雞冠山實習(xí)區(qū)的實習(xí)路線設(shè)計，確保了數(shù)據(jù)的全面性和實習(xí)過程的高效性。這些研究成果，無不體現(xiàn)了科技與教育相結(jié)合的重要性。它們不僅增強了學(xué)生對地質(zhì)知識的理解和掌握，也為地學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)發(fā)展提供了寶貴的技術(shù)支持與實踐平臺。

野外地質(zhì)教學(xué)實習(xí)路線通常涵蓋多種地形地貌和地質(zhì)特征，是學(xué)生們進行地質(zhì)實踐的重要場所。然而，傳統(tǒng)的實習(xí)方式往往難以充分展示這些地質(zhì)現(xiàn)象的真實性和復(fù)雜性，使得學(xué)生們難以深入理解和掌握相關(guān)知識。因此，建設(shè)實景三維資源成為提升地質(zhì)教學(xué)實習(xí)效果的關(guān)鍵所在。

實景三維資源能夠真實、直觀地呈現(xiàn)野外地質(zhì)實習(xí)路線的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)資源等信息，為學(xué)生提供一個沉浸式的學(xué)習(xí)環(huán)境。通過實景三維資源，學(xué)生可以更加深入地了解地質(zhì)現(xiàn)象的形成機制和演化過程，加深對地質(zhì)知識的理解。同時，實景三維資源還可以提供交互式的學(xué)習(xí)體驗，允許學(xué)生進行虛擬漫游、地質(zhì)現(xiàn)象觀察和數(shù)據(jù)分析等操作，從而增強學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。

此外，實景三維資源還具有可重復(fù)利用和共享的優(yōu)勢。一旦建設(shè)完成，這些資源可以多次使用，為不同批次的學(xué)生提供相同的學(xué)習(xí)體驗。同時，這些資源也可以在不同學(xué)校或機構(gòu)之間共享，促進地質(zhì)教學(xué)資源的優(yōu)化配置和共享利用。

3 數(shù)據(jù)獲取與處理

無人機數(shù)字航空攝影技術(shù)在各類不同項目中的應(yīng)用，都遵循著一套科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖鳂I(yè)流程。這一流程確保了工作的高效性、精確性，以及最終成果的質(zhì)量。以下為本次工作的主要作業(yè)流程（圖1）。

3.1 無人機相關(guān)參數(shù)

此次試驗采用的無人機是大疆御3行業(yè)多光譜版M3M，搭載RTK模塊，實現(xiàn)厘米級高精度定位。集成了1個4/3 CMOS的2 000萬像素可見光相機及4個500萬像素的多光譜相機，可實現(xiàn)高精度航測、作物生長監(jiān)測、自然資源調(diào)查等應(yīng)用。

3.2 航線規(guī)劃

通過大疆DJI Pilot2軟件進行航線規(guī)劃，航向重疊率為80%，旁向重疊率為70%，飛行相對高度為150 m，開啟實時仿地和智能擺動功能，GSD為4.6 cm/pixel，航線長度14 km，測區(qū)面積0.16 km2，飛行時間為18 min。

3.3 數(shù)據(jù)處理

本次試驗數(shù)據(jù)處理采用了大疆開發(fā)的大疆智圖（DJI Terra）軟件，該軟件是一款以二維正射影像與三維模型重建為主的軟件，同時提供二維多光譜重建、激光雷達點云處理、精細化巡檢等功能[7]。它能夠?qū)o人機采集的數(shù)據(jù)可視化，實時生成高精度、高質(zhì)量三維模型，滿足事故現(xiàn)場、工程監(jiān)測、電力巡線等場景的展示與精確測量需求。通過數(shù)據(jù)導(dǎo)入，空三處理，得到數(shù)字表面模型（DSM）（圖2）、數(shù)字正射影像（DOM）（圖3）以及實景三維模型（圖4）。

4 結(jié)束語

無人機傾斜攝影測量技術(shù)可以成功應(yīng)用于柳江盆地野外地質(zhì)教學(xué)實習(xí)路線實景三維資源建設(shè)中，為地質(zhì)教學(xué)實習(xí)提供全新的視角和方法。這種技術(shù)的應(yīng)用不僅可以提升實習(xí)效果，促進學(xué)生更好地掌握地質(zhì)知識和技能，還可以推動地質(zhì)教學(xué)資源的優(yōu)化配置和共享利用，促進地質(zhì)教育的創(chuàng)新發(fā)展。

參考文獻：

[1] 劉建程.傾斜攝影測量面向城市實景三維建模與質(zhì)量評價[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2022.

[2] 李德仁，李明.無人機遙感系統(tǒng)的研究進展與應(yīng)用前景[J].武漢大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版），2014，39（5）：505-513，540.

[3] 鄒劍波.無人機傾斜攝影精細化實景三維建模及校園GIS應(yīng)用[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，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] 劉成成.基于無人機多光譜影像的棉花葉片SPAD值和LAI反演研究[D].阿拉爾：塔里木大學(xué)，2023.