基于无人机倾斜摄影的数字露头实景三维模型构建

刘　帅¹　陈建华¹　王　峰²　曹礼刚¹　王炳乾¹

（1. 成都理工大学地球物理学院 成都　610059；2. 成都理工大学沉积地质研究院 成都　610059）

摘　要　地质露头在地质研究中具有极其重要的地位。传统地质露头野外数据采集多以相机拍照、人工测量为主，存在诸多局限性。基于无人机的倾斜摄影技术及其配套的快速三维建模技术是近年发展起来的高新技术。本文将无人机倾斜摄影技术引入地质露头数据采集中，研究了基于无人机倾斜摄影的数字露头实景三维模型构建方法并详细论述了工作流程。文章以鄂尔多斯盆地大石头井沟剖面和二道沟剖面为例进行了案例分析。研究表明：基于构建的数字露头实景三维模型可进行剖面量测、岩层岩性分析、岩层走向分析、岩层叠覆情况分析等多种地质分析。相较于传统地质露头数据采集方式，该方法具有真实全面、高效易用的特点。

关键词　无人机　倾斜摄影　数字露头　实景三维模型　鄂尔多斯盆地

Construction of a 3D model of digital outcrop real scene based on UAV oblique photography

Liu Shuai¹　Chen Jianhua¹　Wang Feng²　Cao Ligang¹　Wang Bingqian¹

（1. College of Geophysics, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059；2. Institute of Sedimentary Geology, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059）

 Abstract

  Geological outcrop plays an extremely important role in geological research. And traditional field data collection methods of geological outcrops are mainly based on camera photography and manual measurement, which has many limitations. Oblique photography technology based on drones and its supporting rapid 3D modeling technology are high-tech developed in recent years. In this paper, the drone tilt photography technology is introduced into the data collection of geological outcrops, and the construction of the digital outcrop real scene 3D model based on the drone tilt photography is studied. Furthermore, the article takes the Dashitoujinggou section and Erdaogou section in the Ordos Basin as examples for case analysis. The research shows that: based on the constructed digital outcrop real scene 3D model, various geological analyses such as profile measurement, rock formation lithology analysis, rock formation trend analysis, and rock overlay analysis can be performed. Compared with the traditional geological outcrop data collection method, this method has the characteristics of real comprehensiveness, high efficiency and ease of use.

Keywords　UAV, Oblique photography, Digital outcrop, Real three-dimensional model, Ordos Basin

地质露头作为揭示地质活动、地壳变动以及岩层分布的重要地质对象，一直是各类地质研究的重中之重（万剑华等，2019a）。多年来，野外地质露头数据采集方式几乎没有发生过改变，主要以相机拍照、人工测量，再辅以一些必要的样本采集为主（印森林等，2018）。经过多年实践，此方法逐渐暴露出其存在的一些局限性，主要有以下一些方面。1）数据采集不全面；其采集的全面程度主要取决于剖面所处的地理环境，部分剖面所处位置人力无法到达，数据不能进行采集，如陡坡、悬崖等位置（闫博等，2020）。2）数据采集局部化，难以建立整体概念；研究区内通常出露多个剖面，传统地质露头数据采集通常单独进行各剖面间数据采集和踏勘，导致本应有关联性的各露头之间，人为切断了联系，造成后续地质分析和解释难度加大，甚至引起错误。3）数据复用性差；人工踏勘采集的数据通常只有到过剖面现场的人熟悉该数据，若将数据转交给一个未到过剖面现场的人，数据理解较为困难，导致部分数据不能再次使用，复用性差。4）数据可展示性差；人工踏勘采集的露头数据标准不统一，且局部化，无法做到从整体上全面展示剖面现状，只能“以点代面”的进行展示。5）数据采集周期长；传统数据采集主要依靠人工，但野外人工踏勘每天考察量是极其有限的，特别是在某些远离人烟的无人区。6）数据采集危险性高；部分剖面所处位置地理条件差，如戈壁，悬崖，陡坡等，需要承担一定的考察风险，现场踏勘人员甚至可能需要面临生命危险（贾曙光等，2018）。

近年来，无人机技术得到了快速发展，无人机设备愈发普及，小型化、精细化等诸多优点使得其在与其他行业相结合时，得到了广泛好评（曲林等，2015）。基于无人机的倾斜摄影技术及随之而来的三维自动建模技术在此期间也得到长足发展，基于无人机倾斜影像的快速三维建模已成为测绘领域的一项新技术（史文中等，2004；弥永宏等，2017）。部分地质工作者也注意到无人机技术的优势，开始将无人机技术应用于地质行业，应用方向主要集中在遥感地质、地质灾害应急监测、地质信息识别与提取等方面（Giordan et al.，2020；连会青等，2020；戴均豪等，2021；印森林等，2021）。数字露头实景三维模型方面的研究还相对较少。

鉴于此，本文将无人机倾斜摄影技术应用于地质露头数据采集，进行基于无人机倾斜摄影的数字露头实景三维模型构建。基于构建的数字露头实景三维模型，地质工作者可进行量测、分析等多类别的地质踏勘分析，且数据复用性得到增强，只需一次数据采集，即可复刻下剖面所有真实地质情况。将无人机倾斜摄影技术引入到野外地质工作中，在解决传统地质露头考察和数据采集局限性的同时，能够进一步提高地质工作数字化程度。

1　研究方法

1.1　倾斜摄影技术

倾斜摄影技术是国际摄影测量领域近十几年发展起来的一项高新技术，该技术通过从1个垂直、4个倾斜、5个不同的视角同步采集影像，获取到丰富的地面目标顶面及侧视的高分辨率纹理（周晓波等，2017）。它不仅能够真实地反映地物情况，高精度地获取物方纹理信息，还可通过先进的定位、融合、建模等技术，生成真实的三维地物模型（熊强等，2018）。该技术在欧美等发达国家已经广泛应用于智慧管理、规划、住建、自然资源、交通、电力、水利、应急等行业（Zhou et al.，2021）。

倾斜摄影技术多与无人机技术相结合，以无人机作为倾斜摄影系统的搭载平台，可最大程度发挥倾斜摄影数据采集优势。无人驾驶飞机简称“无人机”（Unmanned Aerial Vehicle, UAV），是利用无线电遥控设备和自身携带的飞行控制装置操纵的不载人飞行器（Zhou and Zhang，2020）。依据其升力产生方式，通常将其分为固定翼无人机和旋翼无人机两类（万剑华等，2019b）。固定翼无人机飞行速度快、飞行高度高，携带摄影镜头后可进行长距离、大面积地面目标拍摄，但起飞条件较为苛刻。旋翼无人机通常体积更小更易于携带，且操作简单，此外，其可悬停进行地面目标拍摄，由于多以锂电池作为动力源，所以滞空时间相对较短。结合地质行业野外工作实际情况，旋翼无人机通常是更好的选择。

基于无人机的倾斜摄影一般使用机载五镜头或两镜头摄影系统，得益于算法原理的进步，现通过单镜头也能进行倾斜摄影数据采集（盛辉等，2020）。采取单镜头采集方案时，镜头固定一个方向，设定密集航线，“井”字交叉飞行。单镜头的采集方案通常在保证数据质量的情况下，成本更低。

1.2　技术路线及工作流程

基于无人机倾斜摄影的数字露头实景三维模型构建的技术路线如图1所示，依托该技术路线的实际工作流程主要分为两个部分。第一部分，地质露头倾斜摄影数据采集。第二部分，基于倾斜摄影数据的实景三维模型构建。

图1　基于无人机倾斜摄影的数字露头实景三维模型构建技术路线

Fig. 1　Technical route for constructing digital outcrop real scene 3D model based on drone tilt photography

（1）倾斜摄影数据采集

数据采集的质量直接关系着后续模型建立的难易程度及精度。结合地质工作实际情况，将无人机野外数据采集方式分为航线自动飞行数据采集和人工手动飞行数据采集两类。

航线自动飞行数据采集方式所获取数据质量高、影像重叠度均一。该方式缺点也很明显，由于要制定飞行范围的KML文件，所以需提前了解剖面情况，特别是剖面较为精准的位置范围。该方式有以下6个步骤：1）露头区域KML制作；使用无人机配套飞行软件或部分桌面端软件将剖面区域圈定出来制作成KML文件。2）无人机组装及测试；按要求组装好无人机，并进行简单的飞行测试，检查飞机控制及各项参数是否正常。3）飞行航线制定；通过无人机配套的飞控软件和KML文件制定航线，重点是设定剖面采集过程中的倾斜摄影相关参数，包括飞行高度、飞行速度、旁向重叠率、航向重叠率。飞行高度根据拟建立模型的精度进行确定，飞行速度不易过快，过快易导致照片模糊，航向重叠率和旁向重叠率分别为80%和75%。4）航线任务执行；无人机根据航线自动巡航并同步采集剖面倾斜影像和对应GPS坐标信息。5）空地信息互传；飞行过程中，无人机实时与遥控器进行图传，通过遥控器屏幕可实时查看当前无人机各类飞行状态参数及拍摄的剖面影像。6）返航与数据质量检查；飞行任务完成后，无人机自动或手动返航，检查拍摄数据是否覆盖整个剖面区域，检查照片是否清晰无模糊，若照片有问题，需进行补拍。

人工手动飞行数据采集方式所获取数据分辨率通常高于自动采集方式，且获取较为灵活，不需提前了解剖面范围及制作KML文件。该方式的缺点是影像重叠度较难控制，给后续的三维重建带来困难。该方式有以下4个步骤：1）无人机组装及测试；2）剖面数据采集；沿剖面手动飞行并进行数据采集，采集过程中应注意，飞机高度适当高一些，使镜头与剖面保持不超过40度夹角，每两张照片重叠度不低于70%；3）空地信息互传；4）数据质量检查。

（2）实景三维模型构建

实景三维模型构建主要依赖于倾斜摄影模型建立原理进行三维重建。主要有以下6个步骤：区域整体平差、空中三角测量、多视角影像密集匹配、三维TIN格网构建、白体三维模型创建、纹理映射。

基于无人机倾斜摄影的数字露头实景三维模型构建实际工作流程如图2所示。

图2　基于无人机倾斜摄影的数字露头实景三维模型构建工作流程

Fig. 2　The workflow of constructing digital outcrop real-scene 3D model based on drone tilt photography

图11　大石头井沟数字露头实景三维模型

Fig. 11　Digital outcrop real 3D model of Dashitou Jinggou

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