基于無人機傾斜攝影測量的三維地質建模研究進展

潘書涵，劉珺，孫夢宇，何璇，劉配君，劉冠琦，黃逸貴

（安徽建筑大學土木工程學院，合肥 230601）

近十幾年來，測繪領域將無人機同航攝技術結合，發展出無人機傾斜攝影測量技術。無人機傾斜攝影測量技術主要包括傾斜影像及航飛數據的獲取和處理兩方面（孫杰，2019）。

三維地質建模技術包括三維地質模型的生成、可視化、空間分析和應用等方面（潘懋，2007）。三維地質建模技術通過將計算機技術和地質統計學結合，使海量的地質數據從傳統的二維平面中跳出，實現地質研究在三維空間中的進行。

目前，無人機傾斜攝影測量技術通過與三維地質建模技術結合，在實現實景三維模擬方面表現出色，并已被廣泛運用于資源開發、環境保護、地質災害監測、野外地質露頭建模等領域（朱允偉，2020）。

2021 年8 月，國家自然資源部印發的《實景三維中國建設技術大綱（2021 版）》中提到，實景三維中國建設是落實數字中國、平安中國、數字經濟戰略的重要舉措，是落實國家新型基礎設施建設的具體部署，是服務生態文明建設和經濟社會發展的基礎支撐。2022 年2 月，國家自然資源部印發的《自然資源部辦公廳關于全面推進實景三維中國建設的通知》中指出，實景三維是國家重要的新型基礎設施，為數字中國提供統一的空間定位框架和分析基礎，是數字政府、數字經濟重要的戰略性數據資源和生產要素。目前，實景三維中國建設已經受到社會各界的廣泛重視。

基于無人機傾斜攝影測量技術的三維地質建模作為實景三維中國建設的一部分，目前少有人從前期準備工作方面進行完整的整理總結與對比。因此本文通過對無人機傾斜攝影測量技術和三維地質建模技術的發展現狀進行梳理與總結，從無人機機型、三維地質模型及建模軟件三個方面進行歸納與對比，為后來研究者在選擇無人機、三維地質模型和建模軟件時提供參考意見。

1 無人機傾斜攝影測量技術

1.1 概況

攝影測量是利用光學攝影機獲取的像片，經過處理以獲取被攝物體的形狀、大小、位置、特性及其相互關系的技術（龔濤，2014）。攝影測量從產生到現在，已經經歷了模擬攝影測量、解析攝影測量、數字攝影測量三個階段（李德仁，2000）。

無人機是依靠程序控制自動飛行或者由人在地面或母機上進行遙控的飛機（李磊等，2010）。無人機的研制與發展最先是出于軍事戰略目的，美國是該領域的主要國家之一，其無人機科技水平位居世界前列，我國研制無人機至今已有50 多年的歷史。目前無人機廣泛應用于軍事、地質災害監測、氣象觀測、森林火警監控及重大災難搶險及航空攝影測量領域（李磊等，2010）。

近十幾年來，測繪領域將無人機同航攝技術結合，發展出傾斜攝影測量技術。傾斜攝影測量技術也即機載多角度傾斜攝影測量技術，傾斜攝影測量技術主要包括傾斜影像及航飛數據的獲取和處理兩方面（孫杰，2019）。無人機傾斜攝影測量技術具有低成本、高效率、高精度、高實時性的優點（李少軍，2018）。目前，該技術主要通過與三維建模技術結合實現實景三維模擬，并在城市規劃、資源開發、環境保護、地質災害監測等方面得到廣泛應用（朱允偉，2020）。

無人機傾斜攝影測量技術的發展主要體現在無人機機型方面。按照無人機的機型，主要分為固定翼無人機、旋翼無人機、垂直起降固定翼無人機等，各有技術優勢與不足（孫杰，2019）。

1.2 無人機機型優缺點對比

本文重點對比了三種目前市場上常見的無人機機型（圖1），即固定翼無人機、旋翼無人機和垂直起降固定翼無人機。

圖1 三種常見的無人機機型

固定翼無人機以汽油發動機作為動力，在續航時間、飛行速度和作業效率方面有著顯著優勢，但也因飛行速度過快而存在不能獲取高分辨率和高清晰度影像的致命缺陷。其次，固定翼無人機外型與飛機基本一致，在起飛降落時要求有足夠空曠的場地用于助跑和減速，因為對作業場景有著較高要求而常常受到限制。再者，固定翼無人機在三種無人機中翼數最少，因此機動性最差，且因僅靠兩翼維持平衡而操作難度大。

旋翼無人機多以電池作為動力，在續航時間、飛行速度和作業效率方面表現平平，因而在大面積作業時需要頻繁起降和更換電池。旋翼與固定翼最大的區別就在于旋翼無人機實現了垂直起降，對作業場景的包容性更強。根據旋翼無人機的體型大小一般可具有四至八翼，能夠輕松實現低空飛行和空中懸停，因而能夠獲取高分辨率的傾斜影像。但因為翼數較固定翼無人機增多，所以在惡劣天氣條件下更易受到干擾。另外，其旋翼多為可拆卸型，便于外出攜帶。

垂直起降固定翼無人機是固定翼和旋翼無人機的結合體，兼具了兩者的優點：作業效率高、能夠垂直起降和獲取高分辨率和高清晰度的傾斜影像。但是該機型的致命缺陷是自重過大，因而續航時間同比與其他兩者大大縮短，且導致其載重減少而不利于裝載高配置相機。另外，該機型外觀最為復雜，外出不便于長距離攜帶。

基于上述的三種無人機機型的特性，本文認為在進行小范圍測量或對航飛數據有高精度要求的情況下，建議優先選擇旋翼無人機。旋翼無人機雖在續航能力方面有待提升，但該問題可以通過在外業時準備多塊電池解決，且其提供的傾斜影像及航飛數據最為可靠。三種常見的無人機機型優缺點對比如表1。

表1 無人機機型優缺點對比表

2 三維地質建模技術

2.1 概況

三維地質建模包括三維地質模型的生成、可視化、空間分析和應用等（潘懋，2007）。三維地質建模技術通過將計算機技術和地質統計學結合，使海量的地質數據從傳統的二維平面中跳出，實現地質研究在三維空間中的進行。三維地質建模技術已經滲入到地質的各個領域，包括礦產、石油、水文地質、工程地質、地熱地質、災害地質等方面（姬廣軍等，2019）。三維地質模型不僅可以直觀、形象地展示地質體的空間分布及其相互關系，還能夠為估算礦產總量、工程建設的承載力模擬分析、尋找潛在的地質災害、尋找遠景成礦區提供指導（姬廣軍等，2019；周永章等，2021）。吳觀茂等人（2008）根據三維空間模型構模方法將三維地質模型分為面模型、體模型、混合模型。楊波等人（2019）在利用多源數據構建安徽廬樅盆地三維地質模型中就分別構建了三種模型，如圖2 所示。建立不同模型所選用的建模軟件也有所不同。制作面模型的軟件主要有Context Capture（原Smart 3D）、Pix4 Mapper、街景工廠等。制作體模型的軟件主要有GoCAD、Surpac、3DMine、MapGIS、AutoCAD 等。

圖2 三種三維模型圖（據楊波等，2019）

2.2 三維模型優缺點及應用領域對比

本文對比了三種三維地質模型，即面模型、體模型和混合模型的優缺點。

面模型側重于三維空間實體的表面特征顯示，比如地形起伏、地質體層面、建筑物輪廓與空間形態。面模型的建立往往通過傾斜攝影測量獲得的傾斜影像和航飛數據實現的，且目前已有較為完善的軟件可以高度自動建立面模型，因而流程較為簡單，且工作量相比于其他兩種模型工作量小。但是因為面模型的表面特征往往是通過影像數據進行貼圖而實現，所以面模型無法表示其拓撲關系和具體屬性。此外，如遇到復雜地質體，需要人工手動操作，花費時間較長。

體模型則是根據單一或多源地質數據（如地質調查、鉆探、物探、遙感等數據）通過將三維空間實體分割成若干個體元（或體素）進而實現真三維實體顯示，并且能夠實現地下空間與隱伏地質體的可視化。因為體元的屬性可以單獨進行描述和存儲，所以體模型可以查看地質體的內部屬性和進行三維空間操作和分析。但是體模型的構建建立在大量的地質數據的基礎之上，越是精確的模型對數據的要求越高且數據量越大，數據統計難度和工作量也隨之加大。此外，目前已有軟件不能根據已有數據實現高度自動化建模，在建模過程中需要大量的人工干預，建模流程復雜。另外，因為數據本身的局限性和地質體本身的不確定性，導致建模成果往往與實際情況有所出入，精度相對較低，并且難以建立復雜地質體（如倒轉地層）的模型。

混合模型則是將同一地區的面模型和體模型對應合并而成，其缺點與體模型的基本一致。其突出優勢是能夠實現地表特征與隱伏地質體空間特征的匹配。

基于上述三種三維模型的特性，本文認為應根據建模目的的不同選取合適的模型。若建模目的在于展示三維空間實體的地表、地形等表面特征時，應考慮建立面模型；若建模目的在于地下空間或隱伏地質體的可視化，則考慮建立體模型；若建模目的在于將地表特征與地面以下情況對應，則考慮建立混合模型。三種三維模型的優缺點對比結果及對應的應用領域如表2 所示。

表2 三維模型優缺點對比表

2.3 面模型的主要建模軟件優缺點對比

本文重點對比了建立面模型的三種主流軟件，即Context Capture（原Smart 3D）、Pix4 Mapper 和街景工廠，對比結果如表3。本文認為Context Capture 具有自動化程度高、一站式建模、操作簡單、性能穩定的優點，相較于其他主流軟件表現更為突出與完善，因此在建立面模型時建議優先選擇該軟件。

表3 面模型的主要建模軟件優缺點對比表

3 結論

綜上所述，在利用無人機傾斜攝影測量獲取的傾斜影像和航攝數據進行三維地質建模前，本文建議從無人機機型選擇、三維模型和建模軟件三個方面進行挑選為獲得良好的建模成果做好前期準備。

（1）在進行小范圍測量或對航飛數據有高精度要求的情況下，建議優先選擇旋翼無人機。旋翼無人機雖在續航能力方面有待提升，但該問題可以通過在外業時準備多塊電池解決，且其提供的傾斜影像及航飛數據最為可靠。

（2）應根據建模目的的不同選取合適的模型。若建模目的在于展示三維空間實體的地表、地形等表面特征時，應考慮建立面模型；若建模目的在于地下空間或隱伏地質體的可視化，則考慮建立體模型；若建模目的在于將地表特征與地面以下情況對應，則考慮建立混合模型。

（3）Context Capture 具有自動化程度高、一站式建模、操作簡單、性能穩定的優點，相較于其他主流軟件表現更為突出與完善，因此在建立面模型時建議優先選擇該軟件。