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无人机倾斜摄影及三维重构技术在地质实践教学中的应用

2024-11-10 102 上传者：管理员

摘要：随着科技的发展与进步，无人机在地质教学中的应用越来越广泛。该文通过介绍无人机的操作方法和工作原理以及三维重构的方法，展示了无人机在地质教育教学中的重要作用，并结合具体的实例，实现了“边坡工程”的可视化展示，在保证学生安全的情况下又确保了教学效果。科研成果入课堂，既可以推动教育质量的高效发展，也检验了科研成果的实用性，具有重要的意义。

关键词：
三维重构
教育教学
教育质量
无人机
边坡工程
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滑坡是最为常见的地质灾害之一，滑坡灾害的发生将对生活和生产造成巨大的影响。正确认识边坡工程，掌握边坡结构产状等节理信息，有助于日后对边坡工程稳定性进行分析评价，从而达到防灾减灾的目的[1]。在边坡工程安全分析的过程中，地形测量的准确性对边坡模型构建精度有着十分重要的影响。传统人工测量方法的精确度、效率等都不能满足快速准确获取足边坡地形信息的要求，只能以图片形式展示部分内容，无法做到统揽全局，而无人机倾斜摄影技术结合三维重构技术恰好补齐了这一短板[2]。

无人机倾斜摄影技术和三维重构技术以其高效、便捷、高精度等优势在近几年得到迅猛发展，目前已广泛应用于露天矿山开采[3]、边坡工程识别[4]、隧道工程[5]、道路工程[6]等。在教学过程中，为了使学生更加直观清晰地认识边坡工程，采用无人机倾斜摄影技术结合三维重构技术，可以实现整个边坡工程构造的三维动态展示。此外，无人机还可以获取全部边坡的节理产状信息，使学生更加深入地认识边坡工程。

1、无人机倾斜摄影技术

1.1 倾斜摄影原理

无人机主要包括多旋翼和固定翼两种，图1所示的物品为大疆御2专业版小型多旋翼无人机和地面遥控器。利用无人机搭载影像采集设备可实现正直摄影和倾斜摄影，正直摄影仅对地形地貌上部区域有较好识别的信息，无法获取沿高度方向的地貌信息。而倾斜摄影则可以实现从前、后、左、右以及垂直向下5个不同方向采集地面信息，同时采集的5张具有一定重叠度的照片可以真实地反映地面的外观以及高度等相应属性信息，采集的信息的精度比正直摄影高2～3倍。

图1无人机设备

1.2 数据采集

航测区域位于石家庄市井陉县南障城镇，周围群山环绕，地形复杂。测区长度为437.0 m，宽度为232.9 m，边坡高140.0 m，如图2所示[1]。利用无人机自带的DJI Pilot软件共设置5条航线，如图3所示。在倾斜摄影测量过程中，为了能得到详尽的数据，航向重叠度设置为80%，旁向重叠度设置为70%，等距离拍照。

图2航测区域实景图

图3航线规划图

2、三维重构技术

普通的照片不能展示边坡工程的全貌与细节，在分析边坡的稳定性时，三维模型的精确度对分析结果有着巨大影响。因此，利用三维重构技术把二维图片转化为高精度三维实体模型，不仅有助于学生加深对边坡安全性的研究分析，还对学生全面认识学习边坡工程的特征有重要作用。

小型无人机在航拍过程中会得到大量照片，为了满足同时识别大量照片的要求，选择基于增量式运动结构恢复算法（Structure-from-motion,SFM）和深度图融合的算法进行三维稀疏点云重构，重构的模型如图4所示，最后利用随机采样一致性算法和区域生长法进行结构面识别，进一步得到边坡工程的产状等节理信息。

在三维重构的过程中，首先对照片进行特征提取，其关键就是找到图像间的特征点，并利用这些特征点来描述图像之间的特性和位置关系。利用空间匹配法对提取的特征进行进一步的匹配，为稀疏点云重构奠定基础。为了直观反映边坡的状态，要在稀疏三维点云模型的基础上采样，然后采取深度图融合的方法重建稠密三维模型。

在边坡三维点云模型中包含着空间几何特征信息，因此可以对其进行结构面识别来获取边坡产状等节理信息。在结构面识别的过程中，主要有结构面区域搜索和结构面的平面拟合。采用区域生长法来实现结构面区域搜索，并利用随机采样一致性算法进行岩体结构面拟合和转换[7]。

3、无人机倾斜摄影技术在教学中的应用

3.1 满足当前社会环境的需求

随着我国的快速发展，国际竞争力日益提升，国际工程建设项目日益增加。尤其是在“一带一路”倡议得到推进后，沿线国家和地区的基础设施建设需求量巨大[8]。沿线国家和地区地质灾害频发，造成了巨大的人员伤亡和经济损失，因此边坡工程的防护治理有着重要的意义。

我国走出国门的工程项目越来越多，对掌握边坡工程治理加固技术的尖端人才的需求也日益增加，因此，培养更多地质工程人才，将有助于我国在国际舞台上展示更加强大的实力。在教学过程中引入无人机倾斜测量技术，将有助于地质工程人才的培养。

3.2 适用于边坡工程的教学

边坡工程课程内容应紧密结合实际工程，如果缺少实际工程经验，将会产生学生对知识难以理解、认识不深入等问题[9]。同时随着科技的进步，越来越多的先进技术应用到边坡工程治理过程中，然而传统的课程教学难以展示相应的技术和治理手段。如今，伴随着无人机倾斜摄影技术和三维重构技术在教学过程中的应用，通过三维模型的可视化展示，学生可以深入地掌握到学科最前沿的新技术。

3.3 提升教育质量

教师引入无人机倾斜摄影技术，为三维虚拟仿真模型的建立奠定了基础。三维虚拟仿真模型在课堂上的呈现，将最大限度地丰富课堂内容，弥补传统教学方法的单调性，解决了课程内容陈旧滞后等问题。教师查看模型或者展示漫游场景视频，并结合实际工程的具体情况进行讲解，引导学生主动思考分析边坡工程中发生滑坡等地质灾害的原因，以及针对相应的地质灾害应该采取的防护措施，有助于学生对专业知识的理解学习。

4、结语

无人机倾斜摄影具有高精度建立边坡三维模型和识别边坡工程岩石参数的独特优势，被越来越广泛地应用于教学中。新技术、新方法的应用，有助于解决传统教学模式中的单调性、局限性、抽象性、滞后性等问题。无人机倾斜摄影技术的应用，使得边坡工程可以以三维动态可视化的方式呈现在课堂上，增强了学生的体验感，培养了学生的专业兴趣，使学生对边坡工程有了全局性的认识。该应用取得了良好的教学效果，为岩土专业顶尖人才的培养做出了贡献。

图4三维重构模型

参考文献:

[1]刘宁,袁维,高岭,等.岩质边坡节理信息数字识别及三维模型重构:以石家庄市南障城镇边坡为例[J].科学技术与工程,2023,23(3):941-952.

[2]成建华.无人机摄影测量等效边坡模型建立及稳定性分析[J].测绘通报,2023(S1):36-41.

[3]唐晓骞,王韬,万国祥,等.基于无人机倾斜摄影的露天煤矿边坡检测方法[J].自动化与仪器仪表,2023(9):87-91.

[4]王宇昊,李登华,丁勇.无人机倾斜摄影测量技术支持下的裸露边坡表面变化识别[J].测绘通报,2023(8):45-50.

[5]王章琼,白俊龙,张明.无人机倾斜摄影及三维实景建模在“隧道工程”教学中的应用[J].中国地质教育,2021,30(1):69-72.

[6]李东.无人机航测在道路工程测量中的应用研究[J].智能建筑与智慧城市,2023(10):49-51.

[7]丁鸽,燕立爽,彭健,等.基于RANSAC算法的隧道点云横断面提取[J].测绘通报,2021(9):120-123.

[8]缪海波,庞建勇,邹久群.工程教育认证和课程思政背景下“边坡工程”双语教学实践探索[J].安徽理工大学学报(社会科学版),2023,25(5):96-103.

[9]翟淑芳,刘彦星.边坡工程课程教学改革体系探索[J].科技视界,2021(35):24-25.

基金资助:河北省教育科学“十四五”规划重点项目“‘以学生为中心’的‘三位一体化’高等教育课程考核评价体系研究”(2302069);河北省创新创业教育教学改革研究与实践项目“创新创业教育背景下工程地质智慧教学模式研究与实践”(108);