基于无人机三维建模技术的矿山实习教学优化

薛胜超，王庆飞，郑彦威

[摘 要] 矿山基地综合实习是衔接本科资源勘查专业课程学习和生产实习的重要实践环节。然而由于受实地条件限制矿山基地重要观察点通常无法近距离观察学习，限制了综合实习的效果，无人机三维建模技术的应用是该类实习教学优化有效手段。通过野外实地观察和三维模型辅助，将新兴技术与传统地质实习相结合，完善了密云铁矿综合实习教学，利于学生快速进入生产实习角色，实现了综合实习效果的最大化，同时在学校实践教学改革中起到了示范和指导作用。

[关键词] 资源勘查专业;综合实习;三维建模;教学优化

[基金项目] 2021年度中国地质大学（北京）教改项目“思政实践和大学生科技竞赛”（640121006）

[作者简介] 薛胜超（1987—），男，河北保定人，博士，中国地质大学（北京）地球科学与资源学院副教授，主要從事矿床学理论及教学研究;王庆飞（1978—），男，山东德州人，博士，中国地质大学（北京）地球科学与资源学院教授，主要从事矿床学与矿产资源勘查评价研究;郑彦威（1986—），男，山西临汾人，学士，中国地质大学（北京）信息网络中心工程师，主要从事网络教学与科研信息化研究。

[中图分类号] G642    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）46-0065-04   [收稿日期] 2021-05-22

一、教学优化背景

21世纪以来我国高等教育中理科和工科教学愈加注重基础知识与实践能力的紧密衔接。如何将地质学专业本科教育的理论教学更为高效地运用到野外生产实习中，是地质高校教师亟待解决的问题[1]。矿山基地资源勘查工程综合训练（也称为矿山基地综合实习）是中国地质大学（北京）为强化实践教学而新增的一项实践课程，能够更好地串联与衔接资源勘查专业本科二年级与三年级野外实习内容，提升地矿类专业必修课教学质量[2，3]。该课程的最终目标为提供综合的矿床地质理论、实践应用和科学研究训练。在素质目标方面培养学生增强专业知识、方法和技能在工作中综合运用的意识;培养学生树立高尚的职业道德，发挥地质人求真务实的宝贵品质;培养学生了解与国家发展息息相关的紧缺矿产，提升矿床学科的民族使命感。这门实践课程所依托的密云铁矿实习基地集矿山地质考察、矿山生产流程与绿色矿山建设、多产业链发展、地质科普展示于一体[4]。综合实习的矿床类型是BIF铁矿床，密云地区的BIF铁矿床具有明显的条带状特征和较好的成层性，赋存于元古宙的密云岩群沙厂组变质岩系，磁铁矿为主要矿石矿物。实习基地建立在密云地区目前唯一正在开采的霍各庄铁矿床，该矿由北京威克冶金有限责任公司进行开采。

矿山综合实习大部分重要内容均在该铁矿的露天采坑完成，内容包括：熟悉矿区地质、矿体产出特征，成矿期和成矿期后构造和岩浆活动对矿床的改造;掌握野外露天采场地质工作的基本方法，熟悉如何围绕某一科学问题系统采样[4]。然而，该露采矿山目前开采程度过高，露天采场的南段和北段采坑已采完并积水导致无法实地观测，正在开采的中段采坑仅能在坑底部分位置进行观测，采坑壁各级台阶由于安全原因无法进入导致很多地质现象不能近距离观察描述。上述原因造成学生对矿体产状和出露特点、矿体与围岩接触关系、不同期次断裂及岩浆活动对矿体和围岩的影响等难以获得整体的认识，进而导致学生缺乏对于整个铁矿床的全面认识，严重制约了矿山综合实习的效果及学生综合地质思维的培养。

无人机，正在成为继地质学野外考察工作中“三大件”：地质锤、罗盘、放大镜之外的“第四件”。近年来，无人机地质三维建模成为野外地质调查中最新发展的有效技术手段，可建立从野外出露点到地质体剖面产状、厚度测量、走向分析，再到区域地形地貌观测、面积测量等的可视化、矢量化、标准化三维模型，目前该技术已在矿山建设、环境评估、灾害调查等方面发挥了非常重要的作用[5，6]。无人机地质三维建模可以为补充野外教学实习难以实地观察的位置提供有效技术支撑，为我们建立密云铁矿采坑不可实地观测的考察点和能够实地观测考察点的矿体、构造断裂、岩脉、围岩连续剖面信息提供了可能[7]。根据这一思路，我们开展了基于无人机三维建模技术的密云矿山综合实习教学优化探索，以期利用可视化数据完善实习作业区的教学内容。

我校信息网络中心组建了以服务本校科研教学为宗旨，以解决教学和科研面临的实际问题为导向的无人机信息化应用团队。该中心配备了不同类型无人机以满足不同专业需求，配套的无人机高分数据处理和信息挖掘软件用于本科教学及科学研究。利用我校信息网络中心总结出的一套以无人机野外数据获取、室内三维模型建立为主体的方法流程，针对密云铁矿综合实习中学生无法实际观察的采坑、岩壁、矿体及其与围岩接触关系、断层、岩脉特征，建立数字化的可视模型，可以为学生实际野外观测提供有力辅助，使综合实习效果最大化，为后续生产实习奠定坚实基础。

二、方案建设和操作

（一）矿山三维建模方案

1.野外调研与方案确定。在进行野外数据采集之前，收集密云铁矿相关的地质背景资料，了解矿床所在区域的基底、盖层、侵入岩、变质变形等基本特点;熟悉矿区基本地质概况、交通及地貌特征;熟悉矿床地质、矿体产出特征，成矿期和成矿期后构造和岩浆活动对矿床的改造，进而开展铁矿区及外围地层、环斑花岗岩体野外实地调研，筛选出学生无法实地观测的重点教学区域，进而圈定模型构建范围、确定所需要的模型精度，选定无人机飞行平台与搭载传感器类型，制定无人机飞行方案。

2.密云铁矿区航线设定。划分出密云铁矿作业区（主要针对北段—中段—南段采坑、矿区全貌和矿区外围环斑花岗岩）、完成飞行参数设计（航线设计、航高确定、航向重叠率、旁向重叠率）、像控点布设方案设计，根据规范要求确定基准面高程和高程区间，设定相应的仿地形飞行高度，按照规范要求设计航线。

3.野外作业和数据采集。按照密云铁矿区设定的航线开展无人机飞行作业，获取具有一定重叠的航空影像，并依据野外控制点对目标区域坐标进行平差处理，得到矿区加密点的平面坐标和高程坐标，按照设计完成野外信息和数据的采集。

4.数据处理和三维建模。基于影像匹配、空三测量、三角网构建、纹理映射的关键技术流程和操作方法，利用匹配后的无人机影像获取高密度点云，构建三维模型，形成密云铁矿区野外地质剖面地表三维模型的矢量结构，建立密云铁矿区综合实习所需数字化的可视模型，计划模型三种：北段—中段—南段采坑高精度三维模型、铁矿区三维模型（包括采矿区、恢复区、选矿区、办公区及尾矿坝）、矿山外围环斑花岗岩典型出露点联合三维模型。

5.建立实地观测与三维模型的联合教学流程。系统整理矿区采坑不可实地观测的剥露点和出露点，将这些区域与三维模型中的可视化点位相对应，系统建立矿体、构造断裂、岩脉、围岩连续剖面的教学内容，建立铁矿生产作业区和外围环斑花岗岩体地表产状、岩性变化等宏观认识的教学内容，优化相关教案和课件。

（二）具体实施方案

收集密云铁矿区不同年限的地质和生产资料及区域相关的地质背景资料。以此为基础开展野外调研，以密云铁矿区的霍各庄铁矿床及矿区外围大面积出露的环斑花岗岩体为基础，在霍各庄铁矿采坑南—中—北段、整个生产作业区（包括采坑、粗选矿厂、精选矿厂、办公区和尾矿坝等）、沙厂附近的环斑花岗岩三个重点实习考察区确定模型构建范围面积，确定使用无人机类型（如固定翼）、搭载镜头类型（如全画幅相机配备35mm焦距镜头）等。

三个重点考察区各具特点，霍各庄铁矿采坑以不同高程数据收集为主，目前采坑深度不超过200米，为保证最终获取模型的精度，航线的设计以每50米为一个高程区间，设计3个起降点飞行6个架次完成野外数据的采集;整个生产作业区的数据收集面积约3.8平方公里，外围环斑花岗岩体的数据收集面积约0.5平方公里（重点针对岩体陡峭、人无法靠近的区域现象），根据无人机的最大航程、飞行高度及传感器的尺寸和焦距等条件约束，设定相应的仿地形飞行高度，总共设计约7个起降点飞行15个架次获取两个考察点野外数据的采集。

通过一定算法寻求多幅影像之间的相同点，建立影像间的几何关系，影像匹配获取的相同点参与到空三加密过程中;将匹配后的影像校正到统一参考空间下，对形成的影像模型进行相关的数据处理;通过影像匹配和空三加密，形成基于正确空间方位的影像模型，构建不规则三角网;确定所构建的每个三角网与纹理信息唯一对应，保证所构建的三维模型的视觉效果[8，9];输出北段—中段—南段采坑高精度三维模型、生产作业区三维模型、矿物外围环斑花岗岩典型出露点联合三维模型。

三、课程实施效果

根据三个重点教学考察区的三维模型，建立了矿区采坑不可实地观测的考察点和能够实地观测考察点的矿体、构造断裂、岩脉、围岩连续剖面信息。實习课程开展后，先带领学生完成采场内能够实地考察的观察点的野外观测学习，并在各考察点采集代表性铁矿矿石、地层岩石、侵入岩和相关蚀变岩石样品;对于无法实地观测的地段，在室内通过数字化高清三维建模图像辅助教学，图像通过Acute3DViewer软件进行立体展示，结合野外采回的不同类型样品，让学生在感官上可以达到实地观测的效果。这一新奇的学习体验也大大激发了学生的实习积极性，从原来的被动听课学习变为主动参与完善矿区连续剖面信息，真正开拓了综合实习课程的趣味性和感染力。通过矿山基地综合实习的训练，学生掌握了地质资料的搜集与整理、熟悉了矿山野外工作的方法和流程，锻炼了室内专业课知识的野外综合运用能力，同时提升了学生对于资源勘查这一艰苦专业的兴趣[4]，从而能更好地适应生产实习的岗位要求;对于教师来说，解决了学生在野外地质考察阶段存在的问题、完善了矿山实习基地的野外授课内容、实现了传统野外地质实践课程与现代新兴技术的有机融合。

此外，无人机三维建模技术对矿山综合实习教学优化的成功探索，也为我校地质专业学生的北戴河地质认知实习的效果最大化提供了借鉴意义。以汤河地堑的观察学习为例，该地堑是由汤河河谷西侧大平台和东侧鸡冠山经由一系列高角度正断层活动形成。汤河河谷东北端宽、西南端窄、谷坡陡，汤河从东北流向西南。西侧大平台断层为F1和F2，东侧鸡冠山断层为F3和F4，这四条正断层在平面上向南西方向收敛，构成汤河地堑构造。由于该地堑构造规模宏大，断层和出露的地层位于汤河河谷两岸的岩壁，而在汤河谷底由于植被繁茂，不能同时观察两岸现象，在鸡冠山顶也仅能观察到对岸大平台一侧现象。针对上述观察限制，显然无人机三维建模技术可以很好地解决这一问题。类似的情况还出现在鸽子窝海洋公园的河口三角洲、亮甲山—石门寨西亮甲山组—下石河子组地层、上庄坨河流地质作用等观察点，均可以利用该技术辅助实践教学。

四、结语

“矿山基地资源勘查工程综合训练”是针对高年级资源勘查工程专业学生所开设，本课程是对学生已学专业知识和野外工作方法的强化和综合训练，重点培养学生理论联系实际，综合分析问题、解决问题的能力，以及科研技能，为学生进行后期的生产实习、毕业实习及走上工作岗位从事生产和科研工作打下扎实的专业基础。本次针对该实习课程的教学内容优化，是聚焦于实习的全面性和连续性，以无人机三维实景建模技术为支撑，以建立矿山采场连续剖面为主要内容，最终以提高该实习的学习效果为目的。这是地质类院校实践课程与现代技术发展有机结合的一次成功尝试，也为不同年级阶段、不同实践内容的教学优化提供了有益参考。

参考文献

[1]栾光忠，冯秀丽.野外地质实习中的启发式教学[J].中国地质教育，2002（2）：48-49.

[2]薛春纪，孙祥，王建平，等.“矿床学”课间野外教学实习及基地建设[J].中国地质教育，2015，24（4）：35-37.

[3]章廣成，李长冬，崔德山，等.校企联合共建大学生生产实习基地教学模式研究——以地质工程和岩土工程专业为例[J].中国地质教育，2015，24（2）：69-71.

[4]薛胜超，赵云，邱昆峰，等.北京密云铁矿野外综合实习基地建设与教学实践[J].中国地质教育，2020，29（3）：104-108.

[5]周海.无人机遥感技术在现代矿山测量中的探讨[J].世界有色金属，2019（14）：14-15.

[6]周增辉，谢作勤，魏见海，等.无人机三维实景建模技术在路堑边坡地质信息提取中的应用[J].公路，2020，65（1）：152-156.

[7]朱海斌，王妍，李亚梅.基于无人机的露天矿区测绘研究[J].煤炭工程，2018，50（10）：162-166.

[8]赵振南.浅析无人机倾斜摄影测量三维建模技术[J].科技创新与生产力，2019（7）：64-65.

[9]张军，李智，焦永清，等.基于摄影测量基本原理的航测内业数据转换技术分析[J].矿山测量，2019，47（4）：39-42+64.

Optimization of Mine Field Practice Training Based on UAV 3D Modeling Technology

XUE Sheng-chaoa， WANG Qing-feia， ZHENG Yan-weib

（a. School of Earth Sciences and Resources， b. Information Network Center， China University of Geosciences 〔Beijing〕， Beijing 100083， China）

Abstract： Comprehensive field practice in mine bases is an important practical link to connect the undergraduate courses of resource exploration major and the production practice. However， due to the limitations of the field conditions in mine bases， some important observation points are difficult to directly observe， which limits the effect of field practice training. The application of UAV 3D modeling technology is an effective way to optimize this training course. Through field observations and 3D modeling assistance， the emerging technology is integrated into the traditional geological practice， and the comprehensive field practice teaching in the Miyun iron deposit is improved， which helps students to quickly position themselves in the practice， maximizes the effect of comprehensive field practice， and at the same time plays a demonstration and guiding role in the schools practice teaching reform.

Key words： resource exploration major; comprehensive field practice; 3D modeling; teaching optimization