無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在礦山生態(tài)修復(fù)的應(yīng)用

黃宣東

（廣東省有色礦山地質(zhì)災(zāi)害防治中心）

礦山生態(tài)修復(fù)的調(diào)查、設(shè)計、監(jiān)測涉及地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、土地?fù)p毀調(diào)查、污染調(diào)查、水土流失、植被調(diào)查等方面，需要開展大量的野外工作。由于露天礦山開采形成了復(fù)雜地形條件，尤其是破碎邊坡、高陡邊坡、危巖邊坡、排土場邊坡等復(fù)雜地形，存在崩塌、落石、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害隱患，調(diào)查人員無法近距離測量和調(diào)查。無人機(jī)航攝，為礦山生態(tài)修復(fù)調(diào)查、監(jiān)測提供了新技術(shù)。無人機(jī)航攝具有高危地區(qū)探測、影像實時傳輸、高分辨率、續(xù)航時間長、成本低、易推廣、機(jī)動靈活等優(yōu)點，不受云覆蓋區(qū)的影響，已逐漸成為科學(xué)研究、農(nóng)林植保、地理測繪、搶險救災(zāi)、執(zhí)法督察等領(lǐng)域的重要手段之一。近年來，傾斜攝影技術(shù)在無人機(jī)航攝技術(shù)和三維實景建模技術(shù)的推動下得到廣泛應(yīng)用。

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)已成功應(yīng)用在地質(zhì)環(huán)境調(diào)查、測量、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、礦山執(zhí)法、應(yīng)急救援等方面［1-8］，極大提高了工作效率，取得了較好的效果。本研究通過應(yīng)用小型的消費級無人機(jī)大疆精靈4 Pro V 2.0對礦區(qū)進(jìn)行傾斜攝影測量，建立三維實景模型，在三維實景模型及正射影像中進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的遙感解譯和分析研究，作為礦山生態(tài)修復(fù)調(diào)查、規(guī)劃設(shè)計和治理效果展示的重要手段。

1 無人機(jī)傾斜攝影應(yīng)用工作流程

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)通過在飛行平臺上安裝傳感器，從垂直、傾斜等多個角度采集具有空間信息的照片，經(jīng)過三維建模軟件后期處理，建立三維實景模型，直觀真實地反映被測對象。也可以生產(chǎn)出厘米級的測繪成果，如數(shù)字正射影像DOM、數(shù)字表面模型DSM、數(shù)字高程模型DEM等。

無人機(jī)傾斜攝影測量系統(tǒng)由無人機(jī)攝影平臺、飛行控制系統(tǒng)和地面監(jiān)控系統(tǒng)組成。工作流程分為像控點布設(shè)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、測繪成果表達(dá)、遙感解譯。無人機(jī)傾斜攝影應(yīng)用工作流程見圖1。

（1）像控點布設(shè)。像控點布設(shè)為后續(xù)三維建模提供控制點信息，用于提高三維實景模型的測繪成果精度。像控點的坐標(biāo)可以通過傳統(tǒng)的測量方法和GPS RTK方法測定，也可以使用CORS基準(zhǔn)站用GPS-RTK測定。當(dāng)模型的測繪精度要求不高時，可采用免像控點獲取無人機(jī)影像建模。

（2）數(shù)據(jù)采集。傾斜攝影一般需要多個方向的影像，分為垂直地面角度拍攝的正片和與地面成一定夾角拍攝的斜片。固定翼無人機(jī)或大型多旋翼無人機(jī)一般搭載5鏡頭相機(jī)，數(shù)據(jù)獲取效率高，但操作較復(fù)雜。小型多旋翼無人機(jī)搭載單鏡頭，通過飛行控制軟件可以用單鏡頭模擬多鏡頭成像，規(guī)劃5條航線分別從不同方向和角度進(jìn)行航攝，航向重疊率一般為60%～80%，旁向重疊率為40%～60%。無人機(jī)拍攝影像地面分辨率直接影響礦山生態(tài)修復(fù)調(diào)查精度。

（3）數(shù)據(jù)處理。三維實景建模軟件主要有歐洲的Street Factory、俄羅斯的PhotoScan、瑞士的Pix4D、美國Bentley公司的ContextCapture（原Smart3D Capture）及國產(chǎn)的DP-Modeler、Altizure、大疆智圖等軟件。導(dǎo)入含有坐標(biāo)及POS信息的照片，進(jìn)行空間三角解算，然后生產(chǎn)三維實景模型。通過三維實景模型，可進(jìn)行虛擬踏勘、遙感解譯等，了解地形地貌、土地現(xiàn)狀、植被覆蓋、環(huán)境污染等基礎(chǔ)信息。

（4）測繪成果表達(dá)。三維實景模型建立后，可進(jìn)一步生產(chǎn)出高精度的測繪成果，如數(shù)字正射影像DOM、數(shù)字表面模型DSM、數(shù)字高程模型DEM等，為后續(xù)遙感解譯、測算、工程設(shè)計、監(jiān)測提供工作底圖。

（5）遙感解譯。將測繪成果導(dǎo)入GIS軟件或AutoCAD軟件，對地質(zhì)災(zāi)害、地形地貌、土地現(xiàn)狀、植被發(fā)育、環(huán)境污染、工程設(shè)施等地表特征進(jìn)行遙感解譯，也可直接通過三維實景模型進(jìn)行體積、面積計算。

2 礦山生態(tài)修復(fù)應(yīng)用實例

2.1 礦山生態(tài)環(huán)境問題現(xiàn)狀

工作區(qū)域位于廣東惠州北部，調(diào)查區(qū)域約2 km2，礦區(qū)位于丘陵地帶，區(qū)域內(nèi)海拔高差達(dá)200 m，地勢起伏不平，建筑物較少，礦區(qū)周邊無敏感點，飛行空域良好。礦山開采礦種為水泥用灰?guī)r，開采方式為露天臺階開采，由山坡露天開采轉(zhuǎn)為凹陷露天開采，表土剝離厚度2～20 m，采坑標(biāo)高+243～-10 m，地表侵蝕面標(biāo)高+80 m。露天剝離挖損土地和有林地，棄土堆積損毀有林地，壓占土地資源，地表植被破壞嚴(yán)重，臺階坡陡，巖石松散破碎，易發(fā)生崩塌地質(zhì)災(zāi)害。

2.2 無人機(jī)傾斜攝影應(yīng)用技術(shù)方案

礦山生態(tài)環(huán)境調(diào)查方法采用地面調(diào)查和無人機(jī)遙感調(diào)查。先地面踏勘調(diào)查，了解礦山基本情況，建立解譯標(biāo)志，然后采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，建立三維實景模型；再室內(nèi)遙感解譯，最后補充調(diào)查?？紤]到礦山范圍較小，地形復(fù)雜，本次實踐采用多旋翼無人機(jī)大疆精靈4 pro V2.0，該無人機(jī)起飛質(zhì)量1 375 g，30 min續(xù)航，搭載1英寸2 000萬像素CMOS傳感器，采用機(jī)械快門相機(jī)，實現(xiàn)10 km的遙控信號傳輸，可承受最大風(fēng)速10 m/s。無人機(jī)飛行控制應(yīng)用采用大疆DJI Pilot，可以規(guī)劃5條航線模擬多鏡頭成像。本次飛行高度400 m，獲取了437張照片，地面添加5個控制點。三維實景建模軟件采用ContextCapture軟件，采用CGCS2000坐標(biāo)系，經(jīng)過空三解算，生成后綴.s3c及OSGB的場景文件、DOM、DSM等，DOM地面分辨率達(dá)到0.2 m，可滿足調(diào)查評估與規(guī)劃設(shè)計要求。三維實景模型、紋理模型如圖2、圖3所示。數(shù)字正射影像DOM、數(shù)字表面模型DSM分別如圖4、圖5所示。

2.3 應(yīng)用效果分析

礦山生態(tài)修復(fù)涉及地質(zhì)災(zāi)害防治、地形地貌景觀治理、土地復(fù)墾、礦山復(fù)綠、水土污染防治。需要調(diào)查的要素主要有地質(zhì)礦產(chǎn)、礦山開采、地質(zhì)災(zāi)害、水土保持、土地分類、土地?fù)p毀、土壤類型、土壤污染、植被類型、“三廢”排放等。建立高精度傾斜攝影三維模型和正射影像圖，可以在室內(nèi)解譯80%以上的礦山地質(zhì)災(zāi)害、地形地貌景觀破壞及土地?fù)p毀情況，用遙感解譯的正射影像作為野外手圖，有針對性地開展野外補充調(diào)查，大大減少了野外工作量，提高工作安全性。

無人機(jī)傾斜攝影生成的正射影像導(dǎo)入Autocad、ArcGIS等軟件中作為設(shè)計分析底圖，疊加數(shù)字線劃地圖（DLG）數(shù)據(jù)，根據(jù)地形變化修測DLG數(shù)據(jù)。針對礦山生態(tài)環(huán)境調(diào)查要素進(jìn)行人機(jī)交互式解譯，矢量化勾繪崩塌、地面塌陷、排土場、廢石堆場、露天采坑、道路、水面、復(fù)墾治理區(qū)、污染水體、植被等調(diào)查要素的范圍，直接統(tǒng)計面積。根據(jù)土地利用現(xiàn)狀圖與歷史衛(wèi)星遙感影像圖進(jìn)行對比分析，提取土地類型、植被類型，圈定已剝離與未剝離表土區(qū)域，分析原生植被覆蓋與植被恢復(fù)情況，評估土地?fù)p毀范圍和植被損毀，制作土地?fù)p毀現(xiàn)狀圖、損毀預(yù)測圖和復(fù)墾規(guī)劃圖，并以正射影像圖為底圖進(jìn)行復(fù)墾設(shè)計工作。

通過Context Capture Viewer瀏覽三維模型，可通過旋轉(zhuǎn)、俯仰與縮放等功能進(jìn)行多角度觀測，清晰真實地反映復(fù)雜地表特征，如巖土體規(guī)模特征、植被生長發(fā)育特征、土地利用現(xiàn)狀、工程設(shè)施等，可以隨時查看調(diào)查區(qū)地物，如植被類型、農(nóng)田、果園、林地、房屋、排水設(shè)施、管線等。通過露天臺階巖石邊坡解譯，圈定危巖崩塌地質(zhì)災(zāi)害隱患點，解譯其規(guī)模、形態(tài)特征，為地質(zhì)災(zāi)害評估提供指導(dǎo)；通過對排土場、廢石堆場、礦坑的幾何要素（長度、面積、體積、坡度等）進(jìn)行精準(zhǔn)快速量取，用于礦山生態(tài)修復(fù)調(diào)查、設(shè)計的工程量估算；通過對排土場沖溝、植被生長及排水溝損毀現(xiàn)狀調(diào)查，為排土場的穩(wěn)定性分析提供依據(jù)。

本次實踐通過露天采坑、排土場、廢石堆場、工業(yè)場地、植被發(fā)育等方面的解譯，建立了解譯標(biāo)志，如表1所示。在三維實景模型和正射影像中解譯崩塌5處，地面塌陷2處，排土場沖溝3處，解譯工業(yè)場地3處，礦山損毀道路1.8 km，了解粉塵污染范圍、水體污染范圍、植被覆蓋、已復(fù)墾的植被生長情況，為評估礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理、土地復(fù)墾效果及科學(xué)制定生態(tài)修復(fù)治理方案提供數(shù)據(jù)支撐。

后續(xù)在生態(tài)修復(fù)施工、驗收環(huán)節(jié)，將采用無人機(jī)實景建模，生成正射影像，疊加到施工設(shè)計圖，可以檢查施工進(jìn)度，對比施工效果與設(shè)計的差距，為生態(tài)修復(fù)工程驗收提供參考依據(jù)。通過礦山三維實景建?？梢宰鳛橹卫硇Ч故疽约白鳛轵炇召Y料進(jìn)行存檔。

3 結(jié)語

本次采用單鏡頭的消費級無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對礦山地表進(jìn)行三維實景重建，對礦山地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境進(jìn)行遙感解譯分析，極大地減少了野外調(diào)查工作量，降低了勞動強(qiáng)度，降低了生產(chǎn)成本，提高了調(diào)查精度和作業(yè)效率，實現(xiàn)了露天臺階邊坡高危地區(qū)崩塌滑坡的調(diào)查，保障了調(diào)查工作的安全。無人機(jī)三維實景模型和正射影像真實還原礦山開采地形地貌，直觀獲取礦山開采和生態(tài)恢復(fù)的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，為礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查治理和生態(tài)修復(fù)設(shè)計提供豐富的基礎(chǔ)資料。在設(shè)計階段以無人機(jī)正射影像為工作底圖，實現(xiàn)可視化設(shè)計，提高設(shè)計效率，更好地展示設(shè)計成果。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)將在生態(tài)修復(fù)調(diào)查、實施、監(jiān)測、驗收等方面發(fā)揮更大優(yōu)勢，將來監(jiān)管部門通過建立三維實景數(shù)據(jù)庫平臺，獲取各階段無人機(jī)遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)并動態(tài)更新，銜接國土空間各類要素，對礦產(chǎn)資源開發(fā)與生態(tài)修復(fù)進(jìn)行全過程監(jiān)管，通過礦山開采前、開采中、閉坑、復(fù)墾、驗收全過程的對比，分析礦產(chǎn)資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境前后變化，為政府決策、監(jiān)管執(zhí)法提供翔實可靠的第一手資料。

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