無人機(jī)傾斜攝影測繪在礦山生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用

王雪峰，劉 奔，李 者，顏 旭，趙 鵬

（1.撫順礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 撫順 113008；2.東北大學(xué) 巖石破裂與失穩(wěn)研究所，遼寧 沈陽 110819；3.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；4.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

廢棄礦山的生態(tài)環(huán)境修復(fù)對于保護(hù)環(huán)境、合理利用資源、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[1-3]。礦山開采后往往會形成大量的廢棄物，破壞了土壤、水源和生態(tài)系統(tǒng)。通過生態(tài)修復(fù)可以恢復(fù)礦山周邊的植被、水體和土壤質(zhì)量，減少對生態(tài)環(huán)境的破壞，還能推動資源循環(huán)利用和社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。因此，政府、企業(yè)和社會各界應(yīng)當(dāng)共同努力，加大對廢棄礦山生態(tài)修復(fù)的關(guān)注和投入，推動礦山資源合理開發(fā)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的良性循環(huán)[4-5]。

在實施廢棄礦山的生態(tài)環(huán)境修復(fù)方案之前，結(jié)合現(xiàn)場生態(tài)環(huán)境調(diào)查，合理確定礦山復(fù)綠區(qū)域是首要解決的關(guān)鍵問題。

而目前，針對生態(tài)修復(fù)工程的勘察工作，多數(shù)采用人工現(xiàn)場勘察或利用高清數(shù)碼相機(jī)拍攝調(diào)研等方式[6]。但這類調(diào)查的方式常常因礦山現(xiàn)場環(huán)境的因素而受限制，遇到現(xiàn)場條件復(fù)雜的礦山，如礦山具有高陡邊坡，危巖、坍塌等災(zāi)害頻發(fā)時，難以準(zhǔn)確地獲取礦山現(xiàn)場條件的具體特征參數(shù)[7]?，F(xiàn)今，仍有許多礦山生態(tài)修復(fù)項目的勘察工作采用人工測量并估算的方式，難以為生態(tài)修復(fù)工程提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，利用無人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、地質(zhì)測繪已經(jīng)成為一種更為便捷和效率更高的方式[8-10]。綜上，基于撫順西露天礦復(fù)綠項目，結(jié)合無人機(jī)傾斜攝影測繪技術(shù)，在西露天礦生態(tài)修復(fù)中快速完成了區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境的調(diào)研并結(jié)合生態(tài)環(huán)境的調(diào)查結(jié)果完成了生態(tài)修復(fù)單元的劃分，取得了良好的效果。

1 無人機(jī)傾斜攝影測繪技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

無人機(jī)傾斜測量系統(tǒng)主要由無人機(jī)飛行平臺、飛行控制系統(tǒng)、航空拍攝儀以及地面控制系統(tǒng)等構(gòu)成。其中無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle）是一種由無線電遙控設(shè)備和自備程序控制裝置操作的無人航空器。相比于有人駕駛的飛機(jī)，無人機(jī)具有體積小、成本低、使用方便等優(yōu)點。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)從最初的軍事領(lǐng)域到民用領(lǐng)域，已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)城市管理、地質(zhì)勘測、救援救災(zāi)、視頻拍攝等行業(yè)，并保持著快速發(fā)展的趨勢。

目前，用于攝影測量的無人機(jī)通?？梢苑侄嘈硇蜔o人機(jī)和固定翼型無人機(jī)。它們在不同的方面具有各自的優(yōu)缺點。在選擇用于攝影測量的無人機(jī)時，需要根據(jù)具體任務(wù)需求和條件綜合考慮這些優(yōu)缺點。

多旋翼型無人機(jī)優(yōu)點在于：①能夠垂直起降和懸停，靈活性高；②具有相對較低的成本和易用性；③可以獲得穩(wěn)定的圖像和視頻等。其缺點在于：①由于采用螺旋槳推進(jìn)，其續(xù)航時間有限；②通常攜帶載荷的能力較小、高空的飛行能力有限，只適合近距離或低空測量任務(wù)。

固定翼無人機(jī)優(yōu)點在于：①具有較長的續(xù)航能力、高速飛行能力，適合大范圍的地理測繪和測量任務(wù)；②能攜帶高分辨率相機(jī)和其他傳感器，承擔(dān)較大載荷。其缺點在于：①需要較長的起降跑道和額外的設(shè)備支持；②需要較為專業(yè)的技術(shù)訓(xùn)練和操作技巧。

一般而言，無人機(jī)飛行平臺將配備數(shù)碼相機(jī)的5 個攝像鏡頭，其中1 個為垂直鏡頭，用于獲取底部區(qū)域的正射影像，另外4 個鏡頭分別用于獲取前、后、左、右方向的斜向圖像，可以快速高效地獲取多角度圖像，獲得更豐富的紋理圖像信息，真實反映地面物體的實際情況。該系統(tǒng)不僅可以準(zhǔn)確顯示監(jiān)測區(qū)域地表情況，而且綜合利用先進(jìn)的區(qū)域定位、信息整合和數(shù)據(jù)建模技術(shù)，可以將數(shù)據(jù)生成高精度三維模型，以取得精準(zhǔn)的生態(tài)修復(fù)調(diào)查效果。

無人機(jī)傾斜攝影測量有以下特點：①能較為真實地反映周邊環(huán)境的真實狀況，傾斜影像能讓用戶從多個角度觀察地形地貌，真實地反映地物的實際情況；②傾斜影像能夠量測單張的影像，結(jié)合配套軟件的使用，可以基于所攝影像進(jìn)行地物高度、長度、坡度等參數(shù)的量測；③傾斜影像能夠采集地表建筑物的側(cè)面紋理，能有效降低城市三維建模的成本；④與傳統(tǒng)的三維GIS 技術(shù)需要采集龐大的數(shù)據(jù)量相比，應(yīng)用傾斜攝影技術(shù)采集的影像數(shù)據(jù)量要少很多，并且影像的數(shù)據(jù)格式可以快速地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享等。

1.2 技術(shù)流程

無人機(jī)傾斜測量攝影測繪技術(shù)可以便捷地制作較高精度的礦山區(qū)域的三維實景模型，輔之以相應(yīng)的輔助軟件，技術(shù)操作人員在計算機(jī)上便可以輕松完成礦山生態(tài)修復(fù)勘察中的地質(zhì)情況調(diào)查、巖體結(jié)構(gòu)地質(zhì)災(zāi)害點調(diào)查及地形圖繪制等工作。

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的技術(shù)流程主要分為外業(yè)采集和內(nèi)業(yè)處理2 部分。外業(yè)采集主要由無人機(jī)系統(tǒng)與多角度傾斜攝影相機(jī)等按照一定的作業(yè)流程采集航攝影像及數(shù)據(jù)；而內(nèi)業(yè)處理離不開專業(yè)的制圖軟件，常見的制圖軟件有：Context Capture（CC）、PIX4D、大疆智圖、瞰景Smart3D 等軟件。總體技術(shù)流程如圖1。

圖1 總體技術(shù)流程

2 區(qū)域概況與生態(tài)環(huán)境問題

撫順西露天礦位于遼寧省撫順市望花區(qū)，礦坑?xùn)|北部邊緣距撫順南站約2 km，西距沈陽北站45 km。行政隸屬于撫順市望花區(qū)所轄。礦山周邊公路網(wǎng)密集，交通條件十分便利。礦區(qū)附近主要分布著棕壤，土壤有機(jī)質(zhì)較高、氮含量、磷含量、鉀含量富足。正在開采的東露天礦表層土壤由于露天開采而被剝離，可作為良好的土源，為植被恢復(fù)提供了良好的條件。

在多模態(tài)聽力教學(xué)方面,Wagner(2010)認(rèn)為聽力材料可以通過符號模態(tài),如音質(zhì)、目光、手勢、表情、動畫等,補(bǔ)全語言符號表征的信息,提高學(xué)習(xí)者正確全面理解材料的概率[5]。Guichon多模態(tài)聽力學(xué)習(xí)除了利用符號模態(tài),還能使用認(rèn)知系統(tǒng)的雙通道特點,多種模態(tài)的綜合運用更有助于提升學(xué)習(xí)者聽力理解能力[6]。除此之外,多模態(tài)學(xué)習(xí)還能提高學(xué)習(xí)者的口語水平,展開多模態(tài)符號的交互研究,主張在口譯教學(xué)中引入多種符號模態(tài),從感官上調(diào)動學(xué)習(xí)者的積極性[7-8],促進(jìn)語言知識的內(nèi)化和詞匯習(xí)得[10-9],以及對學(xué)習(xí)態(tài)度和自信心產(chǎn)生積極的沖擊力[11-12]。

為充分認(rèn)識開展礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理的重大意義，西露天礦在統(tǒng)籌西露天礦綜合治理與整合利用的基礎(chǔ)上，全力推進(jìn)礦山復(fù)綠工作。以礦山復(fù)綠為核心目標(biāo)，在西露天礦邊坡穩(wěn)定等安全條件下，能綠盡綠，利用兩年時間，基本實現(xiàn)礦坑復(fù)綠。而推進(jìn)礦山復(fù)綠工作的首要任務(wù)是要調(diào)查明確礦區(qū)生態(tài)環(huán)境情況及面臨的生態(tài)環(huán)境問題，無人機(jī)傾斜攝影測繪技術(shù)則可以快速準(zhǔn)確地獲取相關(guān)信息。

在地形地貌、土地資源的影響方面，由于撫順西露天礦露天采坑?xùn)|西長6.6 km，南北寬2.2 km，垂直深度420 m（海拔－340 m），占地面積廣，區(qū)域大，使原有的地表狀態(tài)受到改變，間接導(dǎo)致了生態(tài)系統(tǒng)的退化，造成生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力降低，對礦坑內(nèi)植被、土壤造成了不同程度的影響。

在礦坑現(xiàn)狀方面，利用無人機(jī)傾斜攝影測繪技術(shù)對礦坑現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研。西露天礦坑水的補(bǔ)給源主要有地下水補(bǔ)給和地表水補(bǔ)給。據(jù)實測統(tǒng)計，2018—2022 年礦坑匯水量年均約2 500 萬m3左右。一旦防排水系統(tǒng)失效，將造成嚴(yán)重的安全問題。此外，在邊坡穩(wěn)定性方面，西內(nèi)排區(qū)邊坡穩(wěn)定性狀況較好；南幫老地質(zhì)變形區(qū)變形較大，但經(jīng)采取一系列治理措施后，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，南幫老滑坡區(qū)已基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；北幫東區(qū)為高陡邊坡，亟需整治。

3 技術(shù)應(yīng)用及分析

3.1 無人機(jī)航飛方案及建模方法

3.1.1 無人機(jī)航飛方案設(shè)計

航攝區(qū)域為西露天礦坑全域，無人機(jī)飛行高度為430 m，航線重疊度70%，旁向重疊度65%，地面分辨率0.06 m，拍照間距88.4 m，航線間距154.6 m，平均高程面85～136 m。此次攝影獲取的影像用于制作成圖比例尺為1∶2 000 比例尺的數(shù)字產(chǎn)品（DEM、DOM），要求航空影像的地面分辨率（GSD）不大于0.2 m。根據(jù)測圖等高距基高比，綜合考慮飛行設(shè)備、成本、效率、效果等因素，研究采用地面分辨率（GSD）為0.06 m。航攝平臺選用迪奧普SV360 型固定翼無人機(jī)，搭載SONY－ILCE－7R 相機(jī)。

根據(jù)航測范圍，像控點的布設(shè)采用區(qū)域網(wǎng)法。使用全球定位系統(tǒng)GPS－RTK 實時定位技術(shù)，在城市C級控制點控制網(wǎng)下，以圖跟點的精度直接布設(shè)，作為測區(qū)首級控制，共布設(shè)像控點262 個。本次航測設(shè)置相對航高430 m，地面分辨率可達(dá)0.06 m，航向重疊度70%，旁向重疊度均65%。分6 個區(qū)域航攝，共飛行16 個架次，飛行時間約16 h，拍攝12 426 張影像。要求像片的重疊度最小不低于60%；像片傾斜角不大于12°，旋偏角不大于12°；航高保持，同一航線航高差不大于30 m，實際航高與設(shè)計航高之差不大于20 m；攝區(qū)邊界覆蓋要保證航向覆蓋超出攝區(qū)至少2 條攝影基線，旁向覆蓋超出邊界至少1 張像幅。航測過程中需及時對獲取的圖像進(jìn)行影像質(zhì)量檢查，并根據(jù)成像效果決定是否在測區(qū)進(jìn)行航攝補(bǔ)拍。

3.1.2 三維模型建立方法

在利用無人機(jī)獲得現(xiàn)場影像資料后，根據(jù)已有的控制資料和外業(yè)控制點，采用全數(shù)字?jǐn)z影測量工作站（PIX4D mapper 4.1），對傾斜影像進(jìn)行空中三角測量，獲得所有影像的高精度外方位元素。后處理軟件采用PIX4D mapper 專業(yè)版可自動完成空三、光束法局域網(wǎng)平差，鑲嵌、生成密集點云、生成紋理以及生成高精度的正射影像圖（DOM）、3D 點云和數(shù)字表面模型（DSM）等成果數(shù)據(jù)。地形圖要素的采集，采用先內(nèi)后外的方法，采用山維科技EPS2016 或南方數(shù)碼iData 地理信息工作站，利用DOM 和DSM 模型建立三維立體模型，在三維模型上進(jìn)行數(shù)字線劃圖要素采集，獲取地物地貌平面及高程數(shù)據(jù)。最后，利用南方cass.7.1 成圖系統(tǒng)軟件，進(jìn)行數(shù)字線劃圖編輯等處理，最終生成較高精度的三維立體模型。

3.2 生態(tài)環(huán)境調(diào)查分析

無人機(jī)傾斜攝影測繪技術(shù)在露天礦生態(tài)修復(fù)單元的劃分中發(fā)揮著不可或缺的作用。以撫順西露天礦無人機(jī)航測影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，劃分礦坑平臺及坡面等類型，對礦坑內(nèi)非綠區(qū)域進(jìn)行圈定，共劃分非綠圖斑583 個，共采集圖斑面積4.5 km2，根據(jù)采集的圖斑信息同現(xiàn)場生態(tài)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行調(diào)查比對，結(jié)合邊坡巖性、邊坡坡度、植被覆蓋程度等特征，明確非綠圖斑相關(guān)屬性（地表物質(zhì)組成、邊坡坡度、植被覆蓋程度等）；然后對非綠圖斑進(jìn)行分類匯總，劃定礦山復(fù)綠區(qū)域。撫順西露天礦生態(tài)環(huán)境調(diào)查情況如圖2。

圖2 撫順西露天礦生態(tài)環(huán)境調(diào)查情況

對生態(tài)修復(fù)區(qū)域范圍的各采集圖斑進(jìn)行賦值，匯總各地塊需要礦山復(fù)綠面積。現(xiàn)場調(diào)查將整個西露天礦劃分為西端幫、南幫、東端幫、北幫4 個區(qū)，各區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀如下：

1）西端幫。全區(qū)為回填排土區(qū)，回填物以綠色泥巖為主。排土由西向東逐步推進(jìn)到界，到界區(qū)已完成生態(tài)修復(fù)，剩余區(qū)域分為2023 年28－5 綠化區(qū)、2024年28－5 綠化區(qū)。2023 年28－5 復(fù)綠區(qū)，已客土0.6 m厚度，地形坡度1°～5°，無植被覆蓋，具備立即復(fù)綠條件；2024 年28－5 復(fù)綠區(qū)，平盤地形坡度1°～5°，坡面坡度15°～18°，無植被覆蓋，實施客土覆蓋工程后具備復(fù)綠條件；根據(jù)該區(qū)生態(tài)環(huán)境調(diào)查結(jié)果，西端幫需復(fù)綠面積178.5 hm2，西端幫待復(fù)綠區(qū)如圖2（a）。

2）南幫。南幫在歷史采礦活動中為煤層底板，經(jīng)長期開采早已到界，坡面出露巖性以凝灰?guī)r、玄武巖層為主，具有一定的植被覆蓋，現(xiàn)狀植被以白榆、刺槐等喬木為主，草本植物以狗尾草、野蕎麥、沙打旺、豚草為主；原地質(zhì)變形治理工程區(qū)基巖裸露，原地質(zhì)變形區(qū)邊界（F5斷層破碎帶）基巖裸露，植被覆蓋率較低。根據(jù)該區(qū)生態(tài)環(huán)境調(diào)查結(jié)果，南幫需復(fù)綠面積165.7 hm2，南幫待復(fù)綠區(qū)如圖2（b）。

3）東端幫。東端幫＋43 m 水平及以下區(qū)域為動態(tài)排土場，地表物質(zhì)組成為排土回填物，以古近系綠色泥巖為主，為湖相沉積，半膠結(jié)。平盤坡度1°～5°，坡面坡度控制在25°～35°。該區(qū)植被稀少，局部可見荒草叢生，以狗尾草、野蕎麥等為主。＋43 m 水平以上區(qū)域生態(tài)修復(fù)模式以輔助再生為主，在植被稀疏區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)植。根據(jù)該區(qū)生態(tài)環(huán)境調(diào)查結(jié)果，東端幫需復(fù)綠面積38.4 hm2，東端幫待復(fù)綠區(qū)如圖2（c）。

4）北幫。北幫經(jīng)長期開采早已到界，需復(fù)綠區(qū)域主要以第四系沖積層、綠色泥巖出露，＋10 m 水平以上巖體風(fēng)化較發(fā)育，邊坡坡度30°～35°，上覆0.1～0.3 m 表土層，有一定的植被覆蓋，主要植被為刺槐、火炬樹等喬木。根據(jù)該區(qū)生態(tài)環(huán)境調(diào)查結(jié)果，該區(qū)域需復(fù)綠面積66.4 hm2，北幫待復(fù)綠區(qū)如圖2（d）。

通過上述利用無人機(jī)傾斜測繪攝影技術(shù)對西露天礦現(xiàn)場生態(tài)環(huán)境的全面調(diào)查結(jié)果，根據(jù)：露天礦東、西幫內(nèi)排土場是否到界及施工進(jìn)度，區(qū)域植被覆蓋程度及植被類型，地表物質(zhì)組成、地形坡度，具體生態(tài)修復(fù)單元復(fù)綠面積、施工難度、施工推進(jìn)時間等原則，綜合考慮施工難度及現(xiàn)場空間規(guī)劃，對復(fù)綠區(qū)域劃分不同的單元。最終將撫順西露天礦劃分出需要復(fù)綠區(qū)域16 處，總面積449 hm2。其中：東端幫復(fù)綠區(qū)域2 處，西端幫復(fù)綠區(qū)域3 處，南幫復(fù)綠區(qū)域8處，北幫復(fù)綠區(qū)域3 處；以便于結(jié)合不同區(qū)域單元的特點，針對性的制定不同的生態(tài)修復(fù)工程方案。

4 結(jié)語

1）基于撫順西露天礦復(fù)綠項目，詳細(xì)闡述了無人機(jī)傾斜攝影測量外業(yè)數(shù)據(jù)獲取及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的流程。利用PIX4D 軟件實現(xiàn)了研究區(qū)域的三維模型的建立，為廢棄礦山的生態(tài)修復(fù)現(xiàn)場調(diào)研工作提供了助力。

2）以撫順西露天礦無人機(jī)航測影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對礦坑內(nèi)非綠區(qū)域進(jìn)行圈定，共劃分非綠圖斑583個，并確定了采集圖斑的面積，結(jié)合現(xiàn)場多類特征條件對礦山復(fù)綠區(qū)域進(jìn)行了劃定。

3）通過對生態(tài)修復(fù)區(qū)域范圍的各采集圖斑進(jìn)行賦值，匯總得到各地塊需要礦山復(fù)綠面積，最終確定復(fù)綠區(qū)域16 處，復(fù)綠區(qū)總面積449 hm2。此外，綜合考慮施工難度及現(xiàn)場空間規(guī)劃，對復(fù)綠區(qū)域劃分了不同的單元，以便于結(jié)合不同區(qū)域單元的特點，針對性的制定不同的生態(tài)修復(fù)工程方案，加快了復(fù)綠項目工作進(jìn)程。