無(wú)人機(jī)遙感3D建模在露天礦山環(huán)境綜合治理勘查設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

胡博文, 李予紅, 張聚斌

(河北省地礦局國(guó)土資源勘查中心, 石家莊 050081)

0 引 言

為全面推進(jìn)京津冀生態(tài)環(huán)境建設(shè), 河北省開(kāi)展了大氣污染防治露天礦山環(huán)境綜合治理攻堅(jiān)行動(dòng), 能否高效、 快捷地進(jìn)行勘查設(shè)計(jì)工作將制約著行動(dòng)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。目前的野外勘查設(shè)計(jì)工作都是先運(yùn)用傳統(tǒng)手段進(jìn)行地形測(cè)量, 手持地形圖按照路線進(jìn)行勘查[1-4], 勘查完成后再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì), 耗費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間及大量人力、 財(cái)力。而對(duì)于露天礦山的大型渣堆、 大采坑、 高陡掌子面、 危斜坡面及掌子面的中間平臺(tái)一般情況下人員無(wú)法到達(dá)[5], 均無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量地形、 坡度、 坡向、 寬度、 高度及面積等幾何尺寸[6]，即使特殊情況下人員能到達(dá), 作業(yè)時(shí)也存在著危險(xiǎn)性大的問(wèn)題[7], 嚴(yán)重制約著勘查、 設(shè)計(jì)的精度。 雖然在掌子面下用全站儀的免棱鏡技術(shù)作業(yè)可以降低危險(xiǎn)性, 但兩者都存在測(cè)點(diǎn)少的問(wèn)題。若是采用無(wú)人機(jī)LiDAR技術(shù)則將大幅度地提高勘查設(shè)計(jì)費(fèi)用, 所有工作完成后勘查、 設(shè)計(jì)成果也主要是在以地形圖為底圖的二維平面圖和剖面圖上表達(dá), 造成非專業(yè)人士和政府管理人員看不懂的尷尬處境。為此, 本文提出一種將三維影像模型技術(shù)和GIS技術(shù)相結(jié)合的基于低空遙感的露天礦山勘查設(shè)計(jì)新方法, 并結(jié)合此次河北省大氣污染攻堅(jiān)行動(dòng)中A露天礦山進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

1 應(yīng)用背景

Baltsavias[8]分析了激光掃描模型的關(guān)系和公式， 在每對(duì)模型立體定向前先進(jìn)行相對(duì)定向以便消除y視差, 可得到更高精度的影像；Mazzini[9]提出利用影像顏色和3D數(shù)據(jù)自動(dòng)提取建筑物信息等方法, 但至今還沒(méi)有一種無(wú)需人工干預(yù)并且適用任何比例尺、 類型的建筑物自動(dòng)提取算法[9]; Mensink等利用 UAVRS 技術(shù)對(duì)北卡羅萊納州進(jìn)行自然災(zāi)害調(diào)查, 通過(guò)正射影像分析、 評(píng)估農(nóng)莊和廠房的損失, 顯示了 UAVRS的快速反應(yīng)能力, 可為應(yīng)急指揮提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)[10]。

20世紀(jì)50年代后期, 我國(guó)開(kāi)始了低空無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)研究, 作為對(duì)地觀測(cè)應(yīng)用中最精準(zhǔn)、 最真實(shí)且最容易獲得的技術(shù), 低空無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在全世界迅速得到普及[11]。 前人利用低空無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在礦山調(diào)查、 監(jiān)測(cè)工作的主要應(yīng)用是拍照[12]、 監(jiān)測(cè)是否有地質(zhì)災(zāi)害、 地災(zāi)可能影響范圍、 水資源污染及造成的水土流失等[13-14]。隨著低空無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的不斷成熟, 其在資源環(huán)境勘查領(lǐng)域也開(kāi)始慢慢涉及。王有業(yè)[15]對(duì)山西呂梁某礦區(qū)采用無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)進(jìn)行了大比例尺地形圖測(cè)繪和正射影像圖生產(chǎn)工作, 實(shí)現(xiàn)了礦山數(shù)字化建設(shè)；宮本旭等[16]在貴州省黔西南州境內(nèi)的紅土型金礦區(qū)開(kāi)展低空無(wú)人機(jī)礦山遙感調(diào)查, 獲取了礦區(qū)100多km2的遙感影像；李遷[17]通過(guò)無(wú)人機(jī)遙感影像技術(shù)對(duì)江西贛州稀土礦區(qū)的礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用狀況、 規(guī)劃執(zhí)行情況及礦山地質(zhì)環(huán)境等進(jìn)行了遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)；安志宏等[18]采用低空遙感技術(shù)對(duì)遼源市礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理進(jìn)展和效果進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。開(kāi)展這些工作, 都是基于低空無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在礦山勘查方面的明顯優(yōu)勢(shì):①影像的實(shí)時(shí)性、 仿真性, 避免了因人為疏忽造成的勘查失誤; ②快速、 及時(shí)獲取成果, 縮短任務(wù)周期; ③大大節(jié)省外業(yè)工作量, 經(jīng)濟(jì)效益明顯; ④通過(guò)對(duì)比以往歷史影像, 發(fā)現(xiàn)礦山動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)和特征。

2 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

2.1 研究區(qū)地質(zhì)地貌

研究區(qū)位于武安市淑村鎮(zhèn), 為建材石灰?guī)r露天開(kāi)采礦山A, 面積0.08 km2。地勢(shì)西高東低, 地形條件中等, 屬低山丘陵地帶。溝谷寬闊, 山坡平緩, 掌子面坡頂至分水嶺為天然地貌，此地段第四系殘積物覆蓋層厚度約0.4～1.5 m, 地表形態(tài)均為荒山, 植被以天然灌木為主。該區(qū)域礦山經(jīng)過(guò)多年開(kāi)采, 原始山坡被開(kāi)挖得“破爛不堪”, 掌子面陡峭直立, 基巖裸露, 地層巖性為奧陶系中統(tǒng)磁縣組灰?guī)r, 走向近南北, 向北北東傾斜, 傾角17°～21°?；?guī)r地層為中厚層, 單層巖體較完整, 局部破碎嚴(yán)重, 邊坡整體處于較穩(wěn)定狀態(tài)。區(qū)內(nèi)第四系主要為殘積物、 坡積物和人工堆積物, 局部夾薄層碎石, 碎石成分主要為灰?guī)r, 大部分為礦渣所覆蓋; 區(qū)外側(cè)及掌子面坡頂有殘積物, 第四系殘坡積物覆蓋厚度0～0.3 m, 人工堆積物主要為碎石、 渣土。

2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取

三維影像模型、 正射影像圖和地面高程模型是最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù), 通過(guò)照片建模來(lái)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取， 在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析并處理所有的成果， 此次應(yīng)用實(shí)例是基于礦山對(duì)裸露的礦場(chǎng)以及其他不被樹(shù)木、 建筑物或設(shè)備遮擋的地方, 若是露天礦山遮蓋較多時(shí), 則需要在航拍鏡頭上裝載紅外遙感[19-21]。

2.2.1 依據(jù)的主要技術(shù)規(guī)范 《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶500, 1∶1 000, 1∶2 000數(shù)字線劃圖》(CH/T 9008.1—2010); 《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶500, 1∶1 000, 1∶2 000數(shù)字高程模型》(CH/T 9008.2—2010); 《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶500, 1∶1 000, 1∶2 000數(shù)字正射影像》(CH/T 9008.3—2010); 《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》(CH/Z 3003—2010); 《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》(CH/Z 3004—2010); 《礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與治理恢復(fù)方案編制規(guī)范》(DZ/T 0223—2011)。

2.2.2 外業(yè)工作及評(píng)價(jià) 根據(jù)礦山范圍、 地形及項(xiàng)目要求確定航拍分辨率、 重疊度并規(guī)劃航線、 航高。對(duì)礦山進(jìn)行踏勘, 在礦山地面布置平面高程像控點(diǎn), 此次像控點(diǎn)布設(shè)依據(jù)礦山現(xiàn)狀布設(shè)了6個(gè)控制點(diǎn)[22-23], 控制點(diǎn)布設(shè)在影像清晰的道路邊上和圓山頂, 選在交角良好的細(xì)小線狀地物交點(diǎn)、 明顯地物折角頂點(diǎn), 用噴漆布置像控點(diǎn)標(biāo)志, 標(biāo)志成 “十”型[24]。采用 RTK差分定位的形式采集高程三維數(shù)據(jù)和像控點(diǎn)平面數(shù)據(jù)。用無(wú)人機(jī)航拍獲取照片及其POS數(shù)據(jù), 無(wú)人機(jī)型號(hào)為大疆Inspire1(悟), 軸距559～581 mm, 最大飛行海拔4 500 m, 任務(wù)傳感器設(shè)備為數(shù)碼照相機(jī)FC350。此次航拍照片數(shù)量392張, 飛行高度121 m, 航向近南北, 飛行架次為3架次, 飛行航線12條, 平均縱向重疊度為61%, 旁向重疊度為31%, 鏡頭焦距3.61 mm, 連結(jié)點(diǎn)49 762, 太陽(yáng)高度角大于45°。A礦山航拍相機(jī)位置和照片重疊度見(jiàn)圖1、 典型照片及POS數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2, 依據(jù)技術(shù)規(guī)范對(duì)礦山外業(yè)主要工作進(jìn)行評(píng)價(jià), 結(jié)果見(jiàn)表1。由評(píng)價(jià)結(jié)果可知，外業(yè)工作均符合規(guī)范要求。

圖1 A礦山航拍相機(jī)位置和照片重疊度

2.2.3 內(nèi)業(yè)工作及評(píng)價(jià) 將照片導(dǎo)入三維影像模型軟件, 導(dǎo)出照片POS數(shù)據(jù), 將WGS84經(jīng)緯度坐標(biāo)換算成CGCS2000后重新導(dǎo)入替換, 坐標(biāo)換算采用常用的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工具, 此礦山測(cè)算的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差在5 cm范圍內(nèi), 對(duì)于露天礦山的勘查和設(shè)計(jì)工作可以忽略。采用ContextCapture軟件, 航拍照片拼接鑲嵌采取的算法為相似性度量法(LACC), 通過(guò)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、 排列對(duì)齊照片、 空三測(cè)量、 輸出區(qū)塊名稱、 定位地理參考、 放置控制點(diǎn)、 優(yōu)化相機(jī)對(duì)齊參數(shù)、 再次提交空三測(cè)量、 生成密集點(diǎn)云、 模型校正、建立網(wǎng)格和生成紋理等處理過(guò)程[24], 最后輸出三維影像模型及正射影像圖(DOM)和地面高程模型(DEM), 不同像對(duì)的正射影像經(jīng)鑲嵌、 圖廊裁剪、色彩平衡處理、 圖廊整飾等步驟, 完成礦區(qū)正射影像圖DOM制作[25], 如圖3、圖4所示, 其中圖4在截取照片時(shí)稍有不同。

圖2 A礦山航拍照片(鏡向西北)及 POS數(shù)據(jù)

表1 礦山航拍外業(yè)工作評(píng)價(jià)表

圖3 A礦山三維影像模型

圖4 A礦山正射影像圖(a)及地面高程模型(b)

內(nèi)業(yè)質(zhì)量的基礎(chǔ)是DEM和DOM, 首先評(píng)價(jià)DEM和DOM質(zhì)量, 再評(píng)價(jià)其他質(zhì)量。

(1)DEM(圖3)質(zhì)量評(píng)價(jià)。1∶1 000模型地面分辨率:18.10 cm/pix, 1∶1 000數(shù)字高程模型格網(wǎng)尺寸為1 m。

(2)DOM質(zhì)量評(píng)價(jià)。1∶1 000模型地面分辨率: 4.53 cm/pix, 圖幅內(nèi)影像質(zhì)量反差適中, 紋理清楚, 灰度直方圖正態(tài)分布。內(nèi)業(yè)工作質(zhì)量評(píng)價(jià)見(jiàn)表2。

3 勘查設(shè)計(jì)

對(duì)A礦山進(jìn)行資料收集, 明確礦山開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀, 利用低空無(wú)人機(jī)遙感處理成果生成礦山地形圖, 結(jié)合礦山三維影像成果開(kāi)展野外實(shí)地調(diào)查, 利用ArcGIS軟件對(duì)礦山環(huán)境信息(面積、 高度等)進(jìn)行信息提取, 室內(nèi)綜合研究編制勘查設(shè)計(jì)成果?？辈樵O(shè)計(jì)主要流程圖見(jiàn)圖5。

(1)將地面高程模型和正射影像圖在GIS軟件中嵌套, 通過(guò)矢量化功能編繪礦山地形剖面圖和地形圖(圖6), 也可利用其他工具軟件將其編繪成指定比例尺的地形圖。

地形剖面圖可以進(jìn)一步輸出矢量格式, 比如.dwg, 在AutoCAD軟件中根據(jù)地物地形特征進(jìn)一步修飾, 制成指定縱橫比例尺的地形剖面圖, 用于野外地質(zhì)剖面測(cè)量。

表2 A礦山航拍內(nèi)業(yè)工作評(píng)價(jià)表

圖5 勘查設(shè)計(jì)主要流程圖

(2)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)地層巖性、 構(gòu)造、 植被、 掌子面、 渣堆、 采坑、 挖填方、 渣坡等進(jìn)行初步調(diào)查, 掌握其特征即可, 界限范圍圈定和幾何特征數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可在GIS軟件中完成[26], 如圖7圈定的掌子面、 平臺(tái)等范圍, 圖8統(tǒng)計(jì)選定范圍的周長(zhǎng)、 平面投影面積, 最低、最高高程的位置和數(shù)值, 高程平均值和中值, 坡度最大值、 平均值和三維表面積等信息。

(3)室內(nèi)編制報(bào)告階段, 技術(shù)人員隨時(shí)可用三維瀏覽器打開(kāi)三維點(diǎn)云模型觀察礦山的細(xì)部特征, 如礦山各部分影像特征和查詢測(cè)量面積、 長(zhǎng)度、 高度等幾何特征信息, 解決了信息丟失和外出再次作業(yè)的難題(圖8)。

圖6 A礦山縱切地形剖面圖(a)及地形圖(b)

圖7 用CAD在影像圖中圈定礦山特征(掌子面、 平臺(tái))區(qū)域

(4)利用其三維表面分析功能生成坡向圖(圖9a)。坡向圖可以分析判斷日照的陰坡、 陽(yáng)坡, 用以輔助選擇人工植被種類。掌子面坡向和坡度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了定量化評(píng)價(jià)掌子面的平整度, 為治理方案的選擇提供技術(shù)依據(jù)。

(5)通過(guò)GIS 軟件導(dǎo)入地面高程模型, 利用其三維表面分析功能生成坡度圖(圖9b), 坡度圖各部分的特征內(nèi)容較多不再一一描述, 列舉一例。從圖9可知,北掌子面北端坡度較陡,坡度均在80°以上,不宜選擇植物恢復(fù)措施, 治理方案選擇恢復(fù)植被的可能性小。

圖8 用ArcGIS量測(cè)幾何特征(投影面積等)及在影像圖中圈定礦山特征(掌子面、 平臺(tái))區(qū)域

(6)利用其三維表面分析功能生成日照?qǐng)D(圖10)?？膳卸ǖV山治理范圍內(nèi)的太陽(yáng)輻射值較高, 植被選擇應(yīng)以喜陽(yáng)植被為主。

(7)利用其三維表面分析功能生成視域圖(圖10)。將分析結(jié)果和礦山影像嵌套, 可判斷出需要優(yōu)先治理的可見(jiàn)部位。

(8)利用其三維表面分析功能生成匯流圖(圖11)。 可據(jù)此圖布設(shè)排水設(shè)施。

(9)礦山設(shè)計(jì)階段依據(jù)“能平則平、 能爆則爆、 宜地則地、 能簡(jiǎn)不繁”[27]的原則。三維影像模型由三角網(wǎng)格和表面紋理構(gòu)成, 將其導(dǎo)入三維建模動(dòng)畫軟件, 除了觀察還能利用工具進(jìn)行工程可視化, 即三維實(shí)體設(shè)計(jì), 設(shè)定比例尺后按實(shí)物尺寸進(jìn)行工程布置, 對(duì)設(shè)計(jì)效果能較為直觀地看見(jiàn), 微地貌是否可用于直接判別, 從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的精細(xì)化, 比二維線畫圖在技術(shù)和方法上有大的進(jìn)步。 分項(xiàng)工程利用三維動(dòng)畫軟件(如ContextCapture)都做成單體, 如種植的草灌喬等植被(圖12), 每一種都制作成單體照片, 采用哪種栽植方法, 清晰地標(biāo)注出坑的類型、 直徑、 埋深, 灌喬木要標(biāo)注出胸徑、 高度、 間距等要素; 掛網(wǎng)客土噴播施工工藝為:坡面清理→錨桿施工→坡面掛網(wǎng)→噴清水清洗坡面→分層噴播基層客土→噴播種子層→噴播種子覆蓋防沖刷層→養(yǎng)護(hù); 用生動(dòng)的影像圖標(biāo)注尺寸、 網(wǎng)格間距、 材料、 主次錨桿間隔、 直徑、 種子覆蓋防沖刷層厚度、 種子層、 營(yíng)養(yǎng)基層等。大部分的實(shí)物工作量可利用對(duì)象的屬性查詢功能進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 工程量的計(jì)算省事省力準(zhǔn)確度高, 對(duì)其標(biāo)注尺寸和增加說(shuō)明就可以制作成三維設(shè)計(jì)圖紙。評(píng)審時(shí)通過(guò)三維實(shí)體設(shè)計(jì)模型向?qū)＜医忉屩卫碓O(shè)計(jì)意圖, 專家容易理解, 是否符合技術(shù)要求也容易判斷； 對(duì)施工人員, 其表達(dá)方式為實(shí)物圖也比傳統(tǒng)線劃符號(hào)圖紙易于理解。三維實(shí)體設(shè)計(jì)局部效果圖見(jiàn)圖12。

圖10 A礦山日照?qǐng)D(a)及視域分析圖(b)

圖11 A礦山匯流圖

圖12 A礦山渣坡的局部設(shè)計(jì)效果圖

4 結(jié) 論

(1)本技術(shù)方法集成了無(wú)人機(jī)航拍、 三維影像建模、 GIS和工程可視化4種技術(shù), 通過(guò)露天礦山A的實(shí)際應(yīng)用表明, 無(wú)人機(jī)航拍后處理成果應(yīng)用于露天礦山勘查設(shè)計(jì)中, 能夠快速高效地降低勘查設(shè)計(jì)費(fèi)用和野外工作強(qiáng)度, 豐富勘查設(shè)計(jì)成果, 提高勘查設(shè)計(jì)精度和工作效率。

(2)基于礦山三維點(diǎn)云模型的三維影像模型、 地面高程模型(DEM)和正射影像圖(DOM)成果。在軟件中可直觀觀察礦山細(xì)部構(gòu)造, 實(shí)現(xiàn)礦山治理的精細(xì)化設(shè)計(jì)。運(yùn)用工具在三維模型上進(jìn)行治理設(shè)計(jì), 可以直接顯示三維狀態(tài)下治理效果, 用工程可視化方法實(shí)現(xiàn)了工程設(shè)計(jì)由二維向三維的轉(zhuǎn)變。

(3)基于無(wú)人機(jī)航拍成果進(jìn)行處理, 非量測(cè)相機(jī)、 飛行姿態(tài)不穩(wěn)定、 像幅小等問(wèn)題導(dǎo)致空三精度相應(yīng)降低的缺點(diǎn)有待進(jìn)一步研究。