無人機三維模型在礦山環境治理勘查設計中的應用

彭振 李玉倩

摘 要：隨著科技的進步、無人機航空攝影技術普及，基于無人機航空攝影技術形成的三維模型具有可視、形象、帶有地理坐標信息及高程信息，在礦山勘查設計工作中應用前景廣闊，可以取代部分野外調查及數據核實工作。具體表現在以下幾方面：通過將制作好的地形數據導入三維模型驗證地形圖的準確性;結合三維模型的可視化直接在三維模型上圈定各種地質單元作為分界線;結合三維模型的立面模式直接繪制高精度的剖面圖，尤其適用帶有負地形的剖面圖;結合三維模型的立面模式繪制高精度的高陡邊坡立面圖，計算坡面表面積;驗證設計線在現狀中的位置，避免出現不合理位置的工程布置。

關鍵詞：無人機;三維模型;礦山環境治理勘查設計;剖面圖

Abstract： With the progress of science and technology and the popularization of UAV aerial photography， the three-dimensional model formed based on UAV aerial photography provides visual， image， geographic coordinate and elevation information， with broad application prospects in mining exploration and design， and the potential to replace part of the work of field investigation and data verification. It is shown in the following aspects： verifying the accuracy of the topographic map by importing the prepared topographic data into the 3D model; relying on the visualization of the 3D model to directly delineate various geological units on the 3D model as the boundary; using the elevation model of the 3D model to draw the section with high precision， especially the section with negative terrains， and also to draw the high and steep slope with high precision， and to calculate the slope surface area; verifying the positions of the design lines in the current situation to avoid unreasonable positioning of the project layout.

Keywords： UAV; 3D model; exploration design of mine environment treatment; profile

在傳統的礦山治理勘查設計過程中，需要調查人員深入現場，對每個渣堆、渣坡、采面進行細致描述，根據地形圖圈定地質單元，并進行詳細記錄。此種方法調查時間長，受地形影響，對于高陡邊坡及潛在崩滑風險的區域一般很難直觀記錄。隨著無人機低空攝影測量技術的成熟，在此基礎上建立的三維模型具有直觀、形象、可視化、帶有各種地理信息及高程數據信息優勢，該技術可以同時獲取DLG、DEM、DOM數據，可以全面細致地掌握地質環境治理恢復區的地形、地貌、工程布局、周邊環境，能夠方便的進行規劃設計、土石方量計算、工程部署，極大地方便了礦山地質環境治理恢復設計工作（魏繼壯等，2020）。

通過EPS、DPGrid、PixelGrid等相關三維軟件的交互功能，可將模型中地物數據的高程及位置信息導出再利用，也可將布置的數據信息導入三維模型驗證位置關系。在此功能基礎上，可實現室內核實地形數據準確性，識別并圈定各種地形地物信息，繪制高精度的地形剖面圖、立面圖、工程地質圖及計算坡面表面積等功能，極大提高礦山環境調查的精度、效率。

1 核實地形圖

礦山環境治理勘查，首先需要一張能夠精確反映礦區地形地物的地形圖，基于無人機三維攝影技術形成的三維模型因具有高程及坐標信息，可以用來提取高程數據，最終形成地形圖，此種方法具有采集效率高、成本低的優點，可充分滿足礦山測量要求（石筠，2020），但因采集過程的各種因素可能出現局部地形失真的問題，借助無人機三維模型，可以節省大量野外驗證的工作。根據無人機測量生成地形圖的原理，即在三維模型上提取特征高程點，生成三角剖分網生成地形線。驗證地形圖通過利用反向導入的模式，將地形圖導入到三維模型中。準確的地形線會完全貼合現狀地物表面;不準確的地形圖一般會有3種錯誤，第一種地形線懸浮于三維模型（北京市地質礦產勘查開發總公司，2020）之上（圖1），第二種為地形線穿過三維模型（圖2），第三種錯誤為地形線數據突變，折線形狀異常，一般發生在有植被茂密區域，為提取高程來自植被高程而非地表高程所致。前兩種錯誤產生的原因為地形高程數據提取點少，沒有在相應區域提取高程;筆者使用的是EPS三維測圖系統。

2 現狀地物的識別及圈定

礦山環境治理中，在勘查核實地形后，要根據地形地貌特征及治理手段的不同，將礦山現狀地物的渣坡、渣堆、采面等地質單元分別圈定，繪制在地形圖中，傳統方法為手持地形圖到礦區現場，結合現狀在地形圖中圈定范圍，室內再轉繪到電子版地形圖中。無人機三維模型具有可視化的地形地物及坐標信息，可以簡單的野外踏勘后，利用現狀模型直接室內圈定范圍，此方法具有直觀、具體、準確的效果，見圖3、圖4。通過三維模型可以360°環繞觀察現狀地物，猶如身臨其境，尤其是對于一些人員無法到達區域，如高陡采面，邊坡裂隙等，極大提高了礦山勘查工作的效率及安全性。對于小型滑坡、崩塌這兩種地質災害的災前調查和災后評估有較大的適用性，尤其適合北方地區干旱少雨的氣候，小型崩塌常見，且部分位于較陡峭的巖壁難于實地調查（張翊超，2019）。陳天博等（2017）針對北京市西南部的霞云嶺鄉附近山區某處滑坡區域進行了研究，并采用無人機測量，研究借助ESP工具通過面向對象方法可實現滑坡信息的自動提取，并對提取出來的滑坡區域進行了形態與紋理的分析以及精度評價，其中用戶精度為1.44%、生產者精度為84.65%。這樣的數據，較好地證明了他們的滑坡提取方法具有較高的精度與應用價值（鄒雨甜等，2018）。

3 制作高精度的剖面圖

礦山環境勘查中高精度的地形圖及剖面圖對于設計至關重要，直接關系到后期設計工程的布設，一般情況下剖面圖繪制有兩種方法，一種為人工利用導線結合定位設備現場實測，另外一種則是采用圖切等高線及高程點的方法獲得。兩種剖面圖獲取方法主要依賴原始測量數據的精確程度，對于高陡采面邊坡，測量人員難以到達，數據獲取一直是一個難點。借助無人機三維模型可以準確提取高陡采面邊坡的高程數據，地形數據獲取精確可靠，與之對應的圖切剖面數據也會更精確。此外受限于地形圖中繪制展示形式，不能反映具有負地形的地物數據，而基于無人機三維模型則可真實地反映存在凹腔的負地形地物數據（圖5a），再通過三維測圖軟件中的圖切剖面功能，可直接生成具有負地形剖面圖（圖5b），大大提高了剖面圖的準確性，對于需要填補凹腔或者削坡的邊坡治理設計作用顯著。

4 制作高精度的立面圖

針對廢棄礦山內的裸露巖質邊坡，根據其巖性、坡度、高度、坡面粗糙及起伏程度等基礎要素，常采用生態袋、厚層基材噴播、植生槽、CBS植生混凝土、臺階法等對邊坡進行生態修復;為了計算不同治理方式面積及為施工提供指導需要制作立面圖，傳統方法為人工采用導線結合測距設備進行量測，此方法效率較低，且存在安全隱患。基于無人機三維模型可實現高精度繪制，極大提高了工作效率，主要工作方法為在軟件立面繪圖模式下繪制地質界線，或者其他立體邊界線，軟件會自動按照高程及延展方向記錄水平距離及垂直高程（圖6）。

5 輔助礦山環境設計工作

原始的設計工作主要依據地形圖，無對應地物底圖，一般根據圖切剖面及地形疏密布置排水溝、擋墻等工程的位置，偶爾會出現不符合現場地物的設計，如懸崖上種樹，屋頂上修水渠等。基于無人機三維模型技術，可實現在三維模型中布置相應工程，或者應用三維軟件的交互功能，將設計線導入模型，驗證設計成果，省去了野外驗證的過程，節省了人力、物力。此外基于無人機三維模型技術，可實現不規則坡面的表面積計算，具體方法為導入需計算區域的閉合邊線，選擇計算表面積即可，對噴播及掛網等坡面工程量計算尤為實用。需要注意的是，此計算結果為實際坡面面積，會大于實際掛網面積，統計數據時要根據實際坡面起伏情況適當核減，坡面存在凹腔區域越大，核減量越大。

6 結論與展望

基于無人機攝影測量技術形成的三維空間模型，使數據變得立體形象，借助EPS等三維工具可實現核實地形數據準確性，識別并圈定各種地裂縫、巖土界線等地物信息，繪制高精度的地形剖面圖、立面圖、工程地質圖，計算坡面表面積等礦山地質環境相關技術問題。無人機的三維影像技術極大提高了野外工作效率，降低了野外調查的風險及工作成本，使各種地質信息具有高精度可量測性，在礦山環境治理勘查設計中具有廣闊的應用前景。

雖然無人機三維模型具有較高的精度及可量測性，但該模型基于航拍影像數據，因其分辨率高，數據量巨大，處理數據需要大算力的計算機，在此基礎上生成的三維影像也因此占用空間較大，動輒幾個吉字節，對硬件存儲空間及傳輸速度提出了更高要求。

參考文獻：

北京市地質礦產勘查開發總公司，2020. 北京市門頭溝區潭柘寺鎮北村（頁巖礦）治理項目：三維模型[R].

陳天博，胡卓瑋，魏錸，等，2017. 無人機遙感數據處理與滑坡信息提取[J]. 地球信息科學學報，19（5）：692-701.

石筠，2020. 無人機三維攝影技術在礦山地質勘查中的應用研究[J]. 世界有色金屬（1）：112.

魏繼壯，王剛，2020. 無人機調查技術在礦山生態環境恢復治理工作中的應用[J]. 世界有色金屬（2）：31

鄒雨甜，毛凱楠，任紅容，2018. 無人機影像在滑坡地質災害調查中的應用[J]. 科學技術創新（25）：16-17.

張翊超，于淼，韓建超，2019. 淺談無人機在地質災害應急調查中的應用：以四渡河滑坡、大石地崩塌調查為例[J]. 城市地質，14（4）：96-99.