基于傾斜攝影測量的礦山生態修復規劃應用

孫麗紅，朱大明，李勇發，熊鵬

(昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093)

1 引 言

隨著經濟的發展，歷史遺留的廢棄礦山逐年增多，環境問題不斷涌現，傳統手段無法解決礦山修復治理問題。廢棄礦山生態修復主要來源于發達國家修復生態學的發展[1]；近年來，隨著傾斜攝影測量技術的發展和無人機的快速成熟應用，基于無人機技術的傾斜航空攝影測量，可以方便、靈活地獲取多角度高分辨影像，快速自動地生成實景三維模型[2，3]，并可以在室內基于實景三維模型進行地理要素采集，替代了外業實測，節省了時間，由于無人機具有操作靈活、高效快速、低使用成本的特點，已發展成為重要的航測遙感平臺[4，5]，無人機傾斜攝影技術也隨之成為研究和應用的熱點[6，7]。利用無人機傾斜攝影技術對礦山生態修復規劃進行科學合理的評價、復核、驗收已具有顯著的現實意義。

無人機傾斜攝影技術用于補充傳統航空攝影測量，也是礦山工程規劃中的重要技術組成部分[8]。可以實現高精度、高效率、高還原度的地物三維建模工作，此項技術正是在高陡邊坡地質調查工作中的關鍵[9]，主要利用了無人機拍攝畫面清晰的特點。礦山多分布于偏僻的山地區域，地勢崎嶇、自然環境惡劣，致使傳統的地形勘察與建設規劃方式存在難度大、周期長等缺點；而無人機攝影測量模式正好能彌補此類缺陷，有效提高工作效率[10～12]。此外，在礦山復雜的山地環境下，無人機作業能避免野外工作人員攀爬危險的高陡山坡區域，減少工作安全事故風險[13]。基于此，本文以云南省祿勸縣露天廢棄礦山生態修復項目為例，在驗證無人機傾斜攝影數據精度的基礎上，對比傳統測量的工作效率及方法，分析不同成果的優勢，并結合項目針對傾斜攝影測量成果開展適用效果評價分析，探索無人機傾斜攝影測量技術在礦山生態修復領域的適用性。

2 研究區概況

項目區位于祿勸縣，共有16個圖斑，涉及4個鄉鎮。實施方案按照“工程治理、綠化修復、自然修復”三種生態修復方式開展綜合治理工作。考慮圖斑較分散，為了更好地展現傾斜攝影測量技術在該方案中的運用，從礦山測量及修復治理出發，選取以工程治理為主的圖斑作為研究區。研究區位于祿勸縣湯郎鄉湯郎村委會，地理坐標為東經102°17′26″～102°17′48″，北緯26°12′46″～26°13′36″，處于兩省三縣交界處，面積為 19.22 ha。本文以工程治理圖斑為研究區，討論傾斜攝影測量技術及三維立體模型在礦山生態修復領域中的應用前景。

3 傾斜攝影數據的生成及精度驗證

3.1 傾斜攝影數據的生成

傾斜攝影技術主要內容包括傾斜影像數據獲取技術和傾斜影像數據處理技術[14，15]。

(1)傾斜影像數據獲取

傾斜影像數據獲取采用五向飛行法傾斜拍攝，并從各個角度獲取地物、地貌的垂直和傾斜影像以及位置信息，如圖1所示。

圖1 同一地物的正片與斜片

為保障無人機傾斜攝影測量成果與工程治理圖斑坐標系統一，使成果數據精度滿足生態修復規劃的需求，在航攝區域內人工布設5個像控點，形狀為長約 1 m，寬約 0.10 m的十字形，其像控點坐標及精度信息如表1所示：

像控點坐標及精度信息表 表1

(2)傾斜影像數據處理

本項目通過Context Capture Master圖像處理軟件全自動地實現航攝數據生成，其最終成果包含不同視角的影像數據、三維點云數據(S3C)，數字地表模型(OSGB)。

3.2 傾斜攝影數據的精度驗證

擬沿研究圖斑區域采用GPS-RTK測量方法進行地形測量，實測300個點，范圍約 0.47 km2，與無人機傾斜攝影測量成果提取出的數據進行精度分析。另外在視野開闊的平緩區域及較密集的樹林覆蓋區各選取15個實測點進行水平精度及高程精度誤差分析，如圖2所示。

在較密集的樹林覆蓋區增選的15個實測點，高程最大誤差達 1.250 m，最小誤差為 0.520 m，中誤差為 0.885 m，由于DSM數據在高程上的精度變化較大，植被較密集區域與原始地形存在一定的差異，但礦山生態修復項目重點是對植被破壞嚴重的裸露區域進行規劃，故在較密集的樹林覆蓋區高程精度差異對項目的規劃影響較小。表2為樣本數據誤差分析。

圖2 研究區實測點、驗證點分布圖

樣本數據誤差分析表 表2

由表2可知，此次無人機傾斜攝影測量數據水平精度滿足 1∶500比例尺數字航空攝影測量測圖規范和基礎地理信息數字成果的要求；在高程數據上，地表出露區域精度能滿足要求，較密集的樹林覆蓋區由于DSM用于反映地物覆蓋情況，所讀取的數據通常為覆蓋物的冠頂數值，雖然精度與原始地形有一定差異，但直觀上更能反映地表的現狀，對于植被來說可以反映植被覆蓋度，對礦山生態修復規劃中植被覆蓋度的確定及植被重建后所能到達的效果起到較明顯的參考對比作用。故傾斜攝影測量數據成果可以用于指導礦山生態修復規劃運用。

4 傾斜攝影數據運用分析

根據研究區樣本數據的獲取及精度驗證分析可知，無人機傾斜攝影測量技術獲取的廢棄礦山地形數據可信度高，操作性強。鑒于上述成果，本文從工作效率及方法、成果對比及適用效果等方面對傾斜攝影測量技術及三維立體模型在礦山生態修復的適用性及效果開展如下分析：

4.1 工作效率及方法分析

傳統測量方法主要有水準測量、全站儀測量及GPS測量法。這些測量方法一般通過人工使用GPS-RTK、全站儀等設備野外采集數據，室內處理后加工而成。傳統的作業方式，周期長、成本高、效率低、人工物力投入大，當測區范圍較大，測區環境復雜時，將影響工作進度，使工期成本提高。傳統測量工作主要包括角度、距離及高程等測量工作，受地形及環境的影響較大，成果多為二維地形圖，后期礦山生態修復中涉及土方平衡、石方平衡、危巖清理量及工程布設等分析中誤差較大、花時較多，不能直觀地指導礦山修復。工作時間是權衡工作效率的重要指標，勞動強度投入可以側面反映成本盈利的情況，通過對傳統測量方法與無人機傾斜攝影測量方法在工作時間及方法上的比較，無人機傾斜攝影測量方法具有較強的操作優勢，外業周期短、成本低、效率高，使得外業工作量大幅減少，進而提高工作效率。以祿勸縣工程治理圖斑測區范圍的測量工作為例，換算在同一任務范圍內，無人機傾斜攝影測量工作相比傳統測量工作所花費的時間極大地減少，減少了約5倍的工作時間，降低了項目的時間成本；另外，用無人機進行傾斜攝影測量工作，在礦區環境復雜的情況下，可以避免外業人員攀爬高陡山坡區域，避開松散巖石滾落的危險，進而減少工作安全事故風險。具體如表3所示。

不同測量方法時間對比表 表3

4.2 成果對比分析

傳統測量方法主要成果為數字線化地圖(DLG)，包括空間信息和屬性信息。一般含有等高線、線狀地物、地類界線、行政區界線以及地物注記等地物要素。無人機傾斜攝影測量主要成果為不同視角的影像數據(包括正射影像DOM及傾斜影像)、數字地表模型(DSM)以及三維點云數據等。由于正射影像DOM具有很高清晰度，相比傳統測量地物輪廓點的方式，可以在影像成果的基礎上更高效地勾繪地表地物輪廓；傾斜影像結合配套軟件可以實現地物的長度、高度、坡度、角度及面積等量測功能，從不同方位反映物體的形狀和大小。DSM數據最能真實反映地表情況，涵蓋了DEM數據以外的地表高程信息，可以獲取地表覆蓋物的冠頂高程，從而與相鄰地面高程做對比，可以推算出覆蓋物的高度，為后期規劃選種或定規格提供參考；三維點云數據經過處理可以生成三維模型，實現礦區的三維可視化，模型中的地物可以直接進行測算，更詳細便捷地反映地物特征。因此，無人機傾斜攝影測量成果相比傳統測量的成果數據獲取手段更高效、內容更豐富，效果更直觀，特別是三維模型對礦山生態修復工程布設及效果展示具有較明顯的優勢。

4.3 適用效果評價

無人機傾斜攝影測量成果數據除了能精確表現廢棄礦山地形條件優勢外，還具備以下適用優勢。以祿勸縣工程治理圖斑范圍的測量成果運用為例。

通過對研究區進行傾斜攝影測量，獲得了研究區的多視角影像數據，包括垂直影像和傾斜影像數據。垂直影像數據是與地面垂直拍攝所得的影像；傾斜影像數據是從不同的四個方位，一定的傾斜角拍攝而得的影像。多視角的影像是無人機傾斜攝影測量成果中的特色，它可以更為詳盡地獲取地物側面信息，具有較高的分辨率，且影像覆蓋范圍廣。此次飛行的地面分辨率在 0.04 m～0.05 m之間，針對礦山生態修復的規劃需求而言，研究區數據可以詳細展現礦區內的地表地物，能夠清晰呈現擬修復礦區的開采程度及破壞情況，包括遺留廢石的分布情況、區內建構筑物位置、危巖分布區域、土源堆放區域、礦區道路現狀情況、區內及周邊植被覆蓋情況等。其不僅為廢石清運、危巖清理及土石方平衡分析的量算與工程布設提供有效途徑，也為礦山生態修復過程中安全風險預測及評價提供直觀的信息支撐。除此之外，由于多視角影像可以從不同方位反映地表的真實情況，有利于指導礦山生態修復工程的布及后期的施工。同時也可將實施方案的規劃設計與影像疊加，清晰明了地呈現礦山生態修復后的效果，有效輔助各大工程的實施，也為礦山后期生態修復效果評估提供了依據，如圖3所示。

三維點云數據是通過離散點來記載地物的高程信息和地表色彩，可獲得地物的三維信息，以此進行三維地表建模，從而實現項目區的三維可視化；通過三維模型可以進行地物三維參數的量算，包括危巖松散區域、土石方堆積體、深坑高度以及植被覆蓋度反演等。對于礦山生態修復規劃設計而言，實景的三維模型不僅可以從整體上展現廢棄礦山擬修復的環境概況、道路溝渠長度、邊坡坡度及植被覆蓋情況等重要信息，而且還能根據工程設計方案進行工程量的核算、實施三維復核，對項目區危巖清理及廢石清運等相關狀況進行客觀展現，以此輔助礦山生態修復防治工程中的安全建設，規避不合理的建設安排及工程量計算。以祿勸縣工程治理圖斑為例，根據三維模型核算擬生態修復區域的危巖清理、土源、建構筑物拆除及廢石清運量。具體如圖4所示。

圖3 廢棄礦山生態修復規劃設計圖

圖4 三維工程量核算圖

5 結 論

在分析無人機傾斜攝影測量獲取數據的過程及精度驗證的基礎上，通過與傳統測量在工作效率及方法、成果數據等方面進行比較，開展無人機傾斜攝影測量成果在礦山生態修復領域的適用效果評價分析，得出五點結論。

(1)無人機傾斜攝影測量成果精度上滿足廢棄礦山生態修復規劃設計的需求，能夠指導該領域具體工作。

(2)廢棄礦山通常開采已完畢或已關停，礦區內環境復雜且惡劣，無人機傾斜攝影測量受地形環境限制小，機動靈活性高，能有效避開復雜地形，規避作業盲區及高陡邊坡測量時攀爬及危石滾落的風險，工作效率及安全性遠高于傳統測量。

(3)DSM數據能更真實地記錄及反映地表實際狀況，廢棄礦山內部植被覆蓋較低，可通過周邊植被覆蓋度反演廢棄礦山生態修復后能到達的植被覆蓋度。為礦山生態修復植被重建工程方案提供了依據。

(4)高分辨率的多視角影像能從不同方位清晰展現廢棄礦山擬修復區域以及周邊的地物信息，極大方便礦山生態修復中工程布設的安排及建設，也方便當地政府實時掌握礦山修復工程布設的內容及后期監測管理計劃的制訂。

(5)由無人機三維點云構建的三維模型適用于礦山生態修復過程中危巖清理及廢石清運區域的三維展示，并實現相應的堆積及清運方量核算，若后期對礦區進行多期傾斜攝影測量工作，可動態演示廢棄礦山生態修復中工程建設進度及礦山的復綠效果，能有效輔助礦山生態修復效果的評價及驗收。

總之，無人機傾斜攝影測量技術的應用，對于廢棄礦山的生態修復工作具有較大的現實意義，基于該技術的優勢特點，該技術未來市場前景廣闊，在礦山生態修復中還有巨大的利用價值和開發空間。