無人機在礦山生態(tài)修復中的應用研究
——以南京市湯山青林礦山為例

王婷韻，翟星宇，馮梓軒，孫志威，韋雅瑜，汪 煜

（南京大學金陵學院，江蘇 南京 210089）

由于礦產資源的不斷開采與不合理的利用，生態(tài)環(huán)境問題日益嚴峻，礦山生態(tài)修復已刻不容緩。礦山生態(tài)修復是指將因礦山開采而受損的生態(tài)系統(tǒng)恢復到接近于采礦前的自然狀態(tài)，或重建成符合人類所期望狀態(tài)，或恢復成與其周圍環(huán)境相協(xié)調的其他狀態(tài)[1]。地形勘測是礦山生態(tài)修復的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的礦山地形勘測不僅需要耗費較高人力物力，且有一定安全隱患。無人機傾斜攝影技術近年來發(fā)展迅速，且無人機本身具有機動性和安全性等特點，同時可快速獲得高分辨率影像。目前無人機在礦山生態(tài)修復已廣泛應用，王耿明等[2]在廣東省廣州市太珍石場利用無人機開展綠色礦山檢測工作，最終礦區(qū)綠化與周邊自然景觀相協(xié)調，礦山復綠達到90%以上，白洋等[3]通過無人機分析河北省保定市淶源縣某露天礦區(qū)，實現(xiàn)露天礦場三維可視化，為礦山修復提供了有力的參考。

1 研究區(qū)概況

本次研究以南京市湯山青林礦山為對象，該礦山位于南京市江寧區(qū)東北部，屬低山地形地貌，由山前斜地、低丘兩個微地貌組成，處在生態(tài)紅線管控區(qū)內，山體植被遭到破壞，巖石裸露與周邊茂密的山體格格不入。研究區(qū)停采后大片裸露的巖石邊坡、高陡聳立的殘壁等形成較多的崩塌等地質災害隱患。區(qū)內巖體受節(jié)理、后期風化及人類活動影響時常發(fā)生巖石崩落現(xiàn)象，宕底高低不平，露采面坡高壁陡，基巖裸露，廢土堆任意堆放，地質環(huán)境惡化，植被破壞、發(fā)育較差，水土流失，土地退化等生態(tài)問題十分突出。山體及周邊生態(tài)環(huán)境遭到嚴重破壞，自然景觀的觀賞性嚴重下降，大面積土地難以利用并且礦區(qū)與周邊自然生態(tài)環(huán)境相悖。

2019年礦山完成了生態(tài)環(huán)境治理，治理工作主要結合原礦區(qū)地形進行削坡減裁、挖高填低和場地平整覆土等修復工作。對比礦山生態(tài)修復前后地形要素變化，修復后礦區(qū)邊坡平整、坡度平緩穩(wěn)定，既消除了地質災害風險，又為下一步生態(tài)綠化打下基礎。

2 研究過程

2.1 設計流程

無人機影像數據獲取與數字地面模型（DSM）方案流程包括：設計航線、無人機飛行、影像預處理、地形提取分析、三維建模。

2.2 數據采集

無人機數據采集在中午進行，采用大疆御2無人機,續(xù)航時間約31分鐘,最大速度72km每小時,攜帶的航攝儀像素是2000萬有效像素,最大飛行海拔高度6000m。采用無人機傾斜攝影技術方法，從五個不同角度方向飛行。共飛行航線17條，最終拍攝影像319張。無人機影像數據采集過程：制定技術路線、規(guī)劃無人機航拍路徑、布置像控點，對成圖的范圍進行控制，確保接頭位置不出現(xiàn)漏洞。生成航拍照片內含WGS1984位置坐標信息，具有高重疊率，高精度等特點[3，4]。

2.3 空中三角測量

將無人機航拍的319張影像導入后進行數據運算處理。通過加載影像數據、相機影像數據、構建測區(qū)航線進行運算，完成自由網空中三角測量。通過測量解算每張影像的外方位元素信息，對數據進行有效性分析以及誤差值的分析[5]。由于原始拍攝的影像數據的坐標系為WGS1984，在不同場景模式下可以根據實際需要轉換成其他的坐標系。本次共處理7個進程，并得出了小面積地形地貌圖。

2.4 數據提取

獲取到的影像數據需利用軟件進行技術處理，轉化為可以和第三方軟件兼容的地理信息文件供進一步建模與分析。與其他無人機數據處理系統(tǒng)相比較，本次研究選擇系統(tǒng)自動化水平高，人工干預過程少的Pix4Dmapper軟件進行影像數據處理。在點云數據的獲取中進行了多次多光束法局域網平差以及相機自檢校計算[6]，通過優(yōu)化外部參數以及主要內部參數，重新匹配影像，得到更好的匹配效果，使數據更為精確。將原始數據通過處理生成DSM數據，為后期相關數據處理與有效信息提取打下基礎[7,8]。

2.5 三維建模

為了更加清晰、直觀的對礦山進行觀測與分析，使用ContextCapture軟件的三維建模功能實現(xiàn)對礦山實景、地形地貌、生態(tài)環(huán)境及其布局等的三維場景再現(xiàn)。基于圖形運算單元GPU的快速三維場景運算軟件制作出研究區(qū)的三維模型，利用生成的空中三角測量數據對礦山進行建模，無需人工干預，可以直接從簡單連續(xù)的影像中生成逼真的實景三維場景模型[9]。生成的模型可以進行全方位觀測，最大程度的還原研究區(qū)實況。

3 數據分析

基于無人機獲取的DSM數據可提取各類地形要素數據，對比分析不同時期礦山地形數據可動態(tài)回溯礦山生態(tài)修復過程，為修復工程提供數據支撐。本文參照礦山生態(tài)修復的設計方案所劃定四個分區(qū)（清坡減裁區(qū)、回填壓腳區(qū)、填方區(qū)和挖方區(qū)），分區(qū)對比分析生態(tài)修復前后地形變化狀況。

DSM數據能直觀表現(xiàn)出礦區(qū)地表覆蓋高程起伏狀況，由于目前礦山修復工程剛初步完成，修復前后地表植被較少，所以DSM可代替DEM進行各類地形要素提取分析[10]。提取要素包括等高線、坡度分布、坡向分布和地表粗糙度分布。

3.1 高程變化分析

通過將修復后DSM減去修復前DSM得到差值圖，差值圖可直觀反映地形高程變化情況，填挖方區(qū)和回填壓腳區(qū)高程總體是增加的，而清坡減裁區(qū)總體高程是下降的。從高程絕對值上填方區(qū)平均高程由修復前101.46m增加為103.26m；修復前位于坡腳底高度區(qū)的殘丘為主要的挖方區(qū)，挖方區(qū)平均高程由修復前98.85m增加為102.17m；清坡減裁區(qū)平均高程由修復前119.68m減為117.94m；回填壓腳區(qū)平均高程由修復前107.32m增加為111.10m。從高程相對變化范圍看各分區(qū)的高程變化范圍和標準差都有一定減少，可以看出修復后各分區(qū)地形起伏變化更小，地形穩(wěn)定性增強。

圖1 修復前DSM分布

圖2 修復后DSM分布

圖3 修復前后DSM差值

3.2 坡度變化分析

地形坡度體現(xiàn)了地面高程變化率，通過對露采高陡邊坡自上而下進行清坡減裁和回填壓腳，放緩邊坡的坡率，挖去部分滑體巖土以減小滑體重量和滑坡推力，坡面危巖、孤石得到清理；將土石等材料堆填在滑坡體前緣及其以外，增加抗滑力、提高滑坡體穩(wěn)定性，消除了坡面存在的地質災害隱患。使削坡坡面的最終邊坡角總體控制在50度以內，形成安全邊坡，改善了區(qū)域景觀可視度[11]。對比修復前后坡度變化圖，可清楚看出修復前礦山坡度變化大，分布散亂；修復后坡度變化緩，各分區(qū)坡度單一。

圖4 修復前坡度

圖5 修復后坡度

圖6 各分區(qū)坡度分布

3.3 地表粗糙度變化分析

地表粗糙度是地表表面積與投影面積的比值，地表粗糙度越高地形起伏變化就越大，穩(wěn)定性越低。

相反地表粗糙度越低地形越平整，最小值為1。通過計算修復前后礦山地表粗糙度并對比分析，可發(fā)現(xiàn)修復后的地表粗糙度在各分區(qū)都低于修復前地表粗糙度[12]。

圖7 修復前地表粗糙度

圖8 修復后地表粗糙度

圖9 修復后各區(qū)地表粗糙度

4 結束語

本文以南京市湯山青林礦山生態(tài)修復工程為例，通過無人機快速實現(xiàn)修復區(qū)地形數據采集，并基于無人機勘測數據成果進行計算分析，對比分析不同時期地形數據可實現(xiàn)動態(tài)的礦山生態(tài)修復工程監(jiān)測，為礦山生態(tài)修復工程提供決策支持。

結果表明無人機在礦山生態(tài)修復中具有減少外業(yè)工作量，提高工作效率，降低外業(yè)工作安全隱患等優(yōu)點，同時測量精度較高，數據較為直觀，能夠為礦山生態(tài)修復中的地形勘測提供有力依據。