無人機傾斜攝影技術在礦山生態修復的應用

黃宣東

（廣東省有色礦山地質災害防治中心）

礦山生態修復的調查、設計、監測涉及地質災害調查、土地損毀調查、污染調查、水土流失、植被調查等方面，需要開展大量的野外工作。由于露天礦山開采形成了復雜地形條件，尤其是破碎邊坡、高陡邊坡、危巖邊坡、排土場邊坡等復雜地形，存在崩塌、落石、滑坡等地質災害隱患，調查人員無法近距離測量和調查。無人機航攝，為礦山生態修復調查、監測提供了新技術。無人機航攝具有高危地區探測、影像實時傳輸、高分辨率、續航時間長、成本低、易推廣、機動靈活等優點，不受云覆蓋區的影響，已逐漸成為科學研究、農林植保、地理測繪、搶險救災、執法督察等領域的重要手段之一。近年來，傾斜攝影技術在無人機航攝技術和三維實景建模技術的推動下得到廣泛應用。

無人機傾斜攝影技術已成功應用在地質環境調查、測量、地質災害調查、礦山執法、應急救援等方面［1-8］，極大提高了工作效率，取得了較好的效果。本研究通過應用小型的消費級無人機大疆精靈4 Pro V 2.0對礦區進行傾斜攝影測量，建立三維實景模型，在三維實景模型及正射影像中進行地質環境和生態環境的遙感解譯和分析研究，作為礦山生態修復調查、規劃設計和治理效果展示的重要手段。

1 無人機傾斜攝影應用工作流程

無人機傾斜攝影技術通過在飛行平臺上安裝傳感器，從垂直、傾斜等多個角度采集具有空間信息的照片，經過三維建模軟件后期處理，建立三維實景模型，直觀真實地反映被測對象。也可以生產出厘米級的測繪成果，如數字正射影像DOM、數字表面模型DSM、數字高程模型DEM等。

無人機傾斜攝影測量系統由無人機攝影平臺、飛行控制系統和地面監控系統組成。工作流程分為像控點布設、數據采集、數據處理、測繪成果表達、遙感解譯。無人機傾斜攝影應用工作流程見圖1。

（1）像控點布設。像控點布設為后續三維建模提供控制點信息，用于提高三維實景模型的測繪成果精度。像控點的坐標可以通過傳統的測量方法和GPS RTK方法測定，也可以使用CORS基準站用GPS-RTK測定。當模型的測繪精度要求不高時，可采用免像控點獲取無人機影像建模。

（2）數據采集。傾斜攝影一般需要多個方向的影像，分為垂直地面角度拍攝的正片和與地面成一定夾角拍攝的斜片。固定翼無人機或大型多旋翼無人機一般搭載5鏡頭相機，數據獲取效率高，但操作較復雜。小型多旋翼無人機搭載單鏡頭，通過飛行控制軟件可以用單鏡頭模擬多鏡頭成像，規劃5條航線分別從不同方向和角度進行航攝，航向重疊率一般為60%～80%，旁向重疊率為40%～60%。無人機拍攝影像地面分辨率直接影響礦山生態修復調查精度。

（3）數據處理。三維實景建模軟件主要有歐洲的Street Factory、俄羅斯的PhotoScan、瑞士的Pix4D、美國Bentley公司的ContextCapture（原Smart3D Capture）及國產的DP-Modeler、Altizure、大疆智圖等軟件。導入含有坐標及POS信息的照片，進行空間三角解算，然后生產三維實景模型。通過三維實景模型，可進行虛擬踏勘、遙感解譯等，了解地形地貌、土地現狀、植被覆蓋、環境污染等基礎信息。

（4）測繪成果表達。三維實景模型建立后，可進一步生產出高精度的測繪成果，如數字正射影像DOM、數字表面模型DSM、數字高程模型DEM等，為后續遙感解譯、測算、工程設計、監測提供工作底圖。

（5）遙感解譯。將測繪成果導入GIS軟件或AutoCAD軟件，對地質災害、地形地貌、土地現狀、植被發育、環境污染、工程設施等地表特征進行遙感解譯，也可直接通過三維實景模型進行體積、面積計算。

2 礦山生態修復應用實例

2.1 礦山生態環境問題現狀

工作區域位于廣東惠州北部，調查區域約2 km2，礦區位于丘陵地帶，區域內海拔高差達200 m，地勢起伏不平，建筑物較少，礦區周邊無敏感點，飛行空域良好。礦山開采礦種為水泥用灰巖，開采方式為露天臺階開采，由山坡露天開采轉為凹陷露天開采，表土剝離厚度2～20 m，采坑標高+243～-10 m，地表侵蝕面標高+80 m。露天剝離挖損土地和有林地，棄土堆積損毀有林地，壓占土地資源，地表植被破壞嚴重，臺階坡陡，巖石松散破碎，易發生崩塌地質災害。

2.2 無人機傾斜攝影應用技術方案

礦山生態環境調查方法采用地面調查和無人機遙感調查。先地面踏勘調查，了解礦山基本情況，建立解譯標志，然后采用無人機傾斜攝影技術，建立三維實景模型；再室內遙感解譯，最后補充調查。考慮到礦山范圍較小，地形復雜，本次實踐采用多旋翼無人機大疆精靈4 pro V2.0，該無人機起飛質量1 375 g，30 min續航，搭載1英寸2 000萬像素CMOS傳感器，采用機械快門相機，實現10 km的遙控信號傳輸，可承受最大風速10 m/s。無人機飛行控制應用采用大疆DJI Pilot，可以規劃5條航線模擬多鏡頭成像。本次飛行高度400 m，獲取了437張照片，地面添加5個控制點。三維實景建模軟件采用ContextCapture軟件，采用CGCS2000坐標系，經過空三解算，生成后綴.s3c及OSGB的場景文件、DOM、DSM等，DOM地面分辨率達到0.2 m，可滿足調查評估與規劃設計要求。三維實景模型、紋理模型如圖2、圖3所示。數字正射影像DOM、數字表面模型DSM分別如圖4、圖5所示。

2.3 應用效果分析

礦山生態修復涉及地質災害防治、地形地貌景觀治理、土地復墾、礦山復綠、水土污染防治。需要調查的要素主要有地質礦產、礦山開采、地質災害、水土保持、土地分類、土地損毀、土壤類型、土壤污染、植被類型、“三廢”排放等。建立高精度傾斜攝影三維模型和正射影像圖，可以在室內解譯80%以上的礦山地質災害、地形地貌景觀破壞及土地損毀情況，用遙感解譯的正射影像作為野外手圖，有針對性地開展野外補充調查，大大減少了野外工作量，提高工作安全性。

無人機傾斜攝影生成的正射影像導入Autocad、ArcGIS等軟件中作為設計分析底圖，疊加數字線劃地圖（DLG）數據，根據地形變化修測DLG數據。針對礦山生態環境調查要素進行人機交互式解譯，矢量化勾繪崩塌、地面塌陷、排土場、廢石堆場、露天采坑、道路、水面、復墾治理區、污染水體、植被等調查要素的范圍，直接統計面積。根據土地利用現狀圖與歷史衛星遙感影像圖進行對比分析，提取土地類型、植被類型，圈定已剝離與未剝離表土區域，分析原生植被覆蓋與植被恢復情況，評估土地損毀范圍和植被損毀，制作土地損毀現狀圖、損毀預測圖和復墾規劃圖，并以正射影像圖為底圖進行復墾設計工作。

通過Context Capture Viewer瀏覽三維模型，可通過旋轉、俯仰與縮放等功能進行多角度觀測，清晰真實地反映復雜地表特征，如巖土體規模特征、植被生長發育特征、土地利用現狀、工程設施等，可以隨時查看調查區地物，如植被類型、農田、果園、林地、房屋、排水設施、管線等。通過露天臺階巖石邊坡解譯，圈定危巖崩塌地質災害隱患點，解譯其規模、形態特征，為地質災害評估提供指導；通過對排土場、廢石堆場、礦坑的幾何要素（長度、面積、體積、坡度等）進行精準快速量取，用于礦山生態修復調查、設計的工程量估算；通過對排土場沖溝、植被生長及排水溝損毀現狀調查，為排土場的穩定性分析提供依據。

本次實踐通過露天采坑、排土場、廢石堆場、工業場地、植被發育等方面的解譯，建立了解譯標志，如表1所示。在三維實景模型和正射影像中解譯崩塌5處，地面塌陷2處，排土場沖溝3處，解譯工業場地3處，礦山損毀道路1.8 km，了解粉塵污染范圍、水體污染范圍、植被覆蓋、已復墾的植被生長情況，為評估礦山地質環境恢復治理、土地復墾效果及科學制定生態修復治理方案提供數據支撐。

后續在生態修復施工、驗收環節，將采用無人機實景建模，生成正射影像，疊加到施工設計圖，可以檢查施工進度，對比施工效果與設計的差距，為生態修復工程驗收提供參考依據。通過礦山三維實景建模可以作為治理效果展示以及作為驗收資料進行存檔。

3 結語

本次采用單鏡頭的消費級無人機傾斜攝影技術對礦山地表進行三維實景重建，對礦山地質環境和生態環境進行遙感解譯分析，極大地減少了野外調查工作量，降低了勞動強度，降低了生產成本，提高了調查精度和作業效率，實現了露天臺階邊坡高危地區崩塌滑坡的調查，保障了調查工作的安全。無人機三維實景模型和正射影像真實還原礦山開采地形地貌，直觀獲取礦山開采和生態恢復的現狀數據，為礦山地質環境調查治理和生態修復設計提供豐富的基礎資料。在設計階段以無人機正射影像為工作底圖，實現可視化設計，提高設計效率，更好地展示設計成果。無人機傾斜攝影技術將在生態修復調查、實施、監測、驗收等方面發揮更大優勢，將來監管部門通過建立三維實景數據庫平臺，獲取各階段無人機遙感監測數據并動態更新，銜接國土空間各類要素，對礦產資源開發與生態修復進行全過程監管，通過礦山開采前、開采中、閉坑、復墾、驗收全過程的對比，分析礦產資源開發與生態環境前后變化，為政府決策、監管執法提供翔實可靠的第一手資料。

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