三維傾斜攝影技術(shù)在磷石膏渣場(chǎng)生產(chǎn)及運(yùn)營管理中的應(yīng)用

尹林江，李 威，李 江，楊曉勇，李 偉，孫小瓊

(1.貴州科學(xué)院 貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽 550001；2.貴州(磷化集團(tuán))有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550001)

近年來國家持續(xù)加大對(duì)工業(yè)固體廢物、危險(xiǎn)廢物的污染防治力度，要求加快構(gòu)建以數(shù)字經(jīng)濟(jì)為引領(lǐng)的現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系：實(shí)施數(shù)字產(chǎn)業(yè)強(qiáng)鏈行動(dòng)——推動(dòng)在礦產(chǎn)、輕工、新材料、航天航空等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域建設(shè)國家級(jí)、行業(yè)級(jí)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，加快磷化工精細(xì)化、有色冶金高端化發(fā)展,持之以恒推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)。全國人大、生態(tài)環(huán)境部等也要求各級(jí)環(huán)保部門，要充分利用大數(shù)據(jù)、5G、遙感等技術(shù)手段，加大工業(yè)固體廢物、危險(xiǎn)廢物的全過程管理力度。

目前礦區(qū)存量測(cè)算普遍采用全站儀和GPS等傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段[1]，雖然其測(cè)算精度較高，但成本較高、效率低且現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，無法滿足企業(yè)現(xiàn)代化管理的需求。隨著5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的完善[2]，無人機(jī)掛載不同的攝像頭、傳感器進(jìn)行測(cè)繪、監(jiān)管等在國內(nèi)外的應(yīng)用日漸普遍[3-6]，且具有成本低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，在礦山資源以及渣場(chǎng)管理中有了廣泛的實(shí)際應(yīng)用[7]。磷石膏堆渣場(chǎng)是用于填埋工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的固體廢棄物的露天性堆填場(chǎng)所，具有占地面積廣、匯水面積大、易發(fā)生滲漏、坍塌、潰壩等特點(diǎn)。由于廢渣進(jìn)入渣場(chǎng)的多樣性問題(如使用傳送帶、使用運(yùn)輸卡車等)，使得渣場(chǎng)內(nèi)堆填的工業(yè)固體廢物具有填埋數(shù)據(jù)不清、堆體布局及安全性不清、庫容占有率不清、庫容剩余量不清等特點(diǎn)，使用常規(guī)的地磅稱重或輸送帶稱重等技術(shù)手段無法對(duì)產(chǎn)渣量進(jìn)行計(jì)算，形成渣場(chǎng)防范風(fēng)險(xiǎn)和資源盤查的管理瓶頸。鑒于此，本文結(jié)合無人機(jī)遙測(cè)、GPS差分定位、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，構(gòu)建多期磷石膏渣場(chǎng)三維模型，進(jìn)行渣場(chǎng)存量計(jì)算監(jiān)測(cè)和三維可視化分析，為渣場(chǎng)的安全生產(chǎn)和資源管理提供技術(shù)支撐及數(shù)據(jù)保障。

1 傾斜攝影基本原理

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是通過飛行器搭載一個(gè)或者多個(gè)傳感器，從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜不同的視角采集影像，獲取到豐富的地物頂面及側(cè)視的高分辨率紋理。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、影像密集匹配技術(shù)自動(dòng)匹配同名點(diǎn)，生成密集匹配點(diǎn)云，提取地物特征點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上通過相應(yīng)的濾波算法構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)，同時(shí)結(jié)合影像的POS數(shù)據(jù)和地面像控點(diǎn)坐標(biāo)信息構(gòu)建三維模型。三角網(wǎng)的大小、密度與獲取影像的重疊率以及地物自身的復(fù)雜程度息息相關(guān)，重疊率越高，生成的三角網(wǎng)越密集，地物越復(fù)雜，則所需的三角網(wǎng)越密集和復(fù)雜。目前三角網(wǎng)的構(gòu)建主要是以密集匹配點(diǎn)云為基礎(chǔ)，運(yùn)用相關(guān)算法構(gòu)建相應(yīng)分辨率的三角網(wǎng)，同時(shí)優(yōu)化簡(jiǎn)單的物區(qū)，減少冗余數(shù)據(jù)，最后生成不規(guī)則三角網(wǎng)模型框架[9]。

傾斜攝影測(cè)量多以無人機(jī)為載體，具有成本低、機(jī)動(dòng)靈活、飛行尺度較大、環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)，并可獲取高分辨率的照片，有助于獲取更高精度的三維模型。常用的航測(cè)無人機(jī)有大疆的M300、大疆精靈4RTK、科威泰KWT-6和DM-150等。除大疆精靈4RTK外，其余無人機(jī)均搭載五鏡頭相機(jī)，可在同一時(shí)間和同一點(diǎn)上獲取地物的五個(gè)角度的信息，使得對(duì)于同一地物在光源信息獲取上具有統(tǒng)一性，不易產(chǎn)生色差；而大疆精靈4RTK多為單鏡頭相機(jī)，需規(guī)劃多個(gè)角度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，使得對(duì)于同一地物存在數(shù)據(jù)上的時(shí)間差異，可能會(huì)導(dǎo)致獲取的影像因?yàn)楣饩€的原因存在色差[10]。本文采用大疆公司生產(chǎn)的經(jīng)緯M300RTK，搭載的鏡頭為睿鉑中端系列產(chǎn)品RIY-D2M，兼具Pros高端系列部分強(qiáng)大功能與經(jīng)濟(jì)型相機(jī)的高性價(jià)比特點(diǎn)。目前，RIY-D2M已經(jīng)被全國各個(gè)地信相關(guān)單位采用，其應(yīng)用范圍包括但不限于地籍測(cè)量、智慧城市建設(shè)、房地一體、應(yīng)急測(cè)繪、BIM規(guī)劃等方面。

2 研究資料與方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省開陽縣金鐘鎮(zhèn)的一個(gè)磷石膏堆渣場(chǎng)，占地約為180ha，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫為16.1℃，年均降水量1 120～1 129mm；靠近礦區(qū)的采空區(qū)，且堆積體的邊緣為陡峭和陡傾斜的斜坡；基巖地層屬于震旦系上統(tǒng)陡山沱組、上統(tǒng)燈影組和下統(tǒng)南沱組[11]。同時(shí)，由于其處于洋水背斜核部的次一級(jí)背斜，區(qū)內(nèi)褶皺、斷層發(fā)育，基底穩(wěn)定性較差，堆積體容易發(fā)生滑動(dòng)和崩塌等災(zāi)害，對(duì)渣場(chǎng)的安全和生產(chǎn)管理造成嚴(yán)重影響。

2.2 技術(shù)流程

本研究的技術(shù)流程主要分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、三維模型構(gòu)建和存量估算四個(gè)部分(圖1)。數(shù)據(jù)采集，主要為前期的像控點(diǎn)布設(shè)測(cè)量、渣場(chǎng)的航線規(guī)劃和航飛前的檢查，保障航飛安全順利進(jìn)行。數(shù)據(jù)預(yù)處理，由于本研究采用的傳感器為睿博五鏡頭相機(jī)，其照片和POS數(shù)據(jù)分離，需將POS數(shù)據(jù)寫入照片中。除此之外，在進(jìn)行三維建模時(shí)，需要加入像控點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行刺點(diǎn)，保障三維建模精度。三維模型構(gòu)建，通過前期的數(shù)據(jù)預(yù)處理，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行空中三角測(cè)量，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，紋理映射等，最后生成DSM和三維模型等。存量估算主要采用Das Viewer和Context Capture Viewer基于三維模型，通過自定義標(biāo)高進(jìn)行渣場(chǎng)的存量估算，并運(yùn)用實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)精選精度驗(yàn)證。

圖1 技術(shù)路線

2.3 數(shù)據(jù)獲取

為提高三維建模精度，需建立傳感設(shè)備如相機(jī)所攝像片與目標(biāo)物之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，從而進(jìn)行空三解算以便獲取測(cè)區(qū)模型，而地面像控點(diǎn)的布設(shè)數(shù)量和位置，在一定程度上會(huì)影響實(shí)景三維模型的精度，同時(shí)像控點(diǎn)布設(shè)的合理與否，直接決定了外業(yè)測(cè)繪工作量的大小及建模成本。為實(shí)現(xiàn)渣場(chǎng)的全面控制，設(shè)置地面控制點(diǎn)16個(gè)，均勻分布于渣場(chǎng)，像控點(diǎn)布設(shè)間隔約為200 m。另外測(cè)量10個(gè)點(diǎn)作為精度驗(yàn)證點(diǎn)。

該區(qū)域海拔在760～1 051m之間，相對(duì)高差較大。為了保障無人機(jī)的飛行安全，對(duì)地形地貌進(jìn)行室內(nèi)軟件分析以及實(shí)地?zé)o人機(jī)飛行實(shí)驗(yàn)。考慮到區(qū)內(nèi)地勢(shì)西南高東北低，且堆渣場(chǎng)西南邊存在高壓線，西南邊無人機(jī)信號(hào)易被干擾，故飛行地點(diǎn)選擇位于堆渣場(chǎng)的中部偏右，飛行高度確定在海拔960m。同時(shí)為了保障最終數(shù)據(jù)的精度，根據(jù)相對(duì)行高計(jì)算公式：

式中：H為飛行相對(duì)高度，GSD為地面分辨率，a表示像元大小，f為傳感器焦距。由式(1)可知，GSD值越小，則相對(duì)航高越低，獲得的精度越高。

結(jié)合式(1)，并綜合實(shí)際精度需求和儀器參數(shù)，飛行高度為170m，旁向重疊率70%，航線重疊率70%，共計(jì)47條航線，為減少風(fēng)力作用的影響，采用等距拍照模式。由于數(shù)據(jù)采集的范圍較大，采集時(shí)間較長，為保障采集照片的質(zhì)量，數(shù)據(jù)采集均采用同一航線規(guī)劃工程文件，日期分別為2021年12月24日、2022年3月27日和2022年6月2日，時(shí)間均為13：00～15：30，天氣晴朗，風(fēng)力0～3級(jí)。每次分別采集照片10 570張，照片大小為6 000×4 000像素。而為了使得部分建筑細(xì)節(jié)更加突出，采用精靈4RTK協(xié)同作業(yè)，每期獲取高分辨率的建筑影像500張，使得建模結(jié)果更加清晰。

3 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果

目前，傾斜攝影實(shí)景建模的軟件較多，如美國的Context Capture、法國的Street Factory、瑞士的Pix4d Mapper和俄羅斯的Photo Scan以及大疆的DJI Terra等。本文主要選取精度相對(duì)較高、人為干預(yù)少的Context Capture作為無人機(jī)的三維建模的軟件，構(gòu)建三期磷石膏渣場(chǎng)三維模型和DSM。使用Context Capture Viewer和Dsa Viewer進(jìn)行磷石膏存量變化測(cè)算，通過前人的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)測(cè)算的格網(wǎng)大小為4.5m和5m時(shí)，所計(jì)算的誤差最小[12]。因此本研究采用上述方法進(jìn)行三維建模及其存量估算。

3.1 空中三角測(cè)量

由于本研究采用的是睿博五鏡頭相機(jī)獲取渣場(chǎng)三維影像，其影像不包含坐標(biāo)及高程信息，需將POS數(shù)據(jù)寫入影像中，再構(gòu)建工程文件，將包含所有信息的影像導(dǎo)入，為下一步空中三角測(cè)量做準(zhǔn)備。

空中三角測(cè)量主要是確定相鄰影像間的位置關(guān)系，并生成加密點(diǎn)，其所需的文件包括相機(jī)參數(shù)文件、POS數(shù)據(jù)、航片數(shù)據(jù)以及地面像控點(diǎn)數(shù)據(jù)。其中像控點(diǎn)的加入有助于空三加密的影像匹配速度與精度以及便于坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，同時(shí)可對(duì)空中三角測(cè)量成果進(jìn)行控制加密[13]。在進(jìn)行空中三角測(cè)量時(shí)，除了軟件自身空中三角測(cè)量時(shí)自動(dòng)進(jìn)行影像之間的位置匹配并生成加密點(diǎn)外，還需進(jìn)行手動(dòng)的刺點(diǎn)，即將像控點(diǎn)數(shù)據(jù)與影像相對(duì)應(yīng)，進(jìn)而提高空中三角測(cè)量的精度和通過率。在進(jìn)行刺點(diǎn)時(shí)，可先選擇邊緣點(diǎn)進(jìn)行刺點(diǎn)，運(yùn)行一遍空中三角測(cè)量，運(yùn)用空三結(jié)果，軟件將給出其余點(diǎn)的預(yù)測(cè)位置，再進(jìn)行第二次的刺點(diǎn)并進(jìn)行第二遍空中三角測(cè)量?？罩腥菧y(cè)量結(jié)束后，需檢查空三結(jié)果，是否出現(xiàn)偏移、影像分層和結(jié)果位置偏移等，保證后期三維建模的精度。經(jīng)查證，本文空三結(jié)果未出現(xiàn)上述情況，可進(jìn)行下一步模型的構(gòu)建(圖2)。

圖2 空中三角測(cè)量結(jié)果

3.2 模型構(gòu)建

運(yùn)用空中三角測(cè)量得到的密集成果，運(yùn)用光束法區(qū)域網(wǎng)平差，獲取影像的外方位元素，結(jié)合影像匹配算法，生成密集點(diǎn)云[14]。通過密集點(diǎn)云構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，得到無紋理信息的三維模型(白模)，然后匹配TIN的每一個(gè)三角面與影像紋理，進(jìn)行模型的自動(dòng)紋理映射，進(jìn)而得到高可視化的實(shí)景三維模型。最后對(duì)模型進(jìn)行分瓦片處理，通過構(gòu)建S3C索引文件，最終可看到整個(gè)完整的三維模型(圖3)，同時(shí)也便于后期對(duì)三維模型的修改和顯示。

圖3 三維模型過程與結(jié)果圖

3.3 模型精度評(píng)價(jià)

為保障模型的精度，基于三期的渣場(chǎng)三維模型，以地面實(shí)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)作為真實(shí)值，多次測(cè)量模型中的坐標(biāo)值，并取平均值作為模型值，進(jìn)行中誤差計(jì)算，其計(jì)算公式為：

式中：mx為x方向上的中誤差，n為像控點(diǎn)的個(gè)數(shù)，my為y方向上的中誤差，mh為h方向上的中誤差，△x、△y和△h分別為x、y和h方向的真誤差，m為平面中誤差。利用x和y方向中誤差進(jìn)行平方求和，并進(jìn)行開平方根，其最終結(jié)果表示像控點(diǎn)精度的可靠性(表1)。

表1 三維模型檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)

通過高程中誤差和平面中誤差，來評(píng)定整個(gè)渣場(chǎng)三維建模在水平和垂直方向上的精度。根據(jù)DB33/T 934-2014《三維數(shù)字地圖技術(shù)規(guī)范》中1:500比例尺模型精度的要求，平面精度≤0.30 m，高程精度≤0.24m。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，在渣場(chǎng)三期模型精度計(jì)算結(jié)果中，第一期平面中誤差最大為0.034m，高程中誤差最大0.030m；第二期平面中誤差最大為0.035m，高程中誤差最大0.025m；第三期平面中誤差最大為0.031m，高程中誤差最大0.037m。其精度值均滿足技術(shù)規(guī)范的要求，可以用于渣場(chǎng)存量的估算和變化監(jiān)測(cè)。

4 渣場(chǎng)存量估算與變化監(jiān)測(cè)

4.1 渣場(chǎng)存量估算

對(duì)經(jīng)過精度評(píng)價(jià)的三維模型，運(yùn)用Context Capture Viewer 軟件進(jìn)行渣場(chǎng)的存量精選估算，并結(jié)合實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)精選精度評(píng)價(jià)。由于企業(yè)需求，不能夠?qū)φ麄€(gè)磷石膏渣場(chǎng)存量進(jìn)行測(cè)算公布，因此本文僅選取三個(gè)樣區(qū)進(jìn)行估算，同時(shí)為了探究采樣間距對(duì)于存量的影響，本文選取1m、3m和5m作為采樣間距進(jìn)行存量估算，其結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，在實(shí)際測(cè)量時(shí)，樣區(qū)1和3的存量變化相對(duì)較慢，通過實(shí)地考察也發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的生產(chǎn)活動(dòng)較弱。而樣區(qū)2的變化則較為明顯，其存量的變化較大，可知該區(qū)域的生產(chǎn)活動(dòng)較強(qiáng)。

表2 堆渣樣區(qū)存量模型估算與實(shí)測(cè)

通過軟件測(cè)量的值減去實(shí)測(cè)值，用兩者差值的絕對(duì)值比上實(shí)測(cè)值，可得兩者的差值百分比(表3)。從表3中可以看出當(dāng)采樣間距為5m時(shí)，其存量的差值百分比相對(duì)于1m和3m的采樣間距要小，精度相對(duì)較高。而當(dāng)采樣間距為1m時(shí)，其差值百分比最大，精度相對(duì)較低。

表3 堆渣樣區(qū)存量模型估算與實(shí)測(cè)存量差值百分比

4.2 渣場(chǎng)變化監(jiān)測(cè)

基于兩期堆渣場(chǎng)(第一期數(shù)據(jù)和第三期數(shù)據(jù))的無人機(jī)三維和DSM數(shù)據(jù)，經(jīng)過預(yù)處理和精度校驗(yàn)后，進(jìn)行差值計(jì)算，得出挖填方計(jì)算結(jié)果，即渣場(chǎng)填挖方變化量，并作可視化展示(圖4)。其中凸起來的區(qū)域表示該區(qū)域在經(jīng)過這段時(shí)間后，地表堆積量增加，而凹下去的區(qū)域則表明該區(qū)域的存量有所減少。由此可知整個(gè)渣場(chǎng)填挖方量分布情況，掌握渣場(chǎng)的主要生產(chǎn)活動(dòng)區(qū)。除了對(duì)存量變化監(jiān)測(cè)及估算以外，為及時(shí)掌握周邊環(huán)境現(xiàn)狀和堆渣區(qū)覆土面積工程進(jìn)度情況，可利用三維模型，進(jìn)行土地利用類型識(shí)別以及周邊生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)，測(cè)量覆土曲面面積，以保障周邊生態(tài)環(huán)境安全，確保工程進(jìn)度。

圖4 渣場(chǎng)局部區(qū)域的挖填方可視化結(jié)果

5 結(jié)論

基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)構(gòu)建磷石膏渣場(chǎng)三維模型，其建模效率高、模型精度高、現(xiàn)實(shí)還原度高，借助軟件測(cè)量渣場(chǎng)存量，并運(yùn)用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證，可實(shí)現(xiàn)企業(yè)對(duì)渣場(chǎng)信息的全面掌控，降低企業(yè)運(yùn)營成本和生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。本文通過構(gòu)建三期渣場(chǎng)三維模型，其精度在x方向上的最大中誤差值為0.026m，在y方向上的最大中誤差值為0.027m，在h方向上的最大中誤差為0.037m，其平面精度中誤差最大為0.034m，各方位精度值均低于相關(guān)規(guī)范要求，建模結(jié)果可用于存量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。在樣區(qū)存量估算中，其采樣間距為5m時(shí)，其估算結(jié)果最為接近。同時(shí)，結(jié)合生產(chǎn)需求，運(yùn)用兩期數(shù)據(jù)，較為直觀地展示了渣場(chǎng)的生產(chǎn)活動(dòng)情況以及存量的變化情況，為渣場(chǎng)的生產(chǎn)及安全運(yùn)營管控提供了技術(shù)和數(shù)據(jù)支持。

本文也存在一些不足，在渣場(chǎng)的堆積物模型構(gòu)建上具有較高的精度，但對(duì)于面積較大的水體，會(huì)出現(xiàn)模型的空洞，不利于對(duì)渣場(chǎng)壩區(qū)水體的監(jiān)測(cè)。對(duì)于部分建筑或地物的拍攝死角，同樣會(huì)存在地物信息的缺失。對(duì)此，本文運(yùn)用精靈4RTK無人機(jī)，進(jìn)行低空地面信息和拍攝死角的數(shù)據(jù)采集，彌補(bǔ)了因數(shù)據(jù)問題帶來的精度不足。除此之外，在三維數(shù)據(jù)的挖掘上還有所欠缺，后期將加強(qiáng)對(duì)數(shù)據(jù)的挖掘和分析，提高數(shù)據(jù)的利用價(jià)值，更好的為地方和企業(yè)服務(wù)。