無人機傾斜攝影測量技術在念諾泥炭土礦區綜合治理工程中的實踐應用

◎ 莫德強

隨著礦山開采活動的不斷開展，礦山綜合治理工程的重要性日益凸顯，無人機傾斜攝影測量技術因其精度高、成本低、效率高等優勢，在礦山綜合治理中逐漸嶄露頭角。通過無人機傾斜攝影，可以獲取高分辨率的三維地理信息，為礦區治理的規劃、設計和生態修復提供可靠的數據支持。本文以上思縣念諾泥炭土礦區的綜合治理為例，探討了無人機傾斜攝影測量技術在礦山綜合治理工程中的應用。

一、研究區概況和設備準備

（一）研究區概況

念諾泥炭土礦區位于上思縣叫安鎮熟康村，包括一號泥炭土礦區和二號泥炭土礦區，分別占地0.27 平方千米和0.32 平方千米。這2 個礦區于2007 年11 月開始開采，在2010 年11 月關閉。該小型露天開采礦區在停止開采后，根據規定進行了回填處理。然而，在進行回填治理之前，礦區成為較大的深坑，枯水期坑洞深淺不一，豐水期坑洞水面面積達3 555.25 平方米（約5.33 畝），平均深度20 米。這不僅對熟康村周邊居民的安全構成嚴重威脅，而且面臨嚴重的生態和地質環境問題。

礦區的山體呈現出采礦坑臨空面、泥炭土裸露的狀態，危巖體穩定性差，容易引發地質災害。開挖面的裸露與周圍環境極不協調，生態環境問題更加突出，迫切需要進行治理與修復。

（二）無人機傾斜攝影測量技術的要點

1.搭載傾斜攝影設備

在無人機上安裝傾斜攝影設備，通常包括多個鏡頭（一般是5 個），這些鏡頭設置在不同的方向和角度，可以同時拍攝地面目標。這種攝影配置能夠獲取大范圍地理信息和高分辨率的三維數據。

2.全球定位系統/慣性測量裝置

攝影時，為了獲取精確的位置和姿態參數，配備了高精度的全球定位系統（GPS）和慣性測量裝置（IMU）。

3.航跡規劃和控制

在進行航拍任務前，需要進行航跡規劃，確定無人機的飛行路徑和拍攝范圍，同時還要考慮山丘或者低洼處的旁向/縱向重疊度。控制系統能夠確保無人機按照規劃的航跡飛行，同時通過精確的導航系統實時調整無人機的姿態，以保證攝影的精度。

4.傾斜攝影數據處理

獲取的傾斜攝影數據需要經過一系列的處理，包括圖像匹配、相對定向、絕對定向等，以建立相應的攝影模型。

5.生成三維模型

通過對處理后的傾斜攝影數據進行三維重建，可以生成具有高精度的三維地理模型。這些模型能夠反映地表的真實形狀和地物的空間位置，為礦山的生態修復提供精準的基礎數據。

念諾泥炭土礦區的地形相對平坦，周邊區域為耕作區，利用實時動態（RTK）量測該航拍區的相控點得知，未開采的地面高程為（65.37±0.1）米，礦坑最深高程為43.86 米，平均相對深度約20 米；礦坑內為不規則的開挖區，陡坎、斜坡不均勻地分布在該礦坑內。經過后期的無人機傾斜攝影測量獲取大量的地表特征數據，生成三維模型。經過規劃設計之后，復墾后的地面高程與開挖前或者周邊的高程相齊平，高程為（65.37±0.1）米。

二、存在的問題

（一）地形地貌問題

地形地貌問題是無人機傾斜攝影測量技術應用在礦山綜合治理中的重要挑戰。該礦區的地形復雜，包括崩塌、滑坡、不穩定斜坡等因素，存在地質災害隱患，露天大面積開挖，損壞土地資源，地形地貌被破壞相對嚴重。這些問題可能導致某些深坑區域的測量數據缺失或不完整，從而影響綜合測繪的全面性。此外，密集的植被進一步增加了困難，植被的遮擋可能導致無人機傾斜攝影無法準確捕捉地面信息，使得點云高程數據出現顯著誤差。

地形地貌的復雜性和植被遮擋還可能引起無人機傾斜攝影中的影像配準問題，配準困難可能導致影像之間缺乏一致性，進而影響最終的地圖制作和三維模型生成。

（二）無人機傾斜攝影幾何變形問題

無人機傾斜攝影幾何變形是在攝影機傾斜角度的影響下，導致同一地物在不同影像中出現視差，進而引發地物幾何形狀變形的問題。在礦區，地形起伏較大，增加了幾何變形的顯著性。這種幾何變形對地物的形狀、位置和相對尺寸產生負面影響。無人機傾斜攝影中，由于地形的起伏，相鄰地物之間的高度變化可能被過度夸大或削弱，因此導致垂直測量精度下降。攝影機的傾斜角度也會導致地物在影像中呈現出一定的投影變形，特別是在地形變化明顯的區域。這種變形影響地物的形狀、位置和相對尺寸，降低了地物的幾何精度。

在礦區，明顯的溝壑結構可能因無人機傾斜攝影的角度而呈現出失真問題，這對需要進行溝壑結構分析或設計的應用造成了困擾。

（三）數據處理與管理存在的問題

無人機傾斜攝影產生的高分辨率影像和龐大的點云數據集給處理過程帶來了諸多挑戰。由于數據量巨大，因此處理過程可能面臨計算速度慢和算法效率低的問題。尤其是在處理大規模礦山區域的數據時，數據處理涉及多個步驟，如相控刺點、圖像配準、點云生成、三維建模等，需要使用不同的專業軟件和算法，因此，對處理人員的專業技能提出了較高要求。

高密度和復雜的數據要求處理人員具備專業的技能和經驗，能熟練使用點云處理軟件、三維建模工具、地理信息系統（GIS）等。處理人員的這些專業技能可能相對匱乏，增加了技術實施的難度。此外，由于高分辨率數據的產生，需要大量的存儲容量來保存處理后的數據，因此，存儲方案的選擇需要平衡數據存儲需求和項目預算，權衡云存儲和本地存儲之間的比例。

在數據傳輸和共享方面，跨部門或跨地理位置可能會受到限制，大規模高分辨率數據的傳輸可能受網絡穩定性的影響，同時，需考慮數據的安全性和隱私保護。對于高精度地理信息的需求，必須建立有效的質量控制和驗證機制，以確保數據的準確性和一致性，這可能需要投入更多的人力和時間。

三、解決問題的途徑

（一）解決地形地貌問題

1.選擇合適的航跡規劃

通過先進的航跡規劃算法，結合地形地貌信息，確保無人機在執行傾斜攝影測量任務時能夠更好地適應復雜地形，提高測量數據的完整性。

2.使用先進的植被處理技術

采用先進的植被去除算法，可以在圖像處理階段減少植被對地面信息的遮擋，提高點云和影像數據的精確性。

（二）解決傾斜攝影影響數據獲取問題

1.均勻分布相控點

該礦區主要位于地形相對平坦的耕作區，礦坑主要表現為向下的開挖狀態，因此建議在礦坑周邊和礦坑內均勻布設相控點，其中包括最高點和最低點，主要控制航拍過程中相機獲取地面的平面和高程等信息特征。

2.設置相對合理的重疊度

該區域內的地形相對平坦，因此要綜合考慮重疊度的設置，航空影像的相片獲取需要足夠的重疊度才能滿足后期的影像匹配等，航向重疊度一般為60%～65%，旁向重疊度一般為30%～35%。

（三）解決無人機傾斜攝影幾何變形問題

1.優化傾斜角度

在進行傾斜攝影時，根據地形特征，優化攝影機的傾斜角度，以減少同一地物在不同影像中的視差，降低幾何形狀變形對地物精度的影響。

2.引入先進的幾何校正算法

采用幾何校正算法對數據進行后處理，糾正由傾斜攝影引起的地物幾何形狀變形，提高數據的幾何精度。

（四）解決大規模數據處理問題

1.采用并行計算和分布式處理

采用并行計算和分布式處理技術，充分利用計算資源，提高數據處理的速度和效率，尤其是對大規模的礦區數據，可以顯著減少處理時間。

2.設計自動化處理流程

設計自動化的數據處理流程（見圖1），整合各個處理步驟，減少人工干預，降低專業技能要求，提高處理的效率和確保數據的一致性。

3.優化存儲和傳輸方案

選擇高效的數據存儲方案，考慮云存儲和本地存儲的綜合利用，以及合理的數據傳輸策略，以解決存儲和傳輸的瓶頸問題。

圖1 數據生產流程圖

四、優化建議與應用展望

（一）無人機傾斜攝影測量技術的成績與優勢

1.無人機傾斜攝影測量技術取得的成果

在念諾泥炭土礦區的綜合治理工程中，運用無人機傾斜攝影測量技術獲得了礦區高精度的地形數據和影像信息，包括礦區的范圍、深度、植被狀況和地形特征，以及內業處理生成的點云數據和三維數字模型等。

2.該成果應用于礦山綜合治理中取得的成效

在礦區的修復中，無人機傾斜攝影測量技術提供了精確的三維模型和高分辨率影像，為準確估算工程規模和后期土方量回填提供了可靠的數據支撐。項目組利用無人機傾斜攝影測量的數據能夠對礦區進行量化分析和評估，根據實際地形和工程需求靈活調整回填和加固方案，確保治理的準確性和有效性。在治理措施中，項目組通過無人機數據增加了主動網護坡方案，確保了治理效果的可持續性。無人機傾斜攝影測量技術在危巖體治理中的被動防護網和坡腳綠化方面也發揮了關鍵作用。該礦區在2016 年已經竣工，并于同年3 月1 日由上思縣國土資源局會同農業局、公證處對念諾泥炭土礦區恢復治理工作進行實地驗收，驗收組一致同意驗收合格。

3.無人機傾斜攝影測量技術的優勢

相對于以前傳統的測量技術，無人機傾斜攝影測量技術通常具有精度高、效率高、成本低等優勢。無人機傾斜攝影測量技術能夠在較短的時間內完成對大面積區域的高精度數據采集，提高了工作效率；快速完成高分辨率的影像和點云數據的采集，從而實現對地表的精準測繪。這些數據不僅細節豐富，而且能夠準確反映地物的三維形狀和地貌特征。該技術能夠降低人工操作的風險，特別適用于礦山等存在安全隱患的區域。

（二）優化措施建議

針對研究區域存在的問題，提出以下2 點優化措施建議。

1.提高影像采集的精度和效率

通過精細的飛行航跡規劃，確保無人機覆蓋目標區域的同時，避免不必要的重疊和遺漏。使用自動飛行規劃軟件可以幫助生成最優飛行路徑。選擇具有高分辨率相機和穩定飛行控制系統的無人機，以獲得更清晰、精確的影像數據，同時確保GPS 和其他導航設備的準確性和穩定性。應用高級的影像處理和分析軟件，如結構光軟件或深度學習算法，以提高影像的處理速度和質量。這些技術可以自動識別和校正影像中的誤差，提高最終數據的準確度。盡可能在光照條件良好且風速較低的時間進行飛行，以減少影像模糊和運動偏差，注意避開雨天或其他不利天氣條件。

2.提高地形和地物識別的準確性

使用數字高程模型（DEM）和數字地面模型（DTM）分析地形變化，輔助識別地形特征。這些模型能夠提供地面高度信息，有助于區分不同的地物和地形。相比傳統的像素基分析，面向對象的影像分析方法（OBIA）更注重影像中對象的整體性和上下文關系，可以更準確地識別復雜的地物和地形。利用無人機采集的傾斜攝影數據進行三維重建，生成高精度的三維模型，可以更直觀地分析地形特征和地物分布。將無人機傾斜攝影獲得的數據與其他地理空間數據整合到GIS 中進行綜合分析，再利用空間分析和模型來提高地物識別的準確性和深度。

（三）無人機傾斜攝影測量技術的應用與展望

隨著現代科學技術的不斷提升，無人機傾斜攝影測量技術將在硬件和軟件方面取得更大的突破，包括無人機的傳感器、飛行與降落安全、相機的高分辨率等。今后，無人機可能會結合人工智能、測量機器人等，在無人機自動飛行或者數據獲取方面更加智能、高效、便捷。無人機傾斜攝影測量技術在自然災害的數據快速獲取、沿海地區的紅樹林保護、農業農村部門的莊稼種植等領域都將得到廣泛的應用。

＜＜＜中渡古鎮偶拾（覃融 攝）