基于無人機傾斜攝影測量的礦山生態修復效果評價研究

摘"要：針對傳統的礦山生態修復評價方法具有安全隱患與時效性差的特點，提出采用無人機傾斜攝影測量技術對礦山進行數據采集。詳細闡述采集工作方法與關鍵技術，通過三維模型、正射影像圖、數字高程模型（Digital"Elevation"Model，DEM）等數據成果，構建礦山生態修復效果評價模型。試驗結果表明，無人機傾斜攝影測量技術可以獲取精細的礦山地表數據，通過構建評價模型，可以實現礦山修復效果的量化評價，為礦山修復效果評價提供新思路。

關鍵詞：傾斜攝影測量"礦山"三維模型"生態修復

中圖分類號：P231 文獻標識碼：A 文章編號：

Research"on"Evaluation"of"Mine"Ecological"Restoration"Effect"Based"on"UAV"Tilt"Photogrammetry

LEI"Zhilong

The"Fourth"Geological"and"Mineral"Exploration"Institute"of"Gansu"Provincial"Geological"and"Mineral"Exploration"and"Development"Bureau，"Jiuquan，"Gansu"Province，"735000"China

Abstract：In"response"to"the"safety"hazards"and"poor"timeliness"of"traditional"mining"ecological"restoration"evaluation"methods，"this"study"proposes"using"UAV"oblique"photogrammetry"technology"to"collect"data"from"mines."The"collection"method"and"key"technologies"are"detailed，"and"a"mining"ecological"restoration"effect"evaluation"model"is"constructed"based"on"data"results"such"as"3D"models，"DOM，"DEM，"etc."The"experimental"results"show"that"the"UAV"oblique"photogrammetry"technology"can"obtain"fine"surface"data"of"mines."By"constructing"an"evaluation"model，"the"quantitative"evaluation"of"mine"restoration"effects"is"achieved，"providing"new"ideas"for"the"evaluation"of"mine"restoration"effects.

Key"Words："Oblique"photogrammetry;"Mining;"Three-dimensional"model;"Ecological"restoration

礦山生態環境修復是礦山治理極為重要的工作，隨著我國生態文明建設的發展，該項工作越來越受到人們的重視。礦山治理修復技術不斷更新迭代，但也出現修復效果較差、不能滿足預期的現象，因此，對礦山修復的評價成為控制修復成效的重要工作。傳統的礦山修復評價工作采用實地勘察方式，由人工結合衛星影像進行綜合評價，但由于衛星影像分辨率低且時效性差，人工調查外業工作量大且存在一定的危險性，因此，傳統礦山生態修復評價方法并不能滿足實際工作需求。無人機傾斜攝影測量技術具有高分辨率、低成本的特點，被廣泛應用于實景三維建模[1-2]。本文提出將無人機傾斜攝影測量技術應用于礦山修復評價工作中，通過傾斜攝影測量，獲取評價指標數據，建立修復效果評價體系。

1"無人機傾斜攝影測量的關鍵技術

1.1"影像匹配

影像匹配是將不同像片間的連接關系進行關聯，其主要原理為在相鄰的像片間查找同名點。其中最為常用的算法為尺度不變特征轉換（Scale-Invariant"Feature"Transform，SIFT）算法，該算法具有良好的抗噪特性，并且計算速度較快[3]。SIFT算法實現的方法是：通過特征向量的方式表示圖像間的同名點，通過特征向量的相似程度查找兩張照片的相似度。

兩種像片的特征匹配通常采用點特征或線特征類似的方法進行匹配，其中，點特征匹配速度快且提取質量好。Moravec算子是基于灰度方差提取點特征的算子，其主要是通過在窗口內逐像元計算與鄰近像元的灰度值，可獲得灰度差較高的值[4]。

1.2"空中三角測量

空中三角測量是通過少量的地面控制點求解出影像的外方位元素，并對未知坐標的影像進行定位。空三實現的方法是：通過共線方程，通過已知坐標點求解未知點。光束法是最為常用的測量方法。在測量過程中，無人機數據記錄系統獲取拍攝照片的瞬時位置與飛行姿態，記錄慣性測量單元（Inertial"Measurement"Unit，IMU）與定位定姿系統（Position"and"Orientation"System，POS）數據作為初始值，實現與控制點的聯合平差。在此過程中，光束法是以共線方程為基本原理，建立已知點和未知點的共線方程，計算外方位元素，并求解加密點坐標[5]。

2"構建礦山模型

2.1"航線規劃

本文采用的無人機類型為飛馬D2000。該機型為小型測繪飛機，可搭載傾斜攝影測量模塊、紅外模塊等多類型測量模塊和各類傳感器，不僅可以獲得測量數據，還可以將測量過程中的視頻拍攝下來，有助于后續的數據處理工作。

該型號無人機可連續飛行約80"min，搭載的全球導航衛星系統（Global"Navigation"Satellite"System，GNSS），可以獲得高精度的導航定位數據，即使在缺失地面控制點的狀態下，依然可獲得較高的定位精度，但不足以滿足1：500地形圖測圖要求，因此，地面布設控制點可以進一步提高測圖精度。

本次飛行按照航向設計規劃技術標準進行航線設計。在規劃飛行前，找到往年的衛星遙感影像圖，圈畫出測區范圍，根據比例尺和飛行的相關參數，計算出無人機的飛行航高和航線間距，設置航向重疊度為70%、旁向重疊度為70%，設計的相對航高為116"m，地面分辨率為1.3"m。共計設計飛行兩個架次，29條航線。

2.2"數據處理

2.2.1"數據預處理

無人機在數據采集過程中受強光照射、鏡頭畸變、大氣折光干擾等因素的影響，獲取的部分像片存在幾何畸變，因此，要根據鏡頭參數對像片進行校正。根據傳感器、光照、曝光時間等因素，通過GeoDodging軟件，對存在誤差的像片進行勻光、勻色處理，獲取整體亮度和清晰度相似且符合標準的像片數據。

2.2.2"空中三角測量

刺點的像片選擇清晰的、不同航線角度的且大約位于航攝區域中心的。通常情況下，一個控制點大約能在6～8張像片上進行刺點，保證解算中控制點的數量和質量。

像片控制點刺完后，重新提交空三測量解算任務。平差結束后，若出現誤差較大現象，則重新進行控制點的精細化刺繪，直到所有的像片點誤差滿足精度要求。本次試驗共計生成匹配點152"651個，每張像片大約為923個，生成連接點重投影誤差均方差為0.64。

2.2.3"構建模型

為了提高建模速度，采用數據切塊的方式分區域進行建模。由于原數據量較大，采用普通的計算機進行建模往往存在卡頓現象，嚴重影響建模進度，因此引進三維瓦片方式，將目前區域劃分為不同的瓦片，不僅可以加快數據生產，也能為后續的模型精細化修正提供便利。考慮到數據處理計算機性能，將正方形瓦片邊長設置為45"m，測區共計劃分了968塊。礦區三維實景模型如圖2所示。

3"評價體系構建

結合礦山三維實景模型和礦山修復評價工作的實際要求，通過礦區的正射影像圖、數字高程模型（Digital"Elevation"Model，DEM）、三維模型數據，選取植被覆蓋度指數、邊坡穩定性指數、植被配置合理性指數、景觀視覺敏感指數、表面破碎度指數作為評價礦山修復的指標因子[6]。礦區正射影像圖、DEM數據如圖3所示。

通過查閱眾多礦山修復的參考文獻和請教礦山修復相關工作的專家[7-8]，結合研究區域實際情況，對評價指標的重要程度進行取值并計算權重。根據評價分級標準化，獲得評級模型指標（如表2所示）。

將礦區劃分為30"m×30"m網格，對每個格網中的各項指標進行計算并加權累加，獲取每個格網的最終評價值。若礦山修復效果評價值小于1.689，則認為修復效果較差；若礦山修復效果評價值大于2.378，則認為修復效果很好；若在二者之間，則認為修復效果較好。將格網按照植被修復效果分為3種類型（如圖4所示）。

通過對圖5進行分析可知，礦山總體修復效果較好，評價為較好的區域約占礦區總面積的84%；在礦山的中心區域修復效果很好，約占試驗區面積8%；礦區的邊緣區域修復效果較差，約占試驗區面積7%。

4"結語

本文提出采用無人機傾斜攝影測量獲取礦區地形地貌、植被覆蓋、地表狀態等詳細數據，建立基于生態環境各項指數的評價體系。通過對研究區域的試驗應用，得出試驗礦區評價為較好的區域約占礦區總面積的84%，修復效果很好區域約占試驗區面積8%，修復效果較差區域約占試驗區面積7%。使用無人機傾斜攝影測量獲取評價數據，為礦區生態環境修復提供數據支撐，可實時獲取礦山數據更新，為礦山修復評價工作提供新思路。

參考文獻

[1]"顏學錚，郭招娣，黃棟良，等.基于無人機傾斜攝影與激光掃描的露天礦山三維模型構建與應用研究[J].科技資訊，2024，22（16）：180-183.

[2]"熊揚坤.無人機傾斜攝影測量在大比例尺地形圖測繪中的應用[J].科技資訊，2024，22（15）：26-28.

[3]"張佑林.無人機航攝影響生產大比例尺測圖誤差分析及改善措施[J].科技創新導報，2020，17（20）：29-30，36.

[4]"黃東.基于傾斜攝影測量技術的三維模型精度分析研究[J].測繪與空間地理信息，2024，47（8）：159-161.

[5]"朱興志，王志偉，王濤.無人機傾斜攝影在城市精細化三維模型制作中的應用[J].智能建筑與智慧城市，2024（8）：32-34.

[6]"賀忠東.廢棄礦山地質環境治理與生態修復效果評價[J].中國資源綜合利用，2024，42（9）：183-185，189.

[7]"張長城，陳曉杰，李云.武漢市廢棄礦山生態環境修復研究[J].城市地質，2024，19（3）：306-311.

[8]"侯宗升.國土空間規劃中綜合整治及礦山生態修復探究[J].工程建設與設計，2024（16）：89-91.