本文摘要：摘要：結(jié)合露天礦山生態(tài)修復(fù)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)工作需求，本文充分利用實(shí)景三維技術(shù)快速靈活、低成本、高精度地構(gòu)建三維場(chǎng)景模型的優(yōu)勢(shì)，著重介紹了三維實(shí)景技術(shù)在露天礦山生態(tài)修復(fù)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用技術(shù)方法與路線，通過(guò)分析闡述監(jiān)測(cè)的具體實(shí)施流程，為露天礦山精細(xì)化管理和生態(tài)環(huán)境保
摘要：結(jié)合露天礦山生態(tài)修復(fù)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)工作需求，本文充分利用實(shí)景三維技術(shù)快速靈活、低成本、高精度地構(gòu)建三維場(chǎng)景模型的優(yōu)勢(shì)，著重介紹了三維實(shí)景技術(shù)在露天礦山生態(tài)修復(fù)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用技術(shù)方法與路線，通過(guò)分析闡述監(jiān)測(cè)的具體實(shí)施流程，為露天礦山精細(xì)化管理和生態(tài)環(huán)境保護(hù)與治理提供輔助決策支持。
關(guān)鍵詞：實(shí)景三維技術(shù);三維場(chǎng)景模型;礦山生態(tài)修復(fù)
0 引言
作為世界上少有的礦產(chǎn)資源豐富、礦種比較齊全的國(guó)家之一，我國(guó)礦業(yè)資源的開(kāi)采已經(jīng)成為推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分，由于開(kāi)采礦山數(shù)量龐大，因而伴隨著礦業(yè)開(kāi)采過(guò)程的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題也愈加突出。近年來(lái)，隨著我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)進(jìn)程的不斷推進(jìn)，礦山的生態(tài)修復(fù)和環(huán)境保護(hù)治理工作，已經(jīng)成為全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題[1-2]。
特別是2018年以來(lái)，經(jīng)過(guò)國(guó)家機(jī)構(gòu)改革調(diào)整新成立的自然資源部門(mén)也明確將生態(tài)修復(fù)工作納入自然資源部門(mén)行使“兩統(tǒng)一”職能職責(zé)，并成立了專(zhuān)門(mén)的自然資源部礦產(chǎn)資源保護(hù)監(jiān)督司，專(zhuān)職負(fù)責(zé)礦山生態(tài)保護(hù)治理工作。2019年頒布實(shí)施的《綠色礦山建設(shè)評(píng)估指導(dǎo)手冊(cè)》也對(duì)綠色礦山建設(shè)和評(píng)估方法提出了明確的要求和考核評(píng)估指標(biāo)，在國(guó)家的大力推動(dòng)下，礦山生態(tài)修復(fù)工作取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是也存在一定的局限性，尤其礦山在設(shè)計(jì)、開(kāi)采以及后期地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理過(guò)程中，都需要進(jìn)行大量測(cè)繪工作。傳統(tǒng)測(cè)量方式是作業(yè)人員利用全站儀、RTK等傳統(tǒng)測(cè)繪設(shè)備采集礦區(qū)內(nèi)高程數(shù)據(jù)信息，并借助衛(wèi)星遙感影像地圖來(lái)獲取礦區(qū)及周邊土地利用現(xiàn)狀信息。
其中，人工現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)的方式采集高程信息耗費(fèi)的人力物力財(cái)力較大，不僅效率低，同時(shí)還存在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量過(guò)程中存在因開(kāi)采時(shí)的揚(yáng)塵影響儀器的觀測(cè)效果，測(cè)量人員容易發(fā)生危險(xiǎn)和安全隱患等風(fēng)險(xiǎn)[3-4]，而衛(wèi)星遙感地圖的方式數(shù)據(jù)更新頻次較慢，獲取的數(shù)據(jù)僅為分辨率較低的礦山二維影像數(shù)據(jù)，難以準(zhǔn)確地獲取礦區(qū)真實(shí)的三維空間信息的需求。
實(shí)景三維建設(shè)作為當(dāng)前新型基礎(chǔ)測(cè)繪建設(shè)的主攻方向，是黨中央、國(guó)務(wù)院和自然資源部對(duì)測(cè)繪工作在新時(shí)期的新要求、新部署，同時(shí)也是履行自然資源“兩統(tǒng)一”管理服務(wù)的必要舉措，實(shí)景三維其產(chǎn)品形式多樣，具有直觀、可量、可算，兼具量化和具象特征，完全可以滿足露天礦山生態(tài)修復(fù)對(duì)其礦山監(jiān)測(cè)“能看得清、能看得準(zhǔn)、能看得對(duì)、能看得及時(shí)”的要求[5]。
實(shí)景三維技術(shù)主要是通過(guò)無(wú)人機(jī)航片級(jí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，具有影像實(shí)時(shí)傳輸、測(cè)量快速、方便靈活、低成本、高精度的優(yōu)點(diǎn)，可創(chuàng)建完全真實(shí)、可量測(cè)的三維場(chǎng)景模型，用戶(hù)可以快速獲取場(chǎng)景內(nèi)任意區(qū)域坐標(biāo)、面積、高程等信息，而且可以更加直觀地瀏覽地形、植被、水系、交通、居民點(diǎn)等分布狀況，有效地彌補(bǔ)了RTK設(shè)備在山區(qū)信號(hào)不好、效率低、成本高和和衛(wèi)星影像地圖更新慢、精度低的缺點(diǎn)[6-7]。實(shí)景三維技術(shù)的興起為露天礦山測(cè)繪、礦山生態(tài)環(huán)境調(diào)查與監(jiān)測(cè)提供了新的途徑。
1 監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)流程
根據(jù)露天礦山生態(tài)修復(fù)監(jiān)測(cè)的業(yè)務(wù)要求，結(jié)合無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)獲取和處理的一般技術(shù)流程，露天礦山生態(tài)修復(fù)監(jiān)測(cè)實(shí)施的技術(shù)環(huán)節(jié)主要包括礦區(qū)資料的收集準(zhǔn)備、測(cè)區(qū)像控點(diǎn)測(cè)量和測(cè)區(qū)航線設(shè)計(jì)、無(wú)人機(jī)傾斜攝影影像數(shù)據(jù)采集、區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量、高精度三維數(shù)據(jù)建模、制作輸出礦區(qū)DOM、DSM、DEM、DLG和三維實(shí)景模型[8]，最后基于形成的三維數(shù)據(jù)成果開(kāi)展礦區(qū)生態(tài)修復(fù)監(jiān)測(cè)情況指標(biāo)計(jì)算和應(yīng)用評(píng)價(jià)。
2 三維實(shí)景數(shù)據(jù)采集及處理
2.1 測(cè)區(qū)航線設(shè)計(jì)規(guī)劃考慮測(cè)區(qū)礦山地形的地表起伏差異相對(duì)較小，無(wú)人機(jī)航攝過(guò)程中采用分區(qū)進(jìn)行航攝的方法，航線設(shè)計(jì)主要按照東西方向來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)航線的布設(shè);地面分辨率在0.08m，設(shè)置航向重疊度在85%，旁向重疊度在65%，相對(duì)航高400m。
2.2 區(qū)域空中三角測(cè)量空中三角測(cè)量主要是在立體攝影測(cè)量環(huán)境中，利用像片內(nèi)在的幾何特性，通過(guò)少量的野外控制點(diǎn)在室內(nèi)進(jìn)行控制點(diǎn)加密，以攝影測(cè)量方法建立同實(shí)地相對(duì)應(yīng)的航線模型或區(qū)域網(wǎng)模型(光學(xué)的或數(shù)字的)，獲取加密點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程。
本文主要利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影過(guò)程中采集的POS數(shù)據(jù)，并結(jié)合外業(yè)測(cè)定的區(qū)域網(wǎng)控制點(diǎn)的成果，采用Smart3D應(yīng)用軟件的空三加密處理模塊，通過(guò)光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差得到加密點(diǎn)成果[9-10]，其中空三加密模塊主要經(jīng)過(guò)ExtractingKeypoints(提取特征點(diǎn))、SelectingPairs(提取同名像對(duì))、InitializationOrientation(相對(duì)定向)、MatchingPoints(匹配連接點(diǎn))、BundleAdjustment(區(qū)域網(wǎng)平差)等步驟的運(yùn)算處理，得到攝區(qū)空中三角測(cè)量成果。為提高空中三角測(cè)量的成果精度，可以使用軟件對(duì)攝區(qū)進(jìn)行二次空三運(yùn)算，最終得到更精確的攝區(qū)空三結(jié)果，并生成傾斜航空攝影空中三角測(cè)量成果報(bào)告。
2.3 成果輸出與制作
本文針對(duì)礦區(qū)實(shí)景三維模型創(chuàng)建主要是利用空三加密的結(jié)果，采用全自動(dòng)空三數(shù)據(jù)導(dǎo)入方式，在三維數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站上采用批處理的方法完成各個(gè)立體模型的建立，在此基礎(chǔ)上利用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，首先自動(dòng)匹配、濾波生成DSM，其次在立體模式下，同時(shí)顯示格網(wǎng)點(diǎn)和視差曲線，最后基于校正后的影像內(nèi)、外方位元素和數(shù)字高程模型(DEM)成果，對(duì)原始航片進(jìn)行自動(dòng)微分糾正，生成數(shù)字正射影像圖(DOM)。
3 成果精度分析
為客觀準(zhǔn)確地對(duì)礦山三維數(shù)據(jù)成果精度進(jìn)行全面分析評(píng)價(jià)，按照CH/T9015—2012文件的三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范中對(duì)實(shí)景三維模型及數(shù)據(jù)產(chǎn)品的精度要求，本文分別隨機(jī)選取一定數(shù)量的內(nèi)業(yè)加密點(diǎn)、地物點(diǎn)、內(nèi)業(yè)加密高程點(diǎn)，根據(jù)實(shí)景三維技術(shù)流程制作生成的DOM、DEM和三維模型成果，將實(shí)際測(cè)量野外點(diǎn)位與成圖后在圖上量取的點(diǎn)位進(jìn)行對(duì)比分析，得出圖上量算的點(diǎn)位與實(shí)際測(cè)量野外點(diǎn)位的DOM平面中誤差、DEM的高程中誤差和三維實(shí)景模型的平面中誤差、高度中誤差等值，對(duì)比統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，基于實(shí)景三維技術(shù)生成的礦山三維模型精度完全滿足1∶1000成圖比例尺的規(guī)范技術(shù)要求。
4 遙感解譯標(biāo)志構(gòu)建
遙感解譯是從遙感圖像上獲取目標(biāo)地物信息的過(guò)程。解譯標(biāo)志是指在遙感影像上區(qū)分不同地物影像特征，用來(lái)分辨不同地物的依據(jù)，解譯的基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)是解譯標(biāo)志的確定，影像解譯標(biāo)志正確與否直接影響礦山遙感監(jiān)測(cè)成果質(zhì)量。由于三維實(shí)景影像具有超高分辨率特征，建立基于三維實(shí)景影像的礦山解譯標(biāo)志，可以為三維實(shí)景影像信息提取和礦山測(cè)量提供參考，為礦山生態(tài)修復(fù)監(jiān)測(cè)應(yīng)用評(píng)價(jià)提供依據(jù)。本文根據(jù)礦山的一般要素內(nèi)容，構(gòu)建的解譯標(biāo)志的類(lèi)型主要包括開(kāi)采面、中轉(zhuǎn)場(chǎng)、尾礦庫(kù)、礦山建筑邊坡等。
5 礦山生態(tài)修復(fù)監(jiān)測(cè)應(yīng)用評(píng)價(jià)
為更好地將實(shí)景三維技術(shù)應(yīng)用在露天礦山生態(tài)修復(fù)監(jiān)測(cè)中，本文基于生成的礦山實(shí)景三維模型進(jìn)行應(yīng)用分析：一是三維模型為帶真實(shí)地理信息坐標(biāo)真實(shí)紋理的三維模型，本文利用三維模型場(chǎng)景中的量測(cè)工具進(jìn)行坐標(biāo)量取、距離量測(cè)、路徑分析等分析操作，同時(shí)根據(jù)礦區(qū)的渣土排放土方量、排土安全高度和安全坡度等進(jìn)行分析;二是對(duì)礦山開(kāi)采導(dǎo)致的坑洼，通過(guò)三維實(shí)景模型自有的高程和坐標(biāo)信息，以可視化的方式對(duì)土石方邊界進(jìn)行選區(qū)操作，并自動(dòng)計(jì)算生成不同礦區(qū)的挖填方量;三是利用礦山實(shí)景三維模型對(duì)礦山生態(tài)修復(fù)的林地、草地和復(fù)墾土地等治理，在模型上進(jìn)行面積、高度、坡度、面積、體積等相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行量算分析，從而對(duì)比統(tǒng)計(jì)礦山開(kāi)采前后的生態(tài)修復(fù)質(zhì)量情況，為礦山生態(tài)環(huán)境治理提供客觀、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。
6 結(jié)束語(yǔ)
無(wú)人機(jī)實(shí)景三維技術(shù)具有快速高效、影像實(shí)時(shí)傳輸、高危地區(qū)探測(cè)、成本低、靈活等特點(diǎn)，能快速準(zhǔn)確生產(chǎn)正射影像(DOM)、數(shù)字表面模型(DSM)、地形圖以及三維點(diǎn)云和傾斜三維建模，形成的各類(lèi)成果不僅精度高，而且支持用戶(hù)快速獲取礦區(qū)場(chǎng)景內(nèi)任意區(qū)域坐標(biāo)、面積、高程等信息，以及更加直觀地瀏覽目標(biāo)區(qū)域地形、植被、水系、交通、居民點(diǎn)等分布狀況，同時(shí)可以通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)采集、測(cè)量和計(jì)算礦區(qū)堆坑的等高線、橫剖面、挖方量等，在露天礦山測(cè)量和生態(tài)修復(fù)的監(jiān)測(cè)中具有很大的應(yīng)用價(jià)值。
作者：黃天進(jìn)
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