本文摘要：摘要：結(jié)合露天礦山生態(tài)修復監(jiān)測業(yè)務(wù)工作需求，本文充分利用實景三維技術(shù)快速靈活、低成本、高精度地構(gòu)建三維場景模型的優(yōu)勢，著重介紹了三維實景技術(shù)在露天礦山生態(tài)修復監(jiān)測的應(yīng)用技術(shù)方法與路線，通過分析闡述監(jiān)測的具體實施流程，為露天礦山精細化管理和生態(tài)環(huán)境保
摘要：結(jié)合露天礦山生態(tài)修復監(jiān)測業(yè)務(wù)工作需求，本文充分利用實景三維技術(shù)快速靈活、低成本、高精度地構(gòu)建三維場景模型的優(yōu)勢，著重介紹了三維實景技術(shù)在露天礦山生態(tài)修復監(jiān)測的應(yīng)用技術(shù)方法與路線，通過分析闡述監(jiān)測的具體實施流程，為露天礦山精細化管理和生態(tài)環(huán)境保護與治理提供輔助決策支持。
關(guān)鍵詞：實景三維技術(shù);三維場景模型;礦山生態(tài)修復
0 引言
作為世界上少有的礦產(chǎn)資源豐富、礦種比較齊全的國家之一，我國礦業(yè)資源的開采已經(jīng)成為推動經(jīng)濟發(fā)展的重要組成部分，由于開采礦山數(shù)量龐大，因而伴隨著礦業(yè)開采過程的生態(tài)環(huán)境問題也愈加突出。近年來，隨著我國生態(tài)文明建設(shè)進程的不斷推進，礦山的生態(tài)修復和環(huán)境保護治理工作，已經(jīng)成為全社會關(guān)注的焦點問題[1-2]。
特別是2018年以來，經(jīng)過國家機構(gòu)改革調(diào)整新成立的自然資源部門也明確將生態(tài)修復工作納入自然資源部門行使“兩統(tǒng)一”職能職責，并成立了專門的自然資源部礦產(chǎn)資源保護監(jiān)督司，專職負責礦山生態(tài)保護治理工作。2019年頒布實施的《綠色礦山建設(shè)評估指導手冊》也對綠色礦山建設(shè)和評估方法提出了明確的要求和考核評估指標，在國家的大力推動下，礦山生態(tài)修復工作取得了長足的發(fā)展，但是也存在一定的局限性，尤其礦山在設(shè)計、開采以及后期地質(zhì)環(huán)境恢復治理過程中，都需要進行大量測繪工作。傳統(tǒng)測量方式是作業(yè)人員利用全站儀、RTK等傳統(tǒng)測繪設(shè)備采集礦區(qū)內(nèi)高程數(shù)據(jù)信息，并借助衛(wèi)星遙感影像地圖來獲取礦區(qū)及周邊土地利用現(xiàn)狀信息。
其中，人工現(xiàn)場勘測的方式采集高程信息耗費的人力物力財力較大，不僅效率低，同時還存在現(xiàn)場測量過程中存在因開采時的揚塵影響儀器的觀測效果，測量人員容易發(fā)生危險和安全隱患等風險[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)，難以準確地獲取礦區(qū)真實的三維空間信息的需求。
實景三維建設(shè)作為當前新型基礎(chǔ)測繪建設(shè)的主攻方向，是黨中央、國務(wù)院和自然資源部對測繪工作在新時期的新要求、新部署，同時也是履行自然資源“兩統(tǒng)一”管理服務(wù)的必要舉措，實景三維其產(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)修復對其礦山監(jiān)測“能看得清、能看得準、能看得對、能看得及時”的要求[5]。
實景三維技術(shù)主要是通過無人機航片級數(shù)據(jù)處理技術(shù)，具有影像實時傳輸、測量快速、方便靈活、低成本、高精度的優(yōu)點，可創(chuàng)建完全真實、可量測的三維場景模型，用戶可以快速獲取場景內(nèi)任意區(qū)域坐標、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、居民點等分布狀況，有效地彌補了RTK設(shè)備在山區(qū)信號不好、效率低、成本高和和衛(wèi)星影像地圖更新慢、精度低的缺點[6-7]。實景三維技術(shù)的興起為露天礦山測繪、礦山生態(tài)環(huán)境調(diào)查與監(jiān)測提供了新的途徑。
1 監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)流程
根據(jù)露天礦山生態(tài)修復監(jiān)測的業(yè)務(wù)要求，結(jié)合無人機數(shù)據(jù)獲取和處理的一般技術(shù)流程，露天礦山生態(tài)修復監(jiān)測實施的技術(shù)環(huán)節(jié)主要包括礦區(qū)資料的收集準備、測區(qū)像控點測量和測區(qū)航線設(shè)計、無人機傾斜攝影影像數(shù)據(jù)采集、區(qū)域網(wǎng)空中三角測量、高精度三維數(shù)據(jù)建模、制作輸出礦區(qū)DOM、DSM、DEM、DLG和三維實景模型[8]，最后基于形成的三維數(shù)據(jù)成果開展礦區(qū)生態(tài)修復監(jiān)測情況指標計算和應(yīng)用評價。
2 三維實景數(shù)據(jù)采集及處理
2.1 測區(qū)航線設(shè)計規(guī)劃考慮測區(qū)礦山地形的地表起伏差異相對較小，無人機航攝過程中采用分區(qū)進行航攝的方法，航線設(shè)計主要按照東西方向來實現(xiàn)對航線的布設(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%，相對航高400m。
2.2 區(qū)域空中三角測量空中三角測量主要是在立體攝影測量環(huán)境中，利用像片內(nèi)在的幾何特性，通過少量的野外控制點在室內(nèi)進行控制點加密，以攝影測量方法建立同實地相對應(yīng)的航線模型或區(qū)域網(wǎng)模型(光學的或數(shù)字的)，獲取加密點的平面坐標和高程。
本文主要利用無人機傾斜攝影過程中采集的POS數(shù)據(jù)，并結(jié)合外業(yè)測定的區(qū)域網(wǎng)控制點的成果，采用Smart3D應(yīng)用軟件的空三加密處理模塊，通過光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差得到加密點成果[9-10]，其中空三加密模塊主要經(jīng)過ExtractingKeypoints(提取特征點)、SelectingPairs(提取同名像對)、InitializationOrientation(相對定向)、MatchingPoints(匹配連接點)、BundleAdjustment(區(qū)域網(wǎng)平差)等步驟的運算處理，得到攝區(qū)空中三角測量成果。為提高空中三角測量的成果精度，可以使用軟件對攝區(qū)進行二次空三運算，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量成果報告。
2.3 成果輸出與制作
本文針對礦區(qū)實景三維模型創(chuàng)建主要是利用空三加密的結(jié)果，采用全自動空三數(shù)據(jù)導入方式，在三維數(shù)字攝影測量工作站上采用批處理的方法完成各個立體模型的建立，在此基礎(chǔ)上利用數(shù)字攝影測量系統(tǒng)，首先自動匹配、濾波生成DSM，其次在立體模式下，同時顯示格網(wǎng)點和視差曲線，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，對原始航片進行自動微分糾正，生成數(shù)字正射影像圖(DOM)。
3 成果精度分析
為客觀準確地對礦山三維數(shù)據(jù)成果精度進行全面分析評價，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)范中對實景三維模型及數(shù)據(jù)產(chǎn)品的精度要求，本文分別隨機選取一定數(shù)量的內(nèi)業(yè)加密點、地物點、內(nèi)業(yè)加密高程點，根據(jù)實景三維技術(shù)流程制作生成的DOM、DEM和三維模型成果，將實際測量野外點位與成圖后在圖上量取的點位進行對比分析，得出圖上量算的點位與實際測量野外點位的DOM平面中誤差、DEM的高程中誤差和三維實景模型的平面中誤差、高度中誤差等值，對比統(tǒng)計結(jié)果顯示，基于實景三維技術(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 遙感解譯標志構(gòu)建
遙感解譯是從遙感圖像上獲取目標地物信息的過程。解譯標志是指在遙感影像上區(qū)分不同地物影像特征，用來分辨不同地物的依據(jù)，解譯的基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)是解譯標志的確定，影像解譯標志正確與否直接影響礦山遙感監(jiān)測成果質(zhì)量。由于三維實景影像具有超高分辨率特征，建立基于三維實景影像的礦山解譯標志，可以為三維實景影像信息提取和礦山測量提供參考，為礦山生態(tài)修復監(jiān)測應(yīng)用評價提供依據(jù)。本文根據(jù)礦山的一般要素內(nèi)容，構(gòu)建的解譯標志的類型主要包括開采面、中轉(zhuǎn)場、尾礦庫、礦山建筑邊坡等。
5 礦山生態(tài)修復監(jiān)測應(yīng)用評價
為更好地將實景三維技術(shù)應(yīng)用在露天礦山生態(tài)修復監(jiān)測中，本文基于生成的礦山實景三維模型進行應(yīng)用分析：一是三維模型為帶真實地理信息坐標真實紋理的三維模型，本文利用三維模型場景中的量測工具進行坐標量取、距離量測、路徑分析等分析操作，同時根據(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行分析;二是對礦山開采導致的坑洼，通過三維實景模型自有的高程和坐標信息，以可視化的方式對土石方邊界進行選區(qū)操作，并自動計算生成不同礦區(qū)的挖填方量;三是利用礦山實景三維模型對礦山生態(tài)修復的林地、草地和復墾土地等治理，在模型上進行面積、高度、坡度、面積、體積等相關(guān)指標進行量算分析，從而對比統(tǒng)計礦山開采前后的生態(tài)修復質(zhì)量情況，為礦山生態(tài)環(huán)境治理提供客觀、準確的數(shù)據(jù)支撐。
6 結(jié)束語
無人機實景三維技術(shù)具有快速高效、影像實時傳輸、高危地區(qū)探測、成本低、靈活等特點，能快速準確生產(chǎn)正射影像(DOM)、數(shù)字表面模型(DSM)、地形圖以及三維點云和傾斜三維建模，形成的各類成果不僅精度高，而且支持用戶快速獲取礦區(qū)場景內(nèi)任意區(qū)域坐標、面積、高程等信息，以及更加直觀地瀏覽目標區(qū)域地形、植被、水系、交通、居民點等分布狀況，同時可以通過無人機傾斜攝影系統(tǒng)采集、測量和計算礦區(qū)堆坑的等高線、橫剖面、挖方量等，在露天礦山測量和生態(tài)修復的監(jiān)測中具有很大的應(yīng)用價值。
作者：黃天進
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