航拍影像與點(diǎn)云數(shù)據(jù)在礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用

何原榮，陳鑒知，林 泉，李明峰

(1.廈門理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，福建 廈門 361024；2.貴州財(cái)經(jīng)大學(xué) 管理科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽550025；3.福建省基礎(chǔ)地理信息中心，福建 福州 350003；4.閩南師范大學(xué) 生物與技術(shù)學(xué)院，福建 漳州 363000)

航拍影像與點(diǎn)云數(shù)據(jù)在礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用

何原榮1，陳鑒知2，林 泉3，李明峰4

(1.廈門理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，福建 廈門 361024；2.貴州財(cái)經(jīng)大學(xué) 管理科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽550025；3.福建省基礎(chǔ)地理信息中心，福建 福州 350003；4.閩南師范大學(xué) 生物與技術(shù)學(xué)院，福建 漳州 363000)

由于礦業(yè)開發(fā)強(qiáng)度高和規(guī)模大，以及在開礦過程里不注意維護(hù)好礦區(qū)的生態(tài)，目前礦區(qū)的生態(tài)維護(hù)承受著十分龐大的壓力。為更好地對礦區(qū)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，首先，本研究介紹礦區(qū)修復(fù)的基本內(nèi)容及其效益，通過無人機(jī)像和三維激光掃描儀技術(shù)獲取的航拍影像圖和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，闡述航拍影像與點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取流程和處理方式，將礦區(qū)生態(tài)修復(fù)采集的數(shù)據(jù)從二維拓展到三維；以礦區(qū)待修復(fù)區(qū)的測量分析和已修復(fù)區(qū)林地細(xì)化調(diào)查為案例，在ArcGIS、南方CASS、FAROscene和GEOmagic等軟件支持下，得礦區(qū)各類專題圖和建立三維場景模型，為礦區(qū)生態(tài)修復(fù)提供技術(shù)和成果支撐。應(yīng)用結(jié)果表明，航拍影像與點(diǎn)云數(shù)據(jù)在礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用，成效明顯。

無人機(jī)航拍；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；礦區(qū)；修復(fù)分類；植被統(tǒng)計(jì)

各類礦產(chǎn)物資是當(dāng)今社會在發(fā)展中不可缺少的一種基本成分，由于礦業(yè)的開發(fā)強(qiáng)度高和規(guī)模大，以及在開礦過程不注意維護(hù)礦區(qū)的環(huán)境，目前礦區(qū)的生態(tài)維護(hù)承受著十分龐大的壓力。開發(fā)礦產(chǎn)資源導(dǎo)致的一系列環(huán)境問題現(xiàn)在已經(jīng)成為普遍存在的一個(gè)世界性難題。礦區(qū)修復(fù)是指在礦區(qū)開采期間由于挖采、堆積和污染等原因引起的礦區(qū)地表損毀，將其綜合治理，重構(gòu)生態(tài)系統(tǒng)，還包括重構(gòu)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和社會系統(tǒng)。無人機(jī)航拍獲取影像數(shù)據(jù)的時(shí)間靈活，保證成像時(shí)相和質(zhì)量，很好地實(shí)現(xiàn)礦區(qū)修復(fù)分類，并為后續(xù)獲取三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)提供了重要依據(jù)，將二維拓展到三維；三維激光掃描技術(shù)是繼GPS技術(shù)又一次技術(shù)革命，在掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，尤其是在較差的環(huán)境中，比如光線昏暗的井下和可能發(fā)生礦山地質(zhì)災(zāi)害的地方，其快速性、全天候、非接觸性、高密度、高精度等優(yōu)點(diǎn)相比于傳統(tǒng)測量方式具有極其明顯的作業(yè)優(yōu)勢。

近年來，礦區(qū)的監(jiān)測生態(tài)修復(fù)成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。早在1974年，英國就有人用某火山的影像數(shù)據(jù)中的熱紅外波段來監(jiān)測煤火。遙感影像信息可直觀、形象綜合表達(dá)土壤、植被和水體等環(huán)境信息[1-2]。而基于UAV航拍技術(shù)來得到地面影像數(shù)據(jù)是一新興的手段，主要有飛行時(shí)數(shù)長、數(shù)據(jù)同步傳送、能進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)、消耗資源少以及飛行姿態(tài)靈動等優(yōu)勢，是對衛(wèi)星遙感的有力補(bǔ)充和增強(qiáng)手段[3]。桂德竹[4]等使用UAV獲取低空姿態(tài)飛行的高清航拍數(shù)據(jù)來探索徐淮礦區(qū)的沉降監(jiān)控。邴媛媛[5]基于無人機(jī)技術(shù)獲得的航拍影像上完成遼寧的一個(gè)礦山比例為1∶10 000的低姿飛行航拍圖，聯(lián)合地形圖、土地現(xiàn)狀圖和其他相關(guān)信息，選擇監(jiān)督分類的形式，得到礦山的資源利用現(xiàn)狀，將監(jiān)控區(qū)域里的礦產(chǎn)的違法開采區(qū)分析出來。

瑞士的Stamos和Aleln等[6]運(yùn)用激光掃描技術(shù)重建起圣皮埃爾大教堂。劉昌軍等[7]利用三維激光掃描儀及LIDARVIEW軟件，實(shí)現(xiàn)了礦山地形的快速性測量與成圖，從而得到礦區(qū)的DEM數(shù)據(jù)、等高線和數(shù)字地形圖等成果。王長江等[8]分別用Trimble FX三維激光掃描儀建立了山東金嶺鐵礦和新城金礦井下三維巷道的模型，在技術(shù)上為礦區(qū)的安全生產(chǎn)信息化管理提供支持。雷朝鋒[9]使用ScanStation2 掃描儀對豫北的露天礦測量，在通過建立可量測的礦山掃描影像的三維模型基礎(chǔ)上，制出了大比例尺的礦區(qū)地形地質(zhì)專題圖。黃有等[10]使用Riegl VZ-400三維激光掃描儀對某礦堆進(jìn)行了三維掃描并利用三維建模進(jìn)行測算礦堆的礦方量，再采用 GPS 進(jìn)行掃描數(shù)據(jù)的平面和高程精度的驗(yàn)證，其結(jié)果表明，三維激光掃描儀能夠滿足測算礦方量的精度要求。王黎明等[11]運(yùn)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描技術(shù)在山東某礦區(qū)的巷道開展了短期變化的監(jiān)測作業(yè)。邱貞生[12]于馬坑鐵礦中利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描技術(shù)測繪出地表以下的采空區(qū)。這些研究工作已獲得了良好的成果，但尚無有關(guān)將航拍影像和激光掃描系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用于礦區(qū)修復(fù)工程管理的報(bào)道。

本研究以福建省上杭縣紫金礦區(qū)典型的修復(fù)工程為研究對象，借助航拍影像和點(diǎn)云數(shù)據(jù)這兩項(xiàng)高精尖的技術(shù)，通過無人機(jī)航拍影像，可以很好地實(shí)現(xiàn)礦區(qū)修復(fù)分類，并為后續(xù)獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)提供重要依據(jù)。其次，利用三維激光掃描技術(shù)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)將二維拓展到三維，獲取所需的三維模型并進(jìn)行數(shù)據(jù)量算制成專題圖。對紫金礦區(qū)已修復(fù)區(qū)的后期監(jiān)管中的林業(yè)細(xì)化調(diào)查和待修復(fù)區(qū)三維量測，協(xié)同推進(jìn)礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)，為全國礦區(qū)的修復(fù)工程管理提供應(yīng)用借鑒。

1 航拍影像與點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)用于礦區(qū)生態(tài)修復(fù)必要性

礦區(qū)修復(fù)作為一項(xiàng)較為復(fù)雜的工作，貫穿于礦山開采的始終。有前期的礦區(qū)修復(fù)規(guī)劃和方案編制，中期的修復(fù)工程的方案實(shí)施和工程驗(yàn)收等，及后期的修復(fù)情況調(diào)查和監(jiān)測。在礦區(qū)的修復(fù)規(guī)劃時(shí)，需要調(diào)查所要修復(fù)礦區(qū)的損毀情況[13-14]，進(jìn)而利用相應(yīng)的算法，依據(jù)若干個(gè)評價(jià)因子，用數(shù)據(jù)解析修復(fù)區(qū)域的適宜性。在參照相關(guān)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修復(fù)的測繪之后，就可以實(shí)施具體修復(fù)的內(nèi)容，如巖土工程、水利工程和植被的重建等。在修復(fù)工程驗(yàn)收之后，還需進(jìn)行后續(xù)的調(diào)查監(jiān)測等，如植被后期的管護(hù)以及成活率調(diào)查等。礦區(qū)修復(fù)最終的目標(biāo)，是將資金、技術(shù)和人力資源在修復(fù)工程中進(jìn)行合理的配置，從而實(shí)現(xiàn)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會這3個(gè)方面效益的共贏：

（1）生態(tài)效益。礦山修復(fù)區(qū)的工作就是維護(hù)和重構(gòu)該地生態(tài)的過程，是礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中生態(tài)環(huán)境綜合整治的主要成分，紫金礦山實(shí)施修復(fù)后將產(chǎn)生的生態(tài)效益具體體現(xiàn)在：采礦擾動形成的表面土壤堆放場，通過土地修復(fù)，修復(fù)為林地或草地后，可以保護(hù)當(dāng)?shù)氐牧謽I(yè)生態(tài)系統(tǒng)的健全，同時(shí)還可以促進(jìn)它的可持續(xù)發(fā)展。礦區(qū)生態(tài)修復(fù)通過重構(gòu)生態(tài)，會使當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量與氣候變化具有積極效應(yīng)和長期良好的有效改變。

（2）經(jīng)濟(jì)效益。紫金山礦區(qū)的修復(fù)方案付出實(shí)施后，對當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展是非常有利的，同時(shí)也有助于改善紫金山礦區(qū)周圍居民的生活質(zhì)量。礦區(qū)修復(fù)為林地，栽種了大量的灌木和喬木，能獲得較為可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。同時(shí)，植被具有保持水土，維持生態(tài)，供游客欣賞等眾多用途，這些用途雖不直接產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，但可減少不修復(fù)帶來的潛在損失，同時(shí)產(chǎn)生許多間接的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，如促進(jìn)經(jīng)濟(jì)作物生長，保證土壤的肥力。因此，紫金山礦區(qū)的修復(fù)產(chǎn)生的直接和潛在的經(jīng)濟(jì)效益是相當(dāng)可觀的。

（3）社會效益。對紫金山礦區(qū)的已損毀地表實(shí)施修復(fù)，能產(chǎn)生非常有效的社會效益。首先，修復(fù)工程實(shí)施后，可以減少礦區(qū)開發(fā)中帶來新的水土流失，減輕所造成的損失和危害，可確保礦區(qū)人員的安全問題，如由于開采造成的山體滑坡和泥石流。其次，修復(fù)方案實(shí)施后，對于合理調(diào)整項(xiàng)目生產(chǎn)的直接區(qū)域和周邊受影響區(qū)域的土地利用具有積極促進(jìn)作用，從而推動當(dāng)?shù)亓謽I(yè)農(nóng)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展。紫金山礦區(qū)修復(fù)可以減少生態(tài)環(huán)境的破壞問題，為建設(shè)工程以及周圍區(qū)域，創(chuàng)造適合居住的生活環(huán)境，達(dá)到較好的社會效益。

綜上所述，紫金山礦區(qū)修復(fù)研究項(xiàng)目將為當(dāng)?shù)氐纳鐣l(fā)展有較大的促進(jìn)作用，將為當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境帶來巨大的有利成果。對該礦區(qū)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)研究具有重要性。在礦區(qū)修復(fù)的監(jiān)測中，傳統(tǒng)的方法是利用衛(wèi)星遙感影像或者人工測量的方式進(jìn)行，存在誤差大或效率低。本研究采用航拍影像與點(diǎn)云數(shù)據(jù)兩項(xiàng)新技術(shù)相結(jié)合，將其應(yīng)用于紫金礦區(qū)的修復(fù)工程管理中，主要利用航拍影像與激光點(diǎn)云進(jìn)行修復(fù)初分類、修復(fù)后植被成活率追蹤[15-16]等，在航拍影像調(diào)研之后，再利用三維激光掃描儀進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，進(jìn)行修復(fù)土方計(jì)算、樹林種類辨認(rèn)等。因此，航拍影像與點(diǎn)云數(shù)據(jù)相結(jié)合應(yīng)用于礦區(qū)修復(fù)是非常有必要的。

2 航拍影像與點(diǎn)云數(shù)據(jù)在礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的設(shè)計(jì)方案

2.1 無人機(jī)技術(shù)

無人機(jī)（英文簡寫UAV）是一種通過無線電設(shè)備或者通過程序操縱的無人的飛行設(shè)備，按照空機(jī)的質(zhì)量大小分為微型、輕型、小型和大型無人機(jī)。本研究采用eBee微型無人機(jī)來獲取航拍影像。eBee無人機(jī)系統(tǒng)作為一種新的測圖系統(tǒng)，主要包含有軟硬件兩個(gè)方面。利用碳泡沫纖維膜材料制作而成的微型無人機(jī)，其質(zhì)量不足700 g，是無人機(jī)系統(tǒng)中主要的飛行設(shè)備。它在起飛的過程中不需要跑道，只要借助人的外力拋擲就能夠起飛，在軟件中規(guī)劃無人機(jī)的飛行路線及飛行時(shí)長可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)全自動航行和降落，這在保證準(zhǔn)確飛行的同時(shí)也提高作業(yè)的效率。由于其全自動的飛行功能，所以該無人機(jī)的操作也相對簡單，無需專業(yè)人員也可以自主操作。軟件部分有航線規(guī)劃軟件和數(shù)據(jù)處理軟件，前者用于規(guī)劃無人機(jī)的飛行路線，設(shè)置航行參數(shù)，監(jiān)控空飛軌跡以及記錄保存所航拍的影像數(shù)據(jù)；后者用于處理航拍所得到的數(shù)據(jù)，最終得到所需要的航拍影像數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步處理。

2.2 三維激光掃描儀

三維激光掃描儀由其所在的載體不同，主要分成機(jī)載式、車載式、地面式以及手持式這些主要類型，本研究使用FARO地面三維激光掃描儀來得到場景數(shù)據(jù)。主要包括主機(jī)中集成LIDAR發(fā)射器和接收器、時(shí)間計(jì)數(shù)器、濾光鏡、微型計(jì)算機(jī)及搭載在上面的軟件以及高分辨率的相機(jī)，外部主要有三腳架和數(shù)個(gè)靶球。其中，儀器的核心部分是LIDAR發(fā)射器與接收器，它決定了本臺設(shè)備掃描能力的強(qiáng)弱；時(shí)間計(jì)數(shù)器則影響了所掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度；在掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)束之后，掃描的場景將由高分辨率相機(jī)進(jìn)行不同角度的拍攝；所拍攝的圖像提供的色彩，將通過內(nèi)置計(jì)算機(jī)賦色到點(diǎn)云數(shù)據(jù)上，形成與現(xiàn)場一致的彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)；靶球起到坐標(biāo)定位的作用，將所有不同掃描站點(diǎn)之間的場景統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系中，使場景拼接不會出現(xiàn)斷面的情況。內(nèi)業(yè)中處理三維點(diǎn)云是用到FAROscene軟件將點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼合和除燥，接著由Geomagic或者Auto CAD For HDmodeling等專業(yè)軟件對預(yù)處理后的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立三維場景并解析數(shù)據(jù)等。

2.3 設(shè)計(jì)技術(shù)路線及數(shù)據(jù)采集

本研究基于無人機(jī)和三維激光掃描技術(shù)，利用航拍影像與點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取礦區(qū)修復(fù)情況的基本原理，通過分析專題圖與三維模型數(shù)據(jù)量算，將其用于紫金礦山修復(fù)區(qū)的工程管理上。具體技術(shù)路線是：通過無人機(jī)獲取高分辨率影像數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯得到的礦區(qū)影像數(shù)據(jù)，利用ArcGIS將礦區(qū)的土地分成不同類型，根據(jù)土地不同的破壞類型，初步明確其修復(fù)的方向，用數(shù)據(jù)解析出修復(fù)該地的適宜性；其次根據(jù)實(shí)地情況，利用三維激光掃描儀得到礦區(qū)修復(fù)區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接配準(zhǔn)，去噪簡化預(yù)處理后，獲得完整場景所需點(diǎn)云，封裝得到基礎(chǔ)的三維模型，最后結(jié)合三維模型軟件操作得到礦區(qū)修復(fù)區(qū)域的立體場景模型。通過軟件對礦區(qū)修復(fù)區(qū)域三維模型進(jìn)行數(shù)據(jù)量算分析和專題圖的制作，最終用于紫金礦區(qū)的修復(fù)工程管理上，本研究技術(shù)路線如下圖1所示。

在礦區(qū)生態(tài)修復(fù)數(shù)據(jù)獲取過程中，與所有傳統(tǒng)的測繪項(xiàng)目的基本流程相比，三維激光掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的外業(yè)流程基本一致，首先踏勘后規(guī)劃，最后采集數(shù)據(jù)。在掃描之前，先了解掃描區(qū)域大致的地理區(qū)位、附近的人員活動是否會影響掃描的進(jìn)行、以及要進(jìn)行掃描的時(shí)間段的天氣情況，做好安全防護(hù)措施避免點(diǎn)云數(shù)據(jù)在采集時(shí)出現(xiàn)意外情況。在到現(xiàn)場踏勘之后，根據(jù)需要數(shù)據(jù)要求，進(jìn)行選擇掃描儀的架站點(diǎn)以及靶球的擺放位置。如果是單場景時(shí)，一個(gè)工作站點(diǎn)就能掃描所有所需點(diǎn)云數(shù)據(jù)。否則，在兩個(gè)掃描站點(diǎn)轉(zhuǎn)換之間，必須要求擺放3個(gè)及以上的靶球作為坐標(biāo)定位點(diǎn)使用，便于多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接。在選擇靶球擺放位置時(shí)需要注意，不能遮擋到重要地物，不要擺放在架站點(diǎn)的掃描盲區(qū)，且保證在掃描過程中不會發(fā)生移動，最好選擇在高處或者不起眼的位置。如靶球的底部是圓形的磁鐵片，可吸附在路燈桿上。在選擇好靶球的擺放位置之后將儀器架設(shè)在所選好的站點(diǎn)，注意調(diào)整好三腳架，避免安放儀器時(shí)跌落以及掃描時(shí)風(fēng)吹倒儀器的情況發(fā)生。在整平掃描儀后，對儀器進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置，將其設(shè)置為室外20 m、分辨率1/4、4倍質(zhì)量，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的距離為6.136 mm/10 m。若采集不同的場景，需要對相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置作出改變，以達(dá)到最合適的場景效果。在掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)及相機(jī)拍攝結(jié)束后，查看點(diǎn)云場景預(yù)覽，檢查目標(biāo)靶球是否都掃到，否則需要重新布站掃描，直到場景掃描結(jié)束。本研究部分區(qū)域的修復(fù)林地點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理后的效果如圖2所示。

圖1 技術(shù)路線Fig.1 The technical route

圖2 修復(fù)林地點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)覽Fig.2 The preview of woodland point cloud data

3 生態(tài)修復(fù)的數(shù)據(jù)分析與管理

在航拍影像中，將紫金礦區(qū)初步劃分為已經(jīng)修復(fù)的區(qū)域和待修復(fù)的區(qū)域。已修復(fù)的區(qū)域要進(jìn)行監(jiān)管，本研究以林地細(xì)化調(diào)查為例。通過影像數(shù)據(jù)的色彩標(biāo)志，可以判斷樹是否死亡，經(jīng)過人工實(shí)地抽樣，構(gòu)建起各類樹木的病死樹的判斷標(biāo)志，進(jìn)而用面積統(tǒng)計(jì)法或者株數(shù)統(tǒng)計(jì)法估算出修復(fù)林木的成活率。面積統(tǒng)計(jì)法適用于修復(fù)密度高且面積大的林地，株數(shù)統(tǒng)計(jì)法適用于修復(fù)密度低的能清晰分辨出單株苗木且面積較小的林地。還可以直接在航拍影像上計(jì)數(shù)修復(fù)苗木的數(shù)量，進(jìn)而計(jì)算其單位面積的種植密度。待修復(fù)的區(qū)域，將要進(jìn)行規(guī)劃施工，本研究以三維量測為例。圖3為礦區(qū)初分類圖，已修復(fù)區(qū)域共6 km2，待修復(fù)區(qū)共4.6 km2。

3.1 已修復(fù)區(qū)林地細(xì)化調(diào)查

3.1.1 航拍影像圖的調(diào)查

在修復(fù)林地資源調(diào)查應(yīng)用中，其圖像精度要求比攝影測量要低很多。但由于航拍所得數(shù)據(jù)的分辨率高，所拍攝的地面信息非常豐富。在理論上，計(jì)算機(jī)也能夠?qū)脚挠跋襁M(jìn)行自主紋理分析，包括確定林地的種類、樹的直徑和林地面積，甚至連小斑圖塊邊界也能夠確定。由于林地的樹木種類以及空間結(jié)構(gòu)對于林地的生態(tài)和經(jīng)營都非常重要，而航拍影像的分辨率高的優(yōu)勢，能夠用紋理分析，估計(jì)出樹木種類和樹個(gè)體之間位置關(guān)系，這也是目前航拍影像的研究熱點(diǎn)之一。目前，影像在經(jīng)過坐標(biāo)匹配之后，可直接使用GIS軟件通過勾畫出林地圖斑，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)出修復(fù)的面積。

圖3 礦區(qū)初分類Fig.3 The beginning classi fi cation of the mining area

同時(shí)，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和樹木影像特征，判斷樹木的種類，主要的判讀樹種標(biāo)志有，樹冠影像的形狀、大小、顏色等，再結(jié)合修復(fù)林地的數(shù)據(jù)，建立樹種的解讀標(biāo)志。無人機(jī)航拍的影像分辨率很高，一般可以直接根據(jù)樹木的樹冠形狀來識別出樹種。另外，還可通過比例測算出所追蹤修復(fù)的樹木冠幅和樹高[17]，在已知植株的種類情況下，根據(jù)二元樹齡表，比較所采集數(shù)據(jù)對應(yīng)的樹齡數(shù)據(jù)，確定其樹齡大小。在后續(xù)結(jié)合三維激光掃描技術(shù)，進(jìn)行實(shí)地抽樣，以確保航拍影像的可靠性。

航拍影像所擁有的地面分辨率高、作業(yè)時(shí)間靈活和消耗資源少等顯著的優(yōu)勢，將會大大提升林地修復(fù)的成果品質(zhì)，減少調(diào)查所耗的人力，提升修復(fù)質(zhì)檢水平，將人力由沉重的體力作業(yè)中釋放，匯聚力量用于內(nèi)業(yè)質(zhì)量的提升。而且航拍影像的應(yīng)用，還可以推廣到整個(gè)林業(yè)調(diào)查中，響應(yīng)國家有關(guān)建設(shè)節(jié)約型社會的號召，可以為林業(yè)調(diào)查節(jié)省下人力物力的投入。如圖4為各類植被信息的調(diào)查。

圖4 各類植被信息的調(diào)查Fig.4 The investigation of all kinds of vegetation information

3.1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)地調(diào)查

在航拍影像的基礎(chǔ)上，到實(shí)地抽樣掃描得到場景的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在外業(yè)采集好數(shù)據(jù)后對其進(jìn)行處理，建立場景的三維模型，可以對其賦色處理，使模型盡可能接近真實(shí)場景。在軟件中，還可直接對林地模型進(jìn)行測量，獲取所需要的數(shù)據(jù)。由圖5可知，樹高為5.889 m，樹直徑為0.182 m。表1是對紫金山修復(fù)林地實(shí)地抽樣調(diào)查統(tǒng)計(jì)，這些數(shù)據(jù)都能很好地驗(yàn)證前文中航拍影像對修復(fù)林地的調(diào)查信息。

圖5 植被信息的統(tǒng)計(jì)Fig.5 The vegetation information statistics

表1 樹高樹徑統(tǒng)計(jì)Table 1 The statistics of height of tree and tree-walk

3.2 待修復(fù)區(qū)量測分析

航拍影像在經(jīng)過地理坐標(biāo)校正之后，在ArcGIS中將影像數(shù)據(jù)進(jìn)行未修復(fù)礦區(qū)細(xì)分類，主要有礦山挖損土地、裸露凹陷采場、建筑拆除、廢石堆場尾礦庫等。圖6為建筑、廢石堆和挖損地：

圖6 建筑、廢石堆和挖損地Fig.6 The construction, waste dump and mining

未修復(fù)礦區(qū)的細(xì)分類完成之后需要進(jìn)行地面調(diào)查，可以掃描所需場景的點(diǎn)云數(shù)據(jù)來獲取之后將要進(jìn)行的適應(yīng)性分析的評價(jià)因子[18]，比如地形的坡度、壓占的面積等。與遙感影像相比，航拍影像數(shù)據(jù)分辨率更高，能夠清楚識別出是何種地物地貌，例如，形狀像一個(gè)水庫的即為尾礦庫，尾礦壩也像水庫的壩。目前，紫金礦區(qū)有部分區(qū)域是下一步將要進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，表2統(tǒng)計(jì)出要進(jìn)行修復(fù)工程的建筑、廢石堆和挖損地這3個(gè)類型的面積。

表2 待修復(fù)區(qū)面積統(tǒng)計(jì)Table 2 The area statistics of delay reclamation

在初步分類之后，結(jié)合利用三維激光掃描技術(shù)，進(jìn)行實(shí)地調(diào)查采集數(shù)據(jù)，如對將要修復(fù)的挖損土地進(jìn)行回填，這需要進(jìn)行土方量的計(jì)算。傳統(tǒng)的土方量算法主要是使用全站儀或者GPS-RTK在野外作業(yè)時(shí)采集大量的高程點(diǎn)，內(nèi)業(yè)再使用相關(guān)軟件，對采集的高程點(diǎn)自動化計(jì)算，利用三角網(wǎng)、方格網(wǎng)、等高線或斷面等幾種數(shù)據(jù)來量算，最后得出土方量的成果。本研究使用三維激光掃描技術(shù)來快速獲取待修復(fù)區(qū)的量算。使用三維激光掃描儀掃描場景點(diǎn)云前，分辨率設(shè)為1/4、4倍質(zhì)量，每一站的掃描時(shí)間大約15 min，效率大大提升。將處理完的數(shù)據(jù)用Geomagic軟件進(jìn)行擬合地表面形成封閉區(qū)域，將基準(zhǔn)面設(shè)置成與采集點(diǎn)云中的最低點(diǎn)重合，由軟件自動得到挖方量的結(jié)果，圖7為區(qū)域土方的量算結(jié)果。

本次區(qū)域土方的總體積為82.48 m3。目前，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)來量算土方，并沒有相關(guān)的規(guī)定，在之后的發(fā)展中還需要形成一套完整的測量規(guī)范。表3為3種方法的結(jié)果比較：

圖7 土方量計(jì)算結(jié)果Fig.7 The calculation results of earthwork quantity

表3 土方量結(jié)果比較Table 3 The results comparison of earthwork quantity

由計(jì)算結(jié)果可知，點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描法與方格網(wǎng)法和DTM法相比較，土方量基本一致，其相對誤差只有1%左右，因此，點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描法量算土方，完全可以達(dá)到工程作業(yè)精度方面的需求。

4 結(jié)論與討論

本研究以福建省上杭縣紫金礦區(qū)典型的修復(fù)工程為研究對象，使用eBee無人機(jī)的航拍影像和FARO三維激光掃描儀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)討論在礦區(qū)已修復(fù)區(qū)域的林地細(xì)化調(diào)查和待修復(fù)區(qū)域三維量測。首先，在礦區(qū)已修復(fù)的區(qū)域，以修復(fù)林地細(xì)化調(diào)查為例，用航拍影像進(jìn)行工程的后期監(jiān)管并利用點(diǎn)云技術(shù)將二維拓展至三維，對航拍影像起補(bǔ)充作用。其次，待修復(fù)區(qū)域中，用航拍影像進(jìn)行工程前期的調(diào)查，以土方量算為例用點(diǎn)云數(shù)據(jù)算出具體工作量。這兩種高新技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用于修復(fù)工程管理中，相比傳統(tǒng)測量方式，航拍影像獲取空間分辨率高以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)非接觸性、全天候作業(yè)具有巨大優(yōu)勢。目前，本研究流程與技術(shù)方法已應(yīng)用于紫金山礦區(qū)修復(fù)工程管理中，成效明顯。

航拍影像和點(diǎn)云數(shù)據(jù)聯(lián)合作業(yè)的優(yōu)勢明顯，可更多地應(yīng)用到修復(fù)工程管理中，如巖土工程、邊坡支護(hù)等。本研究存在的不足主要有：進(jìn)行林業(yè)修復(fù)統(tǒng)計(jì)時(shí)未建立綜合評價(jià)分析系統(tǒng)；在點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模時(shí)，由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)量較大，剔除噪點(diǎn)及建?；ㄙM(fèi)時(shí)間較多。今后，可結(jié)合航拍影像，借助激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行礦區(qū)林地修復(fù)的適宜性分析，在修復(fù)林地細(xì)化調(diào)查中可建立樹齡和樹參對應(yīng)關(guān)系管理；同時(shí)開發(fā)更好的軟件來輔助點(diǎn)云數(shù)據(jù)快速地自動化建模。

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Applications in the mining ecological restoration based on aerial imaging and point cloud data

HE Yuanrong1, CHEN Jianzhi2, LIN Quan3, LI Mingfeng4
(1 College of computer and Information Engineering, Xiamen University of Technology, Xiamen 361024, Fujian, China; 2.Guizhou University of Finance and Economics, Guiyang 550025, Guizhou, China; 3.Fujian Provincial Geomatics Center, Fuzhou 350003, Fujian,China; 4.School of Biological Science and Biotechnology, Minnan Normal University, Zhangzhou 363000, Fujian, China)

Due to the high mining development strength and scale, and in the process of mining don’t pay attention to the ecological safeguard mining area, the mining area ecological maintenance under enormous pressure.To better for the mining area ecological restoration, fi rst of all, this paper introduces the basic content of mining area repair and bene fi t, by the unmanned aerial vehicle (UAV)and 3D laser scanner technology for aerial image and laser point cloud data, aerial images and the point cloud data acquisition process and approach, the data from the mining area ecological restoration from 2D to 3D;In the mining area to repair the measuring analysis and has been fi xed area forest land detailed investigation for the case, such as ArcGIS, southern CASS, FAROscene and GEOmagic software support, mining area of thematic map and 3D scene model is set up, support for the mining area ecological restoration technology and achievements.Application results show that aerial images and point cloud data to the application of ecological restoration in mining area,effect obviously.

unmanned aerial; point cloud data; mining area; reclamation sorting; vegetation statistics

S731.6；S718.57

A

1673-923X(2017)04-0079-07

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.04.014

2016-09-13

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（41574011）；福建省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（2016J01199），福建省測繪地理信息科技創(chuàng)新項(xiàng)目（2015J14）

何原榮，副教授，博士后；E-mail：heyuanrong@126.com

何原榮，陳鑒知，林 泉，等.航拍影像與點(diǎn)云數(shù)據(jù)在礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2017, 37(4):79-85.

[本文編校：文鳳鳴]