無人機三維模型在礦山環(huán)境治理勘查設(shè)計中的應(yīng)用

彭振 李玉倩

摘 要：隨著科技的進步、無人機航空攝影技術(shù)普及，基于無人機航空攝影技術(shù)形成的三維模型具有可視、形象、帶有地理坐標(biāo)信息及高程信息，在礦山勘查設(shè)計工作中應(yīng)用前景廣闊，可以取代部分野外調(diào)查及數(shù)據(jù)核實工作。具體表現(xiàn)在以下幾方面：通過將制作好的地形數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維模型驗證地形圖的準(zhǔn)確性;結(jié)合三維模型的可視化直接在三維模型上圈定各種地質(zhì)單元作為分界線;結(jié)合三維模型的立面模式直接繪制高精度的剖面圖，尤其適用帶有負(fù)地形的剖面圖;結(jié)合三維模型的立面模式繪制高精度的高陡邊坡立面圖，計算坡面表面積;驗證設(shè)計線在現(xiàn)狀中的位置，避免出現(xiàn)不合理位置的工程布置。

關(guān)鍵詞：無人機;三維模型;礦山環(huán)境治理勘查設(shè)計;剖面圖

Abstract： With the progress of science and technology and the popularization of UAV aerial photography， the three-dimensional model formed based on UAV aerial photography provides visual， image， geographic coordinate and elevation information， with broad application prospects in mining exploration and design， and the potential to replace part of the work of field investigation and data verification. It is shown in the following aspects： verifying the accuracy of the topographic map by importing the prepared topographic data into the 3D model; relying on the visualization of the 3D model to directly delineate various geological units on the 3D model as the boundary; using the elevation model of the 3D model to draw the section with high precision， especially the section with negative terrains， and also to draw the high and steep slope with high precision， and to calculate the slope surface area; verifying the positions of the design lines in the current situation to avoid unreasonable positioning of the project layout.

Keywords： UAV; 3D model; exploration design of mine environment treatment; profile

在傳統(tǒng)的礦山治理勘查設(shè)計過程中，需要調(diào)查人員深入現(xiàn)場，對每個渣堆、渣坡、采面進行細(xì)致描述，根據(jù)地形圖圈定地質(zhì)單元，并進行詳細(xì)記錄。此種方法調(diào)查時間長，受地形影響，對于高陡邊坡及潛在崩滑風(fēng)險的區(qū)域一般很難直觀記錄。隨著無人機低空攝影測量技術(shù)的成熟，在此基礎(chǔ)上建立的三維模型具有直觀、形象、可視化、帶有各種地理信息及高程數(shù)據(jù)信息優(yōu)勢，該技術(shù)可以同時獲取DLG、DEM、DOM數(shù)據(jù)，可以全面細(xì)致地掌握地質(zhì)環(huán)境治理恢復(fù)區(qū)的地形、地貌、工程布局、周邊環(huán)境，能夠方便的進行規(guī)劃設(shè)計、土石方量計算、工程部署，極大地方便了礦山地質(zhì)環(huán)境治理恢復(fù)設(shè)計工作（魏繼壯等，2020）。

通過EPS、DPGrid、PixelGrid等相關(guān)三維軟件的交互功能，可將模型中地物數(shù)據(jù)的高程及位置信息導(dǎo)出再利用，也可將布置的數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入三維模型驗證位置關(guān)系。在此功能基礎(chǔ)上，可實現(xiàn)室內(nèi)核實地形數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，識別并圈定各種地形地物信息，繪制高精度的地形剖面圖、立面圖、工程地質(zhì)圖及計算坡面表面積等功能，極大提高礦山環(huán)境調(diào)查的精度、效率。

1 核實地形圖

礦山環(huán)境治理勘查，首先需要一張能夠精確反映礦區(qū)地形地物的地形圖，基于無人機三維攝影技術(shù)形成的三維模型因具有高程及坐標(biāo)信息，可以用來提取高程數(shù)據(jù)，最終形成地形圖，此種方法具有采集效率高、成本低的優(yōu)點，可充分滿足礦山測量要求（石筠，2020），但因采集過程的各種因素可能出現(xiàn)局部地形失真的問題，借助無人機三維模型，可以節(jié)省大量野外驗證的工作。根據(jù)無人機測量生成地形圖的原理，即在三維模型上提取特征高程點，生成三角剖分網(wǎng)生成地形線。驗證地形圖通過利用反向?qū)氲哪Ｊ?，將地形圖導(dǎo)入到三維模型中。準(zhǔn)確的地形線會完全貼合現(xiàn)狀地物表面;不準(zhǔn)確的地形圖一般會有3種錯誤，第一種地形線懸浮于三維模型（北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)總公司，2020）之上（圖1），第二種為地形線穿過三維模型（圖2），第三種錯誤為地形線數(shù)據(jù)突變，折線形狀異常，一般發(fā)生在有植被茂密區(qū)域，為提取高程來自植被高程而非地表高程所致。前兩種錯誤產(chǎn)生的原因為地形高程數(shù)據(jù)提取點少，沒有在相應(yīng)區(qū)域提取高程;筆者使用的是EPS三維測圖系統(tǒng)。

2 現(xiàn)狀地物的識別及圈定

礦山環(huán)境治理中，在勘查核實地形后，要根據(jù)地形地貌特征及治理手段的不同，將礦山現(xiàn)狀地物的渣坡、渣堆、采面等地質(zhì)單元分別圈定，繪制在地形圖中，傳統(tǒng)方法為手持地形圖到礦區(qū)現(xiàn)場，結(jié)合現(xiàn)狀在地形圖中圈定范圍，室內(nèi)再轉(zhuǎn)繪到電子版地形圖中。無人機三維模型具有可視化的地形地物及坐標(biāo)信息，可以簡單的野外踏勘后，利用現(xiàn)狀模型直接室內(nèi)圈定范圍，此方法具有直觀、具體、準(zhǔn)確的效果，見圖3、圖4。通過三維模型可以360°環(huán)繞觀察現(xiàn)狀地物，猶如身臨其境，尤其是對于一些人員無法到達區(qū)域，如高陡采面，邊坡裂隙等，極大提高了礦山勘查工作的效率及安全性。對于小型滑坡、崩塌這兩種地質(zhì)災(zāi)害的災(zāi)前調(diào)查和災(zāi)后評估有較大的適用性，尤其適合北方地區(qū)干旱少雨的氣候，小型崩塌常見，且部分位于較陡峭的巖壁難于實地調(diào)查（張翊超，2019）。陳天博等（2017）針對北京市西南部的霞云嶺鄉(xiāng)附近山區(qū)某處滑坡區(qū)域進行了研究，并采用無人機測量，研究借助ESP工具通過面向?qū)ο蠓椒蓪崿F(xiàn)滑坡信息的自動提取，并對提取出來的滑坡區(qū)域進行了形態(tài)與紋理的分析以及精度評價，其中用戶精度為1.44%、生產(chǎn)者精度為84.65%。這樣的數(shù)據(jù)，較好地證明了他們的滑坡提取方法具有較高的精度與應(yīng)用價值（鄒雨甜等，2018）。

3 制作高精度的剖面圖

礦山環(huán)境勘查中高精度的地形圖及剖面圖對于設(shè)計至關(guān)重要，直接關(guān)系到后期設(shè)計工程的布設(shè)，一般情況下剖面圖繪制有兩種方法，一種為人工利用導(dǎo)線結(jié)合定位設(shè)備現(xiàn)場實測，另外一種則是采用圖切等高線及高程點的方法獲得。兩種剖面圖獲取方法主要依賴原始測量數(shù)據(jù)的精確程度，對于高陡采面邊坡，測量人員難以到達，數(shù)據(jù)獲取一直是一個難點。借助無人機三維模型可以準(zhǔn)確提取高陡采面邊坡的高程數(shù)據(jù)，地形數(shù)據(jù)獲取精確可靠，與之對應(yīng)的圖切剖面數(shù)據(jù)也會更精確。此外受限于地形圖中繪制展示形式，不能反映具有負(fù)地形的地物數(shù)據(jù)，而基于無人機三維模型則可真實地反映存在凹腔的負(fù)地形地物數(shù)據(jù)（圖5a），再通過三維測圖軟件中的圖切剖面功能，可直接生成具有負(fù)地形剖面圖（圖5b），大大提高了剖面圖的準(zhǔn)確性，對于需要填補凹腔或者削坡的邊坡治理設(shè)計作用顯著。

4 制作高精度的立面圖

針對廢棄礦山內(nèi)的裸露巖質(zhì)邊坡，根據(jù)其巖性、坡度、高度、坡面粗糙及起伏程度等基礎(chǔ)要素，常采用生態(tài)袋、厚層基材噴播、植生槽、CBS植生混凝土、臺階法等對邊坡進行生態(tài)修復(fù);為了計算不同治理方式面積及為施工提供指導(dǎo)需要制作立面圖，傳統(tǒng)方法為人工采用導(dǎo)線結(jié)合測距設(shè)備進行量測，此方法效率較低，且存在安全隱患。基于無人機三維模型可實現(xiàn)高精度繪制，極大提高了工作效率，主要工作方法為在軟件立面繪圖模式下繪制地質(zhì)界線，或者其他立體邊界線，軟件會自動按照高程及延展方向記錄水平距離及垂直高程（圖6）。

5 輔助礦山環(huán)境設(shè)計工作

原始的設(shè)計工作主要依據(jù)地形圖，無對應(yīng)地物底圖，一般根據(jù)圖切剖面及地形疏密布置排水溝、擋墻等工程的位置，偶爾會出現(xiàn)不符合現(xiàn)場地物的設(shè)計，如懸崖上種樹，屋頂上修水渠等?；跓o人機三維模型技術(shù)，可實現(xiàn)在三維模型中布置相應(yīng)工程，或者應(yīng)用三維軟件的交互功能，將設(shè)計線導(dǎo)入模型，驗證設(shè)計成果，省去了野外驗證的過程，節(jié)省了人力、物力。此外基于無人機三維模型技術(shù)，可實現(xiàn)不規(guī)則坡面的表面積計算，具體方法為導(dǎo)入需計算區(qū)域的閉合邊線，選擇計算表面積即可，對噴播及掛網(wǎng)等坡面工程量計算尤為實用。需要注意的是，此計算結(jié)果為實際坡面面積，會大于實際掛網(wǎng)面積，統(tǒng)計數(shù)據(jù)時要根據(jù)實際坡面起伏情況適當(dāng)核減，坡面存在凹腔區(qū)域越大，核減量越大。

6 結(jié)論與展望

基于無人機攝影測量技術(shù)形成的三維空間模型，使數(shù)據(jù)變得立體形象，借助EPS等三維工具可實現(xiàn)核實地形數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，識別并圈定各種地裂縫、巖土界線等地物信息，繪制高精度的地形剖面圖、立面圖、工程地質(zhì)圖，計算坡面表面積等礦山地質(zhì)環(huán)境相關(guān)技術(shù)問題。無人機的三維影像技術(shù)極大提高了野外工作效率，降低了野外調(diào)查的風(fēng)險及工作成本，使各種地質(zhì)信息具有高精度可量測性，在礦山環(huán)境治理勘查設(shè)計中具有廣闊的應(yīng)用前景。

雖然無人機三維模型具有較高的精度及可量測性，但該模型基于航拍影像數(shù)據(jù)，因其分辨率高，數(shù)據(jù)量巨大，處理數(shù)據(jù)需要大算力的計算機，在此基礎(chǔ)上生成的三維影像也因此占用空間較大，動輒幾個吉字節(jié)，對硬件存儲空間及傳輸速度提出了更高要求。

參考文獻：

北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)總公司，2020. 北京市門頭溝區(qū)潭柘寺鎮(zhèn)北村（頁巖礦）治理項目：三維模型[R].

陳天博，胡卓瑋，魏錸，等，2017. 無人機遙感數(shù)據(jù)處理與滑坡信息提取[J]. 地球信息科學(xué)學(xué)報，19（5）：692-701.

石筠，2020. 無人機三維攝影技術(shù)在礦山地質(zhì)勘查中的應(yīng)用研究[J]. 世界有色金屬（1）：112.

魏繼壯，王剛，2020. 無人機調(diào)查技術(shù)在礦山生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理工作中的應(yīng)用[J]. 世界有色金屬（2）：31

鄒雨甜，毛凱楠，任紅容，2018. 無人機影像在滑坡地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用[J]. 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新（25）：16-17.

張翊超，于淼，韓建超，2019. 淺談無人機在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查中的應(yīng)用：以四渡河滑坡、大石地崩塌調(diào)查為例[J]. 城市地質(zhì)，14（4）：96-99.