基于傾斜攝影測(cè)量的礦山生態(tài)修復(fù)規(guī)劃應(yīng)用

孫麗紅，朱大明，李勇發(fā)，熊鵬

(昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

1 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，歷史遺留的廢棄礦山逐年增多，環(huán)境問(wèn)題不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)手段無(wú)法解決礦山修復(fù)治理問(wèn)題。廢棄礦山生態(tài)修復(fù)主要來(lái)源于發(fā)達(dá)國(guó)家修復(fù)生態(tài)學(xué)的發(fā)展[1]；近年來(lái)，隨著傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和無(wú)人機(jī)的快速成熟應(yīng)用，基于無(wú)人機(jī)技術(shù)的傾斜航空攝影測(cè)量，可以方便、靈活地獲取多角度高分辨影像，快速自動(dòng)地生成實(shí)景三維模型[2，3]，并可以在室內(nèi)基于實(shí)景三維模型進(jìn)行地理要素采集，替代了外業(yè)實(shí)測(cè)，節(jié)省了時(shí)間，由于無(wú)人機(jī)具有操作靈活、高效快速、低使用成本的特點(diǎn)，已發(fā)展成為重要的航測(cè)遙感平臺(tái)[4，5]，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)也隨之成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)[6，7]。利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對(duì)礦山生態(tài)修復(fù)規(guī)劃進(jìn)行科學(xué)合理的評(píng)價(jià)、復(fù)核、驗(yàn)收已具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)用于補(bǔ)充傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量，也是礦山工程規(guī)劃中的重要技術(shù)組成部分[8]。可以實(shí)現(xiàn)高精度、高效率、高還原度的地物三維建模工作，此項(xiàng)技術(shù)正是在高陡邊坡地質(zhì)調(diào)查工作中的關(guān)鍵[9]，主要利用了無(wú)人機(jī)拍攝畫(huà)面清晰的特點(diǎn)。礦山多分布于偏僻的山地區(qū)域，地勢(shì)崎嶇、自然環(huán)境惡劣，致使傳統(tǒng)的地形勘察與建設(shè)規(guī)劃方式存在難度大、周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)；而無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量模式正好能彌補(bǔ)此類(lèi)缺陷，有效提高工作效率[10～12]。此外，在礦山復(fù)雜的山地環(huán)境下，無(wú)人機(jī)作業(yè)能避免野外工作人員攀爬危險(xiǎn)的高陡山坡區(qū)域，減少工作安全事故風(fēng)險(xiǎn)[13]。基于此，本文以云南省祿勸縣露天廢棄礦山生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目為例，在驗(yàn)證無(wú)人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)精度的基礎(chǔ)上，對(duì)比傳統(tǒng)測(cè)量的工作效率及方法，分析不同成果的優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合項(xiàng)目針對(duì)傾斜攝影測(cè)量成果開(kāi)展適用效果評(píng)價(jià)分析，探索無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在礦山生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域的適用性。

2 研究區(qū)概況

項(xiàng)目區(qū)位于祿勸縣，共有16個(gè)圖斑，涉及4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。實(shí)施方案按照“工程治理、綠化修復(fù)、自然修復(fù)”三種生態(tài)修復(fù)方式開(kāi)展綜合治理工作?？紤]圖斑較分散，為了更好地展現(xiàn)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在該方案中的運(yùn)用，從礦山測(cè)量及修復(fù)治理出發(fā)，選取以工程治理為主的圖斑作為研究區(qū)。研究區(qū)位于祿勸縣湯郎鄉(xiāng)湯郎村委會(huì)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)102°17′26″～102°17′48″，北緯26°12′46″～26°13′36″，處于兩省三縣交界處，面積為 19.22 ha。本文以工程治理圖斑為研究區(qū)，討論傾斜攝影測(cè)量技術(shù)及三維立體模型在礦山生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景。

3 傾斜攝影數(shù)據(jù)的生成及精度驗(yàn)證

3.1 傾斜攝影數(shù)據(jù)的生成

傾斜攝影技術(shù)主要內(nèi)容包括傾斜影像數(shù)據(jù)獲取技術(shù)和傾斜影像數(shù)據(jù)處理技術(shù)[14，15]。

(1)傾斜影像數(shù)據(jù)獲取

傾斜影像數(shù)據(jù)獲取采用五向飛行法傾斜拍攝，并從各個(gè)角度獲取地物、地貌的垂直和傾斜影像以及位置信息，如圖1所示。

圖1 同一地物的正片與斜片

為保障無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量成果與工程治理圖斑坐標(biāo)系統(tǒng)一，使成果數(shù)據(jù)精度滿(mǎn)足生態(tài)修復(fù)規(guī)劃的需求，在航攝區(qū)域內(nèi)人工布設(shè)5個(gè)像控點(diǎn)，形狀為長(zhǎng)約 1 m，寬約 0.10 m的十字形，其像控點(diǎn)坐標(biāo)及精度信息如表1所示：

像控點(diǎn)坐標(biāo)及精度信息表 表1

(2)傾斜影像數(shù)據(jù)處理

本項(xiàng)目通過(guò)Context Capture Master圖像處理軟件全自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)航攝數(shù)據(jù)生成，其最終成果包含不同視角的影像數(shù)據(jù)、三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)(S3C)，數(shù)字地表模型(OSGB)。

3.2 傾斜攝影數(shù)據(jù)的精度驗(yàn)證

擬沿研究圖斑區(qū)域采用GPS-RTK測(cè)量方法進(jìn)行地形測(cè)量，實(shí)測(cè)300個(gè)點(diǎn)，范圍約 0.47 km2，與無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量成果提取出的數(shù)據(jù)進(jìn)行精度分析。另外在視野開(kāi)闊的平緩區(qū)域及較密集的樹(shù)林覆蓋區(qū)各選取15個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行水平精度及高程精度誤差分析，如圖2所示。

在較密集的樹(shù)林覆蓋區(qū)增選的15個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)，高程最大誤差達(dá) 1.250 m，最小誤差為 0.520 m，中誤差為 0.885 m，由于DSM數(shù)據(jù)在高程上的精度變化較大，植被較密集區(qū)域與原始地形存在一定的差異，但礦山生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目重點(diǎn)是對(duì)植被破壞嚴(yán)重的裸露區(qū)域進(jìn)行規(guī)劃，故在較密集的樹(shù)林覆蓋區(qū)高程精度差異對(duì)項(xiàng)目的規(guī)劃影響較小。表2為樣本數(shù)據(jù)誤差分析。

圖2 研究區(qū)實(shí)測(cè)點(diǎn)、驗(yàn)證點(diǎn)分布圖

樣本數(shù)據(jù)誤差分析表 表2

由表2可知，此次無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)水平精度滿(mǎn)足 1∶500比例尺數(shù)字航空攝影測(cè)量測(cè)圖規(guī)范和基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果的要求；在高程數(shù)據(jù)上，地表出露區(qū)域精度能滿(mǎn)足要求，較密集的樹(shù)林覆蓋區(qū)由于DSM用于反映地物覆蓋情況，所讀取的數(shù)據(jù)通常為覆蓋物的冠頂數(shù)值，雖然精度與原始地形有一定差異，但直觀(guān)上更能反映地表的現(xiàn)狀，對(duì)于植被來(lái)說(shuō)可以反映植被覆蓋度，對(duì)礦山生態(tài)修復(fù)規(guī)劃中植被覆蓋度的確定及植被重建后所能到達(dá)的效果起到較明顯的參考對(duì)比作用。故傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)成果可以用于指導(dǎo)礦山生態(tài)修復(fù)規(guī)劃運(yùn)用。

4 傾斜攝影數(shù)據(jù)運(yùn)用分析

根據(jù)研究區(qū)樣本數(shù)據(jù)的獲取及精度驗(yàn)證分析可知，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)獲取的廢棄礦山地形數(shù)據(jù)可信度高，操作性強(qiáng)。鑒于上述成果，本文從工作效率及方法、成果對(duì)比及適用效果等方面對(duì)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)及三維立體模型在礦山生態(tài)修復(fù)的適用性及效果開(kāi)展如下分析：

4.1 工作效率及方法分析

傳統(tǒng)測(cè)量方法主要有水準(zhǔn)測(cè)量、全站儀測(cè)量及GPS測(cè)量法。這些測(cè)量方法一般通過(guò)人工使用GPS-RTK、全站儀等設(shè)備野外采集數(shù)據(jù)，室內(nèi)處理后加工而成。傳統(tǒng)的作業(yè)方式，周期長(zhǎng)、成本高、效率低、人工物力投入大，當(dāng)測(cè)區(qū)范圍較大，測(cè)區(qū)環(huán)境復(fù)雜時(shí)，將影響工作進(jìn)度，使工期成本提高。傳統(tǒng)測(cè)量工作主要包括角度、距離及高程等測(cè)量工作，受地形及環(huán)境的影響較大，成果多為二維地形圖，后期礦山生態(tài)修復(fù)中涉及土方平衡、石方平衡、危巖清理量及工程布設(shè)等分析中誤差較大、花時(shí)較多，不能直觀(guān)地指導(dǎo)礦山修復(fù)。工作時(shí)間是權(quán)衡工作效率的重要指標(biāo)，勞動(dòng)強(qiáng)度投入可以側(cè)面反映成本盈利的情況，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量方法與無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量方法在工作時(shí)間及方法上的比較，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量方法具有較強(qiáng)的操作優(yōu)勢(shì)，外業(yè)周期短、成本低、效率高，使得外業(yè)工作量大幅減少，進(jìn)而提高工作效率。以祿勸縣工程治理圖斑測(cè)區(qū)范圍的測(cè)量工作為例，換算在同一任務(wù)范圍內(nèi)，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量工作相比傳統(tǒng)測(cè)量工作所花費(fèi)的時(shí)間極大地減少，減少了約5倍的工作時(shí)間，降低了項(xiàng)目的時(shí)間成本；另外，用無(wú)人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量工作，在礦區(qū)環(huán)境復(fù)雜的情況下，可以避免外業(yè)人員攀爬高陡山坡區(qū)域，避開(kāi)松散巖石滾落的危險(xiǎn)，進(jìn)而減少工作安全事故風(fēng)險(xiǎn)。具體如表3所示。

不同測(cè)量方法時(shí)間對(duì)比表 表3

4.2 成果對(duì)比分析

傳統(tǒng)測(cè)量方法主要成果為數(shù)字線(xiàn)化地圖(DLG)，包括空間信息和屬性信息。一般含有等高線(xiàn)、線(xiàn)狀地物、地類(lèi)界線(xiàn)、行政區(qū)界線(xiàn)以及地物注記等地物要素。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量主要成果為不同視角的影像數(shù)據(jù)(包括正射影像DOM及傾斜影像)、數(shù)字地表模型(DSM)以及三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)等。由于正射影像DOM具有很高清晰度，相比傳統(tǒng)測(cè)量地物輪廓點(diǎn)的方式，可以在影像成果的基礎(chǔ)上更高效地勾繪地表地物輪廓；傾斜影像結(jié)合配套軟件可以實(shí)現(xiàn)地物的長(zhǎng)度、高度、坡度、角度及面積等量測(cè)功能，從不同方位反映物體的形狀和大小。DSM數(shù)據(jù)最能真實(shí)反映地表情況，涵蓋了DEM數(shù)據(jù)以外的地表高程信息，可以獲取地表覆蓋物的冠頂高程，從而與相鄰地面高程做對(duì)比，可以推算出覆蓋物的高度，為后期規(guī)劃選種或定規(guī)格提供參考；三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理可以生成三維模型，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)的三維可視化，模型中的地物可以直接進(jìn)行測(cè)算，更詳細(xì)便捷地反映地物特征。因此，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量成果相比傳統(tǒng)測(cè)量的成果數(shù)據(jù)獲取手段更高效、內(nèi)容更豐富，效果更直觀(guān)，特別是三維模型對(duì)礦山生態(tài)修復(fù)工程布設(shè)及效果展示具有較明顯的優(yōu)勢(shì)。

4.3 適用效果評(píng)價(jià)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量成果數(shù)據(jù)除了能精確表現(xiàn)廢棄礦山地形條件優(yōu)勢(shì)外，還具備以下適用優(yōu)勢(shì)。以祿勸縣工程治理圖斑范圍的測(cè)量成果運(yùn)用為例。

通過(guò)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量，獲得了研究區(qū)的多視角影像數(shù)據(jù)，包括垂直影像和傾斜影像數(shù)據(jù)。垂直影像數(shù)據(jù)是與地面垂直拍攝所得的影像；傾斜影像數(shù)據(jù)是從不同的四個(gè)方位，一定的傾斜角拍攝而得的影像。多視角的影像是無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量成果中的特色，它可以更為詳盡地獲取地物側(cè)面信息，具有較高的分辨率，且影像覆蓋范圍廣。此次飛行的地面分辨率在 0.04 m～0.05 m之間，針對(duì)礦山生態(tài)修復(fù)的規(guī)劃需求而言，研究區(qū)數(shù)據(jù)可以詳細(xì)展現(xiàn)礦區(qū)內(nèi)的地表地物，能夠清晰呈現(xiàn)擬修復(fù)礦區(qū)的開(kāi)采程度及破壞情況，包括遺留廢石的分布情況、區(qū)內(nèi)建構(gòu)筑物位置、危巖分布區(qū)域、土源堆放區(qū)域、礦區(qū)道路現(xiàn)狀情況、區(qū)內(nèi)及周邊植被覆蓋情況等。其不僅為廢石清運(yùn)、危巖清理及土石方平衡分析的量算與工程布設(shè)提供有效途徑，也為礦山生態(tài)修復(fù)過(guò)程中安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)提供直觀(guān)的信息支撐。除此之外，由于多視角影像可以從不同方位反映地表的真實(shí)情況，有利于指導(dǎo)礦山生態(tài)修復(fù)工程的布及后期的施工。同時(shí)也可將實(shí)施方案的規(guī)劃設(shè)計(jì)與影像疊加，清晰明了地呈現(xiàn)礦山生態(tài)修復(fù)后的效果，有效輔助各大工程的實(shí)施，也為礦山后期生態(tài)修復(fù)效果評(píng)估提供了依據(jù)，如圖3所示。

三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)是通過(guò)離散點(diǎn)來(lái)記載地物的高程信息和地表色彩，可獲得地物的三維信息，以此進(jìn)行三維地表建模，從而實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目區(qū)的三維可視化；通過(guò)三維模型可以進(jìn)行地物三維參數(shù)的量算，包括危巖松散區(qū)域、土石方堆積體、深坑高度以及植被覆蓋度反演等。對(duì)于礦山生態(tài)修復(fù)規(guī)劃設(shè)計(jì)而言，實(shí)景的三維模型不僅可以從整體上展現(xiàn)廢棄礦山擬修復(fù)的環(huán)境概況、道路溝渠長(zhǎng)度、邊坡坡度及植被覆蓋情況等重要信息，而且還能根據(jù)工程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行工程量的核算、實(shí)施三維復(fù)核，對(duì)項(xiàng)目區(qū)危巖清理及廢石清運(yùn)等相關(guān)狀況進(jìn)行客觀(guān)展現(xiàn)，以此輔助礦山生態(tài)修復(fù)防治工程中的安全建設(shè)，規(guī)避不合理的建設(shè)安排及工程量計(jì)算。以祿勸縣工程治理圖斑為例，根據(jù)三維模型核算擬生態(tài)修復(fù)區(qū)域的危巖清理、土源、建構(gòu)筑物拆除及廢石清運(yùn)量。具體如圖4所示。

圖3 廢棄礦山生態(tài)修復(fù)規(guī)劃設(shè)計(jì)圖

圖4 三維工程量核算圖

5 結(jié) 論

在分析無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量獲取數(shù)據(jù)的過(guò)程及精度驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，通過(guò)與傳統(tǒng)測(cè)量在工作效率及方法、成果數(shù)據(jù)等方面進(jìn)行比較，開(kāi)展無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量成果在礦山生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域的適用效果評(píng)價(jià)分析，得出五點(diǎn)結(jié)論。

(1)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量成果精度上滿(mǎn)足廢棄礦山生態(tài)修復(fù)規(guī)劃設(shè)計(jì)的需求，能夠指導(dǎo)該領(lǐng)域具體工作。

(2)廢棄礦山通常開(kāi)采已完畢或已關(guān)停，礦區(qū)內(nèi)環(huán)境復(fù)雜且惡劣，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量受地形環(huán)境限制小，機(jī)動(dòng)靈活性高，能有效避開(kāi)復(fù)雜地形，規(guī)避作業(yè)盲區(qū)及高陡邊坡測(cè)量時(shí)攀爬及危石滾落的風(fēng)險(xiǎn)，工作效率及安全性遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)測(cè)量。

(3)DSM數(shù)據(jù)能更真實(shí)地記錄及反映地表實(shí)際狀況，廢棄礦山內(nèi)部植被覆蓋較低，可通過(guò)周邊植被覆蓋度反演廢棄礦山生態(tài)修復(fù)后能到達(dá)的植被覆蓋度。為礦山生態(tài)修復(fù)植被重建工程方案提供了依據(jù)。

(4)高分辨率的多視角影像能從不同方位清晰展現(xiàn)廢棄礦山擬修復(fù)區(qū)域以及周邊的地物信息，極大方便礦山生態(tài)修復(fù)中工程布設(shè)的安排及建設(shè)，也方便當(dāng)?shù)卣畬?shí)時(shí)掌握礦山修復(fù)工程布設(shè)的內(nèi)容及后期監(jiān)測(cè)管理計(jì)劃的制訂。

(5)由無(wú)人機(jī)三維點(diǎn)云構(gòu)建的三維模型適用于礦山生態(tài)修復(fù)過(guò)程中危巖清理及廢石清運(yùn)區(qū)域的三維展示，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的堆積及清運(yùn)方量核算，若后期對(duì)礦區(qū)進(jìn)行多期傾斜攝影測(cè)量工作，可動(dòng)態(tài)演示廢棄礦山生態(tài)修復(fù)中工程建設(shè)進(jìn)度及礦山的復(fù)綠效果，能有效輔助礦山生態(tài)修復(fù)效果的評(píng)價(jià)及驗(yàn)收。

總之，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)于廢棄礦山的生態(tài)修復(fù)工作具有較大的現(xiàn)實(shí)意義，基于該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，該技術(shù)未來(lái)市場(chǎng)前景廣闊，在礦山生態(tài)修復(fù)中還有巨大的利用價(jià)值和開(kāi)發(fā)空間。