基于CESIUM的露天礦山實(shí)景三維智能 監(jiān)管技術(shù)研究

王金娜，焦學(xué)軍，宋會(huì)傳，高彥濤，汪永新

（1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測(cè)繪地理信息院，河南 鄭州 450000 ； 2.河南省天空地遙感智能監(jiān)測(cè)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450000；3.河南省自然資源天空地遙感智能監(jiān)測(cè)研究科技創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450000）

為履行自然資源部門“兩統(tǒng)一”職責(zé)，構(gòu)建自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)體系，依法組織開展自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)，查清工作區(qū)各類自然資源家底和變化情況，逐步實(shí)現(xiàn)山水林田湖草的整體保護(hù)、系統(tǒng)修復(fù)和綜合治理，保障生態(tài)安全，加快生態(tài)文明建設(shè)提供基礎(chǔ)支撐，推動(dòng)河南省經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展提供服務(wù)保障[1-2]。本文依托CESIUM技術(shù)，利用接收的季度影像變化信息，根據(jù)監(jiān)測(cè)監(jiān)管需求，對(duì)全省范圍露天礦山、生產(chǎn)礦山、政策關(guān)閉礦山、到期關(guān)閉礦山等礦山開采區(qū)，工程活動(dòng)區(qū)，自然資源保護(hù)地內(nèi)的地形地貌景觀破壞、土地資源損毀、恢復(fù)治理等問題進(jìn)行深度解譯，輔助“互聯(lián)網(wǎng)+”實(shí)地核查，反復(fù)完善室內(nèi)解譯成果，最終形成基本準(zhǔn)確的詳細(xì)遙感解譯成果，按照統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，將變化信息整理為季度監(jiān)測(cè)圖斑后，與省國土資源電子政務(wù)中心推送的“一張圖”等相關(guān)管理數(shù)據(jù)進(jìn)行比照分析，形成初步分析評(píng)價(jià)結(jié)果，確定監(jiān)測(cè)預(yù)警信息，為自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)，查清工作區(qū)各類自然資源家底和變化情況提供重要的依據(jù)，為其他省份做類似工作提供參考。

1 CESIUM開源三維技術(shù)

CESIUM是一個(gè)跨平臺(tái)、跨瀏覽器的展示三維地球和地圖的、基于Apache2.0許可的開源程序，使用WebGL來進(jìn)行硬件加速圖形，不需要任何插件支持。瀏覽器必須支持WebGL，支持2D，2.5D，3D形式的地圖展示，可以為繪制動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)可視化提供良好的觸摸支持，支持絕大多數(shù)的瀏覽器和mobile，支持基于時(shí)間軸的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)展示和多種瀏覽器，IE，chrome， 火狐等，可以免費(fèi)用于商業(yè)和非商業(yè)用途，目前最新版本的Cesium版本為4.8。WebGL 的出現(xiàn)使得在瀏覽器上面實(shí)現(xiàn)顯示3D圖像成為可能，WebGL本質(zhì)是基于光柵化的API，而不是基于 3D 的API[3-5]。WebGL只關(guān)注兩個(gè)方面，即投影矩陣的坐標(biāo)和投影矩陣的顏色，主要實(shí)現(xiàn)具有投影矩陣坐標(biāo)和顏色的WebGL對(duì)象。頂點(diǎn)著色器可以提供投影矩陣的坐標(biāo)，片段著色器可以提供投影矩陣的顏色，其投影矩陣的坐標(biāo)范圍始終是從-1到1。WebGL使得它能夠直接與圖形處理單位（GPU）進(jìn)行通信，向GPU輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形繪制，充分利用顯卡，渲染W(wǎng)eb Browser 展示的3D場(chǎng)景和模型，WebGL為HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染[6-7]。因此，CESIUM具有強(qiáng)大的GIS功能，并且具有較高可擴(kuò)展性的三維開發(fā)框架。

2 實(shí)景三維監(jiān)管技術(shù)流程

2.1 準(zhǔn)備工作

收集河南省范圍內(nèi)露天礦山高分衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，利用礦區(qū)高分辨衛(wèi)星影像并結(jié)合外業(yè)實(shí)地勘查，建立礦區(qū)遙感解譯標(biāo)志體系。研究基于海量遙感影像、深度學(xué)習(xí)算法，并配合大規(guī)模云計(jì)算能力，構(gòu)建集基礎(chǔ)算力、樣本訓(xùn)練、影像解譯一體化的高精準(zhǔn)，快響應(yīng)，自動(dòng)化的影像智能解譯方案。將礦區(qū)解譯成果入庫，構(gòu)建礦區(qū)基礎(chǔ)地理信息庫。利用無人機(jī)搭載多鏡頭、激光雷達(dá)等設(shè)備對(duì)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)礦區(qū)進(jìn)行多期實(shí)景三維數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、DOM、DEM數(shù)據(jù)采集制作，強(qiáng)化對(duì)重點(diǎn)礦區(qū)開采活動(dòng)、開采量情況監(jiān)測(cè)。研發(fā)管理礦區(qū)各類二、三維地理數(shù)據(jù)的智能平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)地理信息數(shù)據(jù)的綜合管理、分析及利用。

2.2 技術(shù)路線

將高分衛(wèi)星影像、無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量、實(shí)景三維模型及激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)采集手段進(jìn)行綜合使用，同時(shí)結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)對(duì)全省露天礦山海量遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)要素的自動(dòng)化智能解譯，最后再研發(fā)管理礦區(qū)各類數(shù)據(jù)的實(shí)景三維管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全省露天礦山的信息化、智能化監(jiān)管，技術(shù)路線見圖1。

圖1 技術(shù)路線圖

2.3 工藝方法

采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)法，布設(shè)航線，逐條航線布設(shè)平高像片控制點(diǎn)的原則進(jìn)行布點(diǎn)。利用河南省CORS系統(tǒng)，采用RTK測(cè)量模式快速靜態(tài)方式施測(cè)。采用無人機(jī)搭載進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量，并用專業(yè)軟件完成航測(cè)的后期GIS數(shù)據(jù)處理，生成實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)和正射影像數(shù)據(jù)及DEM數(shù)據(jù),通過雙屏模式同時(shí)加載實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)和正射影像數(shù)據(jù)，二三維聯(lián)動(dòng)一體化進(jìn)行地形圖測(cè)繪生成DLG[8]。

3 礦山核查與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

基于實(shí)景三維的露天礦山智能監(jiān)管示范研究項(xiàng)目情況，將露天礦山智能監(jiān)管平臺(tái)劃分為10個(gè)主要部分，每個(gè)部分有各自的功能模塊。系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

3.1 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理提供系統(tǒng)的常用操作，包括用戶管理、數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)恢復(fù)和系統(tǒng)日志。系統(tǒng)管理通過角色分配、權(quán)限管理，實(shí)現(xiàn)差異化的前臺(tái)瀏覽機(jī)制。提供日常的數(shù)據(jù)維護(hù)功能和數(shù)據(jù)字典設(shè)置功能。

3.2 礦山圖層管理

系統(tǒng)底圖基于遙感影像、DEM數(shù)據(jù)構(gòu)建三維地表模型，可疊加不同時(shí)期的矢量數(shù)據(jù)、傾斜攝影數(shù)據(jù)；傾斜圖層是系統(tǒng)的核心圖層，數(shù)據(jù)量大，系統(tǒng)采用模型庫遍歷加載所有的露天礦山模型，并根據(jù)選擇框切換顯隱，如圖3所示。

圖3 礦山圖層管理

3.3 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析設(shè)計(jì)

3.3.1 礦山超采分析

根據(jù)采礦證范圍中限采的最低與最高高程，采用綠色棱柱表示允許開采的范圍，紅色棱柱表示禁止開采的范圍。二者共同生成開采控制柱狀體，并與傾斜模型進(jìn)行疊加，根據(jù)視覺效果，從頂部看顯示綠色表示沒有超過開采范圍，如果出現(xiàn)紅色區(qū)域表示存在超采，其中超層開采的面積就是紅色區(qū)域的面積。超采體積就是紅色區(qū)域圈定的傾斜模型表面高程對(duì)于紅色棱柱頂面高差的積分。如圖4所示。

圖4 開采控制柱狀體

3.3.2 礦山核查分析

系統(tǒng)接收加載礦山人員機(jī)械活動(dòng)位置信息，并顯示標(biāo)識(shí)在礦山三維模型中，以核查礦山開采活動(dòng)的位置、范圍，對(duì)礦山的開采活動(dòng)進(jìn)行定位、定期、定量核查監(jiān)測(cè)。信息采用三維坐標(biāo)實(shí)時(shí)導(dǎo)入，生成點(diǎn)線面圖，并與露天礦山模型，采礦證模型進(jìn)行三維空間疊加分析，算法如下：

3.3.3 空間分析

如果用戶對(duì)場(chǎng)景不熟悉，要瀏覽某個(gè)指定模型可能要花費(fèi)很多時(shí)間，定位功能可方便用戶快速查找定位到想要瀏覽的模型，可進(jìn)行空間分析，算法如下：

4 結(jié) 語

本文介紹了露天礦山監(jiān)管的目的和意義，分析了CESIUM開源三維技術(shù)，基于CESIUM設(shè)計(jì)了一套實(shí)景三維監(jiān)管技術(shù)流程，針對(duì)礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的礦山圖層管理，礦山超采，礦山核查、礦山空間進(jìn)行了算法分析，并建立了一套礦山核查動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使得露天礦山監(jiān)管更加直觀、形象，為露天礦山生態(tài)恢復(fù)、地質(zhì)環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害動(dòng)態(tài)智能監(jiān)管提供技術(shù)示范，為決策者提供全方位、立體化、動(dòng)態(tài)化的露天礦山綜合監(jiān)管。