傾斜攝影測量在礦山生態(tài)修復規(guī)劃中的應用

吳啟琛

（1.山東省第一地質礦產勘查院，山東 濟南 250000；2.山東省地礦局索道智能變形監(jiān)測重點實驗室，山東 濟南 250000）

當前，無人機傾斜攝影測量技術的發(fā)展已經達到成熟應用階段，利用傾斜攝影技術完成測量工作，能夠靈活﹑方便地獲得全方位的清晰影像，借助不同的傳感器來采集不同傾斜角度的影像信息，并利用一系列圖像處理算法實現(xiàn)三維實景模型的自動生成，全方面還原所測點的真實原貌。同時，在實景模型基礎上來對地理要素進行采集，從多角度觀察地物信息，使得地物信息更加細致真實，有效節(jié)省了外業(yè)實測的時間。

由此可見，傾斜攝影測量技術已經逐漸成為航測技術應用和研究的熱點，其對礦山生態(tài)修復的驗收﹑評價規(guī)劃等方面有著不可或缺的重要意義。

1 傾斜攝影測量技術原理分析

1.1 傾斜攝影測量技術原理

傾斜攝影測量基于航測線路的前﹑后﹑左﹑右﹑以及正方五個方向進行傾斜拍攝，對物體表面的實際影像數(shù)據(jù)進行精密提取。同時利用航攝和航高的重疊率來顯示清晰的測點物體信息，促進三維建模的進一步形成?；诋斍盁o人機技術迅猛發(fā)展的背景下，傾斜攝影測量技術能夠完成定距定時拍攝﹑自動返航和飛行﹑自定義航線規(guī)劃等操作，且影像精度和效率都相對較高。傾斜攝影測量的流程如下：①首先明確所測點的具體位置，然后收集該區(qū)域的各種數(shù)據(jù)和資料，充分掌握現(xiàn)場實際情況。②制定相應的技術實操標準，根據(jù)所測地區(qū)的各項數(shù)據(jù)指標，對飛行高度﹑航線以及重疊率進行合理規(guī)劃。③采集外業(yè)數(shù)據(jù)要在合適的天氣環(huán)境下進行，特別是布設和測量控點的環(huán)境選取要嚴格按照相關要求來進行，以此才能實現(xiàn)多角度的傾斜影像采集。④處理內業(yè)數(shù)據(jù)，包括影像數(shù)據(jù)的合理導出，影像清晰度等，采取刺點和加密，建立三維實景模型，并對其精度和質量進行查驗，最終形成影像數(shù)字劃線圖[1]。

1.2 線狀(面狀)地物繪制

在二維窗口內利用畫面﹑畫線等工具，和三維礦山模型進行合理對比，繪制面狀或者線狀地物，其中包括：斜坡﹑房屋﹑地類界﹑溝渠以及道路等等。在此過程中，可以開啟捕捉功能以防止線﹑點懸掛，然后分段繪制不同高度和寬度的地物圖像。其中，繪制房屋時通常使用房屋切片﹑五點房﹑自動提取﹑墻面采集等方法，在采用五點房方法進行繪制時，只用按照順序選取其他邊上和第一邊上的兩個點就可以自動生成房屋圖像，圖像生成后就可以按照具體情況擴展﹑修改相應的屬性信息。

1.3 高程點和等高線的采集

采集高程點信息的核心是利用EPS測圖系統(tǒng)在礦山三維模型中來完成自動提取，獲取方式包括面選﹑線選和點選等。如礦山范圍非常廣，就可以采用面選來采集高程點的數(shù)據(jù)，將等高線的差值控制在0.5以內，防止高空線狀地物和電線發(fā)生矛盾。采集等高線信息時，一般是基于高程點的數(shù)據(jù)在地模處理區(qū)域生成三角網(wǎng)并從中獲取等高線信息，且在使用EPS加載實景并進行數(shù)據(jù)采集的過程中，不用佩戴專用立體眼鏡，這就在很大程度上降低了繪圖要求，使得非專業(yè)人員也可實現(xiàn)圖像繪制。

傾斜攝影測量技術可以充分實現(xiàn)三維實景模型的構建，并將其應用于礦山的生態(tài)修復中，特別是繪制大比例礦山地形圖時，能夠根據(jù)具體數(shù)據(jù)來分析繪制的精度。大量結果顯示：利用三維模型所繪制出的礦山地形圖可以充分滿足其生態(tài)修復方面的規(guī)劃需求，同時可以借助三維模型實景的立體測量﹑任意視角等優(yōu)勢來完成地物﹑地形的人機交互內業(yè)繪制，跟傳統(tǒng)地形繪制方法相比較，有效降低了補測﹑調繪等工作量，很大程度上提升了工作效率[2]。

2 傾斜攝影數(shù)據(jù)的生成及精度驗證

2.1 傾斜攝影數(shù)據(jù)的生成

傾斜測量技術一般包含數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)獲取兩項技術：①傾斜攝影數(shù)據(jù)獲?。韩@取該數(shù)據(jù)一般是采用五向飛行的方法來完成傾斜拍攝，圍繞各個角度來攝取地貌﹑地物的傾斜和垂直影像。為了確保傾斜攝影的實際測量精度符合礦山生態(tài)修復規(guī)劃的相關需求，通常需要在航攝范圍內布設五個像控點，像控點的位置要盡量避免物體遮擋，一般情況下，像控點布設得越多，其測量的精度就越準確。②傾斜影像數(shù)據(jù)處理：獲取傾斜攝影數(shù)據(jù)之后，就要對影像質量進行核驗并分析導航相關數(shù)據(jù)，同時還要分析飛行軌跡中的實測數(shù)據(jù)，包括檢查影像色差﹑清晰度以及質量等問題，并將不符合影像質量的數(shù)據(jù)進行刪除，如果多數(shù)不符合，就要按照相關要求重飛。

2.2 傾斜攝影數(shù)據(jù)的精度驗證

分析傾斜攝影測量數(shù)據(jù)的精度，可以在樹林密集區(qū)和平緩區(qū)各選擇15個測點來分析高程和水平精度的誤差。其中，密集覆蓋區(qū)的高程誤差最大達到1.250m，最小為0.530m，實際中間誤差達0.556m。因為DSM的數(shù)據(jù)變化相對較大，所以原本地形和植被覆蓋區(qū)有較大的差異，然而修復礦山生態(tài)的重點在于規(guī)劃植被裸露區(qū)域，所以密集區(qū)的高程精度對項目的影響不大[3]。此外，要想驗證三維模型線劃圖的數(shù)字精度，就要利用RTK技術來布設測區(qū)的控點，選用全站儀采集地物點的高程數(shù)據(jù)和平面坐標，借助EPS軟件來完整生成內業(yè)三維模型，并在模型上獲取相應的高程值和點坐標，最后對各項數(shù)據(jù)進行科學對比以此就能夠得到高程和平面坐標的實際差值，并以此為依據(jù)來對三維模型中的高程和平面點誤差進行判定。

通常傾斜攝影測量的數(shù)據(jù)精度要達到1∶500的測量要求，尤其是測點的高程數(shù)據(jù)和精度要滿足相關要求。再加上植被密集區(qū)通常采用DSM來測量當?shù)氐膶嶋H地物數(shù)據(jù)，其測量的基本數(shù)據(jù)都屬于植被的冠頂數(shù)值，盡管其初始地形和精度兩者有一定的差異，但是可以將地地物類型等直觀﹑系統(tǒng)地展現(xiàn)出來，可以有效確定礦山生態(tài)修復規(guī)劃的覆蓋度和對比植被重建前后的實際效果。

因此，傾斜攝影測量的有效數(shù)據(jù)能夠指導規(guī)劃修復礦山生態(tài)的工作。

3 傾斜攝影數(shù)據(jù)在礦山生態(tài)修復中的運用分析

3.1 三維模型應用分析

三維數(shù)據(jù)的核心是通過離散點來完成地表色彩和高程信息的記載，能夠獲取地表實景信息，然后以三維信息為依據(jù)建立地表模型，以此實現(xiàn)礦區(qū)的三維可視化；利用三維模型能夠量算出地物的實際三維參數(shù)，包括植被覆蓋﹑深坑高度﹑土石方數(shù)據(jù)以及危巖區(qū)域等。同時，在礦山生態(tài)修復規(guī)劃建設中，三維實景模型除了能夠全方位展現(xiàn)礦山的擬修復植被覆蓋情況﹑坡度﹑溝渠道理長度以及環(huán)境概況以外，還可以按照修復規(guī)劃方案完成工程核算和復核，并展現(xiàn)礦區(qū)的廢石清運﹑危巖清理等情況，從而在修復礦山上臺中起到一定的輔助作用，避免因為不合理的工程計算和建設安排導致的一系列問題[6]。

此外，三維實景模型還可以將礦山的地貌高度還原，可以在同一位置以多個角度觀察礦區(qū)的地形地貌，促使礦區(qū)生態(tài)修復工作人員對周邊環(huán)境有一個直觀的了解，從而為礦山修復提供可靠的規(guī)劃建設依據(jù)。無人機傾斜攝影三維建?；玖鞒桃妶D1。

圖1 無人機傾斜攝影三維建?；玖鞒?/p>

3.2 工作效率及方法分析

以往的測量方式包括GPS測量﹑全站儀﹑水準測量等。傳統(tǒng)測量方法投入人工物力較大﹑效率低﹑成本高而且周期長，如果測區(qū)的環(huán)境范圍復雜，還會對實際測量工作帶來一定的影響，導致工期成本進一步提高。傳統(tǒng)測量具體內容涵蓋了高程數(shù)據(jù)﹑距離﹑角度等方面，受環(huán)境和地勢的限制，測量結果大多是二維圖像，對于后期進行礦山生態(tài)修復中分析處理有較大誤差影響，花費的時間精力也相對越多，無法對礦山修復帶來直觀數(shù)據(jù)指導。無人機傾斜攝影測量法與傳統(tǒng)的測量方法相比較，前者具備良好的測量優(yōu)勢：效率高﹑成本低﹑周期短，且能夠很大程度上減少外業(yè)工作量，從而提高測量工作效率。

同一測量范圍內，采用傾斜攝影測量可以將測量時間縮短至五倍，有效降低測量的時間和物力成本。此外，使用傾斜攝影測量技術進行作業(yè)，特別是對于復雜的礦區(qū)環(huán)境時，能夠有效防止部分區(qū)域巖石滾落而產生危險的情況發(fā)生，以此降低安全事故發(fā)生的風險[4]。

3.3 成果對比分析

傳統(tǒng)測量數(shù)據(jù)包括地物屬性和空間信息。通常含有地物注記﹑各區(qū)界限﹑地類界限﹑線狀地物以及等高線等要素。采用傾斜攝影技術生成的結果為多視角圖像﹑三維點云數(shù)據(jù)﹑數(shù)字模型等。因為圖像具備較高的清晰度，因此和傳統(tǒng)測量技術相比，傾斜攝影技術能夠更清晰地繪制出地表和地物的實際輪廓；其與配套軟件結合運用能夠測量出地物的面積﹑坡度﹑高度以及長度等，可以全方位將物體實際情況顯示出來。尤其是DSM能夠清晰地反映出地物的相關數(shù)據(jù)，其中就包含DEM所測之外的高程數(shù)據(jù)，同時還能夠獲取各項冠頂數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)與鄰近地面的相對高程進行對比，就能推算出植被或者其他覆蓋物的實際高度，給后續(xù)生態(tài)修復過程中的各項提供一定的參考；三維數(shù)據(jù)在經過一定的處理后能夠創(chuàng)建三維實景模型，促進礦區(qū)生態(tài)修復實現(xiàn)可視化效果，有效測算出礦區(qū)各地物數(shù)據(jù)，使地物信息通過各種數(shù)據(jù)轉換清晰詳細地反映出來。

因此，傾斜攝影技術的應用成果和傳統(tǒng)技術相比，具有效果直觀﹑內容豐富﹑手段高效等特點，特別是在礦山生態(tài)修復中使用三維模型來進行工程布設，具有較高的使用價值和優(yōu)勢。

3.4 適用效果評價

傾斜攝影可以全面實現(xiàn)礦山地形各項數(shù)據(jù)的精確測量，具備以下幾個應用優(yōu)勢：使用傾斜攝影對研究區(qū)進行測量，能夠從各個角度獲取相應的影像信息，涵蓋了傾斜和垂直兩項攝影測量技術。其中，垂直測量信息主要是與地面進行垂直拍攝所獲取的數(shù)據(jù)；傾斜測量是充分利用四個傾斜方位進行拍攝所獲取的數(shù)據(jù)，全方位影像視角是傾斜攝影技術的優(yōu)勢，其能夠更清晰地識別出地物的實際信息，分辨率較高，且影像的測量范圍相對較廣。特別是對于礦山生態(tài)的修復規(guī)劃而言，測區(qū)的各項數(shù)據(jù)能夠充分展現(xiàn)礦山區(qū)域內的地物形態(tài)，可以完整將礦區(qū)的破壞和開采程度進行擬修復呈現(xiàn)，包括周邊以及區(qū)內植被覆蓋率﹑礦區(qū)道路﹑土源實際堆放區(qū)﹑危巖區(qū)域以及建筑物位置等情況。傾斜攝影除了可以為平衡土石方﹑清理危巖﹑清運廢石等各項工作的布設和測算提供有效途徑以外，還可以給礦山生態(tài)修復規(guī)劃過程中的評價級風險預測帶來更為直觀的數(shù)據(jù)支撐。此外，多角度影像能夠從全方位視角將地物實際情況反映出來，有助于礦山生態(tài)修復的后期規(guī)劃和布設工作順利推進，同時，將影像數(shù)據(jù)和修復方案兩者相結合，并將礦山修復后的效果清晰展現(xiàn)出來，能夠給后期修復工作提供有效的輔助，還能夠給其修復效果提供相應的數(shù)據(jù)支撐[5]。

4 結語

在測量礦山地形全方面數(shù)據(jù)信息時，尤其是在地形地貌復雜且地表破碎的情況下，利用傾斜攝影技術有著顯著的測量優(yōu)勢，不僅可以生成高精度三維實景模型，還能夠獲得全方位的數(shù)字成果。相比之下其測算果具有較高的精度﹑類型相對豐富，可以對傳統(tǒng)測量的缺陷進行有效改善。總而言之，無人機傾斜拍攝測量能夠在很大程度上滿足礦山的生態(tài)修復要求，具備一定的可行性。盡管其在天氣條件﹑地表植被方面還會受到一定的影響，但是其具備的優(yōu)勢已經被廣泛應用于地理監(jiān)測﹑空間規(guī)劃﹑文物保護﹑生態(tài)修復以及地形測繪等多領域，而且伴隨著科技的飛速發(fā)展以及無人機技術的應用推廣，傾斜測量技術將會被廣泛應用于更多領域之中。