空-地融合掃描技術在礦山生態(tài)修復中的應用

于立民 楊晶晶

（河北省地質礦產勘查開發(fā)局第二地質大隊（河北省礦山環(huán)境修復治理技術中心），河北 唐山 063000）

隨著我國生態(tài)文明建設的不斷發(fā)展，礦山生態(tài)修復治理達到了前所未有的高度。由于對礦山資源的開采和利用不合理，嚴重破壞了生態(tài)環(huán)境。尤其對露天礦山的開采，造成高陡邊坡、危巖破碎邊坡等復雜地形，存在崩塌、滑坡很多地質災害隱患，野外調查人員無法近距離測量和調查。隨著高新科技的出現(xiàn)，三維激光掃描和無人機航攝獨特的優(yōu)勢，被行業(yè)人士廣泛應用，也成為礦山生態(tài)修復治理工作的高效技術手段。

國內外有許多學者針對三維激光掃描或傾斜攝影測量單一技術在測繪領域做了大量的研究，取得了一定的成效。例如張開坤應用地面三維激光掃描儀在城市住宅區(qū)域進行大比例尺地形圖測量；曹正響將傾斜攝影與地面激光掃描技術融合起來構建三維建模應用于建筑物房頂的研究；黃宣東利用單一無人機傾斜攝影技術對礦山進行生態(tài)修復治理。然而將三維激光掃描和傾斜攝影測量技術兩者融合起來，在礦山生態(tài)修復治理中的應用研究則相對較少。

因此該文以唐山市某露天礦山為研究試驗區(qū)，利用三維激光掃描和傾斜攝影測量融合技術，對其進行三維重建，獲得露天礦山三維實景模型和三維激光點云，將其成果應用于生態(tài)修復工作。

1 基本技術思路

三維激光掃描儀可以對測區(qū)進行360°全景掃描，并且點云精度高，真實還原地形現(xiàn)狀。對地形復雜、地形起伏變化程度大的礦山，由于無人機作業(yè)模式的限制，采用單一的無人機傾斜攝影測量技術進行三維重建時，容易造成三維模型產生紋理缺失、模糊、空洞問題，且采集到的點云數據精度相對較低；因此采用三維激光點云與無人機傾斜攝影進行融合建模，取長補短，彌補了常規(guī)單一數據源的不足，提高了模型成果質量和精度。

該文研究區(qū)為地形條件復雜的露天礦山，采用Trimble SX10三維掃描儀對露天礦山進行遠距離掃描，獲得三維點云數據，應用無人機系統(tǒng)對研究區(qū)進行東、南、西、北、及頂部五個方位的低空數據采集，經過Smart3D平臺處理得到空三結果，將三維點云與空三結果融合處理，得到三維實景融合模型，可以精準高效地用于礦山地形圖繪制以及后續(xù)礦山生態(tài)修復規(guī)劃工作。技術路線圖如圖1所示。

圖1 技術路線圖

2 研究實施過程

2.1 地面三維激光掃描

該研究區(qū)采用Trimble SX10三維掃描儀，可提供600m掃描測程，360度全域掃描，達到1mm高精度的掃描效果并具有全站儀和高清影像儀的功能。通過定向方式架站后，可實現(xiàn)站與站之間的點云自動拼接，拼接后的精度為定向精度。根據礦山地形起伏現(xiàn)狀，將該設備放置研究區(qū)合適的位置（圖2）。

圖2 三維掃描現(xiàn)場圖

將照相機調節(jié)到合適的曝光度，開始工作后，先自動拍照1min，并自動存儲照片和點云數據，每站掃描時間大概3min完成，再將其換到下一站，繼續(xù)進行掃描工作。

在進行三維掃描作業(yè)時，由于人、車流以及不可避免的外界因素會對掃描結果數據產生干擾，為提高數據的準確性，需要對原始數據進行點云預處理。點云預處理直接影響到三維點云的精度，不少學者對點云預處理方法做了大量研究，大概分為數學形態(tài)學、基于先驗信息、基于坡度和半自動的濾波方法。這幾種方法有各自的適應范圍和局限性，根據三維激光掃描對象所特有的結構，選擇半自動濾波方法。首先統(tǒng)計點云數據的范圍值，然后再設定閾值，將懸空的噪聲點、人以及障礙物遮擋所產生的離群點加以剔除（圖3）；不能自動剔除的噪點需要手動建立圍柵，加以剔除。

圖3 去噪過程圖

基于多判別參數為基礎的點云特征提取算法，確定特征判別參數和特征閾值，提取出點云特征點。對點云進行基于八叉樹的K-means聚類操作，將礦山地形地貌數據分成植被與非植被，然后在不包括特征點的聚類中以距離聚類中心最近的數據點代替整個聚類，保證點云完整的同時達到抽稀的目的，在此基礎上剔除地表覆蓋的植被。

2.2 傾斜攝影建模

該研究區(qū)采用飛馬無人機對露天礦山進行航拍，航拍技術參數見表1。為保證傾斜攝影測量成果與研究區(qū)的坐標系一致，需要對研究區(qū)布設控制點，像控點形狀為“L”形，檢查點為十字型。

表1 傾斜攝影測量主要技術參數

原始數據合格后，進行數據預處理，包括影像勻色、POS數據坐標轉換等。運用ContextCapture平臺對預處理后的數據進行集群計算處理，基于嚴格的光束法區(qū)域網平差解算模型，通過計算導入的控制點和判刺的控制點之間的偏差，統(tǒng)計點位殘差，進行嚴格的空三加密處理。空三處理結束后，查看空三解算結果。該試驗空三精度滿足生產的質量要求。

2.3 融合建模

將三維激光點云轉成*.las格式，在ContextCapture平臺中，選擇 pointcloud模式，參數設置成靜態(tài)三維激光掃描數據并轉換成統(tǒng)一坐標系，確保三維點云與空三成果正確套合，并運行項目重建模塊，在此基礎上構建三角網并自動映射紋理，最終生成高精度三維實景模型。在研究區(qū)選取7個特征點，將實測控制點添加到三維模型中，并將兩者進行比較，結果見表2。

表2 檢核點平面與高程誤差（單位：m）

中誤差是評價研究區(qū)三維模型的水平精度和垂直精度的有效指標。利用中誤差公式計算該研究區(qū)的平面的中誤差為1.88cm和高程中誤差為1.67cm。精度符合《三維地理信息模型數據產品規(guī)范》（CH/Z 9015-2012）。且三維模型紋理、色彩和質量更加優(yōu)化（圖4和圖5）。

圖4 融合后模型近景圖（一）

圖5 融合后模型遠景圖（二）

3 應用分析

礦山生態(tài)修復治理是踐行綠色發(fā)展的體現(xiàn)。涉及土地復墾、高陡邊坡精準防治、地形地貌治理等?；谌S激光掃描和傾斜攝影測量融合技術獲取的實景三維模型、三維點云數據、正射影像，可快速提取生態(tài)修復關鍵要素，為礦山生態(tài)修復規(guī)劃設計工作提供數據支撐。

3.1 復墾設計應用分析

該文將礦區(qū)DOM和三維模型導入EPS軟件中作為設計底圖并進行人機交互解譯。將采坑、道路、植被、復墾治理區(qū)等生態(tài)修復關鍵要素矢量化勾繪出來，形成礦區(qū)地形圖。在此基礎上疊加土地利用現(xiàn)狀圖，提取礦區(qū)范圍內植被和土地類型，判定表土區(qū)域剝離情況，評估土地損毀范圍，制作土地損毀現(xiàn)狀圖、預測圖以及土地復墾規(guī)劃圖，疊加底圖DOM，推進土地復墾設計工作。

3.2 高陡邊坡防治應用

礦山地形坡度代表了地面高程變化率。在對露天礦山進行生態(tài)修復工程中，需要對邊坡進行消坡，放緩邊坡的坡率，以增加坡體的穩(wěn)定性，可消除存在的地質災害隱患。將礦山三維激光點云數據加載到Arcgis軟件，使用3D Analyst工具將三維點云數據轉成柵格數據，在此基礎上利用坡度分析和重分類工具，將坡度分為四類，可直觀地看到各類坡度的分布情況（圖6），結合高質量的三維模型判定邊坡高度，依據邊坡治理技術形成安全邊坡，改善區(qū)域邊坡景觀。

圖6 坡度重分類局部圖

3.3 土石方測算

土石方測算是露天礦山生態(tài)修復工程中的一項重要內容，對工程預算、工程項目規(guī)劃設計等方面起關鍵作用。利用土石方大師軟件，基于處理后的三維激光掃描點云數據和實景三維模型，設定參數，通過創(chuàng)建TIN模型（圖7），可以快速計算、統(tǒng)計和匯總土石方量，用于土地整治設計和指導施工。

圖7 土石方測算三維圖

4 結語

結果表明，將三維激光掃描和傾斜攝影測量進行融合，生成實景三維模型成果，有效改善了模型質量?；诟呔鹊娜S實景模型和三維點云，制作礦區(qū)地形現(xiàn)狀圖、坡度圖和測算填挖方量，可直觀地了解礦區(qū)地形地貌，為土地損毀防治、高陡邊坡防治和土地整治工作，提供了豐富的基礎資料，為礦山生態(tài)修復提供了有力的決策支持，大大減少了外業(yè)工作量和野外工作隱患，提高了工作效率。