無(wú)人機(jī)航空三維傾斜攝影技術(shù)在礦山生態(tài)修復(fù)支撐調(diào)查中的應(yīng)用

趙興志，賈煦，孫建偉，劉星宇

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安礦產(chǎn)資源調(diào)查中心，西安 710100)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國(guó)對(duì)礦產(chǎn)資源的需求越來(lái)越大，礦山開(kāi)發(fā)也快速發(fā)展。由于我國(guó)礦山數(shù)量眾多，開(kāi)發(fā)規(guī)模大小不一，開(kāi)采水平參差不齊，很多礦山仍然處于粗放式開(kāi)采階段，導(dǎo)致我國(guó)礦山資源利用效率低、礦山環(huán)境遭到破壞。為落實(shí)習(xí)近平總書記秦嶺生態(tài)保護(hù)重要批示指示精神，支撐秦嶺東段生態(tài)環(huán)境保護(hù)，為豫西礦集區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃、國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。通過(guò)對(duì)熊耳山—伏牛山礦集區(qū)開(kāi)展礦山生態(tài)修復(fù)支撐調(diào)查工作，發(fā)現(xiàn)因礦山開(kāi)發(fā)而引起的地質(zhì)災(zāi)害、地形地貌景觀破壞、土地資源的損毀等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，為后期礦山生態(tài)修復(fù)提供有效依據(jù)。

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)航空三維傾斜攝影技術(shù)也受到了越來(lái)越多的關(guān)注。為了更直觀、更便捷地觀察到礦區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，解決因礦山開(kāi)發(fā)引起的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，我們將無(wú)人機(jī)航空三維傾斜攝影測(cè)量技術(shù)運(yùn)用到礦山生態(tài)修復(fù)調(diào)查工作中。

1 數(shù)據(jù)采集與處理

1.1 礦山概況

本文以熊耳山—伏牛山礦集區(qū)重點(diǎn)區(qū)段礦山為例，監(jiān)測(cè)區(qū)面積約20 km2，海拔410～820 m。監(jiān)測(cè)區(qū)分為北部面積約17 km2，南部面積約3 km2，主要為中低山地貌。

1.2 無(wú)人機(jī)航空三維傾斜攝影測(cè)量技術(shù)原理

無(wú)人機(jī)航空三維傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是以無(wú)人機(jī)為航攝平臺(tái)，在同一平臺(tái)通過(guò)搭載多種航空拍攝傳感器，增加多個(gè)不同角度的拍攝鏡頭，同時(shí)采集與地面垂直的正片以及多傾斜角度方向的斜片或掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行DEM(數(shù)字高程模型)制作、DOM制作、多光譜影像分析、DSM(數(shù)字地表模型)和DLG(數(shù)字線劃地圖)數(shù)據(jù)制作等，還可以結(jié)合像控測(cè)量成果及其他矢量數(shù)據(jù)、機(jī)載POS數(shù)據(jù)，批量建立高精度、高質(zhì)量的三維模型。圖1為三維傾斜攝影區(qū)域圖。

圖1 三維傾斜攝影區(qū)域圖

1.3 采集工作

野外控制點(diǎn)是航測(cè)內(nèi)業(yè)加密控制點(diǎn)和測(cè)圖的依據(jù)，分為平面控制點(diǎn)、高程控制點(diǎn)、平高控制點(diǎn)三種。

本測(cè)區(qū)采用平高控制點(diǎn)，平高控制點(diǎn)須測(cè)定該點(diǎn)的平面坐標(biāo)及高程。由于地形條件限制，采用不規(guī)則區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)的方法，在凸出處布平高點(diǎn)，凹進(jìn)處布高程點(diǎn)。當(dāng)凹角點(diǎn)與凸角點(diǎn)之間距離超過(guò)兩條基線時(shí)，在凹角處也應(yīng)布設(shè)平高點(diǎn)。根據(jù)區(qū)域網(wǎng)布設(shè)方法及特殊情況布點(diǎn)的要求，測(cè)區(qū)設(shè)計(jì)布設(shè)平高控制點(diǎn)56個(gè)，將像片控制點(diǎn)統(tǒng)一編號(hào)，并保證同一測(cè)區(qū)內(nèi)不得重號(hào)。采用固定翼無(wú)人機(jī)大面積航攝采集，旋翼機(jī)小范圍加密采集方式進(jìn)行作業(yè)，GPS RTK采集布設(shè)像控點(diǎn)。本次采用GPS RTK測(cè)量方法對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)基準(zhǔn)站RTK測(cè)量一級(jí)控制點(diǎn)需要至少更換一次基準(zhǔn)站進(jìn)行觀測(cè)，每次觀測(cè)不少于2次，并選擇平均值作為測(cè)量最終結(jié)果。圖上點(diǎn)位中誤差≤±0.1 m，高程控制點(diǎn)相對(duì)鄰近基礎(chǔ)控制點(diǎn)的高程中誤差不應(yīng)超過(guò)基本等高距的1/10，經(jīng)計(jì)算全部像控點(diǎn)均達(dá)到精度要求。像控點(diǎn)成果進(jìn)行100%的內(nèi)業(yè)檢查和不少于總點(diǎn)數(shù)10%的外業(yè)檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)精度不低于待檢控制點(diǎn)測(cè)量精度，圖2為測(cè)區(qū)作業(yè)分布圖。

圖2 測(cè)區(qū)作業(yè)分布圖

考慮天氣因素的影響，無(wú)人機(jī)在航測(cè)作業(yè)時(shí)的天氣狀況、云層厚度、光照強(qiáng)度以及空氣能見(jiàn)度都會(huì)影響三維建模效果，嚴(yán)重影響視覺(jué)觀感，所以將北部航測(cè)飛行時(shí)間規(guī)劃在9：00～16：00，南部航測(cè)飛行時(shí)間規(guī)劃在11：00～15：00，盡量減小天氣的影響。根據(jù)《1∶2000地形圖航空拍攝測(cè)量外業(yè)規(guī)范》(GB/T7931—2008)中航測(cè)成圖要求，北部及南部飛行航向重疊度和旁向重疊度參數(shù)均設(shè)定為80%，本測(cè)區(qū)記錄統(tǒng)計(jì)表如表1所示。

表1 測(cè)區(qū)記錄統(tǒng)計(jì)表

1.4 航測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理工作

航測(cè)作業(yè)結(jié)束后，根據(jù)飛行獲得的POS數(shù)據(jù)及影像數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，影像質(zhì)量檢查包括以下幾個(gè)方面：①影像的清晰度、層次、反差和色調(diào)判斷是否可以辨認(rèn)出地面分辨率相適應(yīng)的細(xì)小地物，并能夠建立精確的三維模型。②影像是否有大面積反光、陰影以及污點(diǎn)是否影響三維模型的建立。③考慮無(wú)人機(jī)地速的影響，計(jì)算在曝光瞬間造成像點(diǎn)位移是否滿足業(yè)內(nèi)規(guī)范要求。

以上數(shù)據(jù)符合規(guī)范后可進(jìn)行空三加密，即為空中三角測(cè)量加密控制點(diǎn)的操作，可以實(shí)現(xiàn)大范圍點(diǎn)位測(cè)定，節(jié)省大量實(shí)測(cè)調(diào)查，不直接接觸測(cè)定對(duì)象，不受地面通視條件限制。加密內(nèi)部區(qū)域精度均勻，平差時(shí)受地域面積大小影響較小。

航測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理工作是無(wú)人機(jī)三維傾斜攝影技術(shù)的重點(diǎn)，航測(cè)影像的預(yù)處理和空三加密完成后，即可將空三加密的成果導(dǎo)入SMART 3D 軟件，開(kāi)展傾斜三維模型建立。利用空三加密成果生成調(diào)查區(qū)內(nèi)的高精度數(shù)字高程模型(DEM)成果和數(shù)字正射影像圖(DOM)成果，利用傾斜模型及正射影像繪制1∶2000數(shù)字線畫地圖(DLG)。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯成果分析

以熊耳山—伏牛山礦集區(qū)重點(diǎn)區(qū)段礦山為例，其地勢(shì)相對(duì)復(fù)雜，工作區(qū)地形變化較大，沖溝發(fā)育，巖石風(fēng)化破碎，殘坡積物較多，沿斜坡及溝谷堆放較多礦石渣堆，局部地區(qū)植被生長(zhǎng)茂盛，以灌木刺槐為主，技術(shù)人員無(wú)法安全有效地對(duì)其開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作。以前的民采活動(dòng)較為普遍，造成采空塌陷、滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。

無(wú)人機(jī)三維傾斜攝影技術(shù)具有靈活的機(jī)動(dòng)性和便捷性，相對(duì)以往技術(shù)人員實(shí)地調(diào)查以及傳統(tǒng)航空遙感正射影像圖相比而言，其優(yōu)勢(shì)明顯。通過(guò)無(wú)人機(jī)平臺(tái)解譯DOM數(shù)據(jù)，可大面積獲取地質(zhì)災(zāi)害隱患的高分辨率、高精度地形地貌影像，可直觀判別地質(zhì)災(zāi)害類型，是相對(duì)危險(xiǎn)性、隱蔽性較大的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域監(jiān)測(cè)的重要手段，圖3為南部區(qū)域數(shù)字正射影像圖(DOM)。通過(guò)生成的DEM數(shù)據(jù)獲取地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域的坡度、坡向、高程、高差以及周圍環(huán)境因素等信息，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害體地表信息全覆蓋，可快速地調(diào)查清楚孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體，為后期災(zāi)害防止提供數(shù)據(jù)支持，圖4為南部區(qū)域數(shù)字高程模型(DEM)。

圖3 南部區(qū)域數(shù)字正射影像圖(DOM)

圖4 南部區(qū)域數(shù)字高程模型(DEM)

針對(duì)礦山開(kāi)采產(chǎn)生的崩塌、滑坡、泥石流、地裂縫、地面塌陷沉降等次生地質(zhì)災(zāi)害信息進(jìn)行識(shí)別和信息提取，圈定其規(guī)模、位置、范圍。根據(jù)解譯可知，調(diào)查區(qū)內(nèi)發(fā)育崩塌13處，滑坡8處，泥石流4處，地面塌陷4處。

崩塌為露天剝采形成的高陡邊坡上危巖體的崩塌，崩塌物主要為基巖和上覆殘坡積物。多位于陡峻的山坡地段，一般易發(fā)生在55°～75°的陡坡前，上陡下緩，在坡腳或斜坡平緩地段常有大量的崩塌體堆積，表面坎坷不平，規(guī)模以中、小型為主。節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，陡坡上部多發(fā)育危巖體，威脅礦區(qū)生產(chǎn)、礦區(qū)道路以及林地。

在遙感影像上，可通過(guò)對(duì)典型滑坡的基本要素、滑坡標(biāo)志的判譯以及疊加三維模型來(lái)識(shí)別滑坡。主要由于礦山開(kāi)采，局部坡面多為松散物質(zhì)，在雨水的沖刷和滲透下，加上邊坡的人為擾動(dòng)，導(dǎo)致局部坡體結(jié)構(gòu)破壞和強(qiáng)度降低，形成滑坡。主要威脅礦區(qū)道路與林地。

在礦山開(kāi)采和工程建設(shè)過(guò)程中排放的土石方、礦山開(kāi)采過(guò)程中排放的廢石和礦山生產(chǎn)產(chǎn)生的礦渣，如果堆放不當(dāng)或填埋沖溝，不加防護(hù)，加上沖溝坡度較大，在雨季易形成泥石流，主要威脅礦區(qū)設(shè)施、宿舍和公路。

地面塌陷多為小型地面塌陷，為采礦引發(fā)，平面多呈不規(guī)則橢圓形，長(zhǎng)軸長(zhǎng)90～100 m，短軸30～100 m不等，主要威脅林地與礦區(qū)景觀。地面塌陷主要受礦體分布形態(tài)、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、開(kāi)采方式、降雨等因素制約，降雨與采掘爆破是重要的激發(fā)因素。

2.2 地表破壞遙感解譯成果及數(shù)據(jù)分析

2.2.1 地表破壞遙感解譯成果

針對(duì)礦山開(kāi)采產(chǎn)生的地面挖損、占?jí)?、地形地貌景觀破壞、土地資源損毀、排土場(chǎng)、尾礦庫(kù)、廢渣堆等進(jìn)行識(shí)別，圈定其體積、面積、范圍。共解譯出尾礦庫(kù)29處，典型采砂石點(diǎn)6處，典型采礦點(diǎn)11處，排土場(chǎng)13處，露天礦區(qū)2處以及洗礦場(chǎng)2處。

2.2.2 坡高、坡度、坡向及邊坡質(zhì)地分析

針對(duì)熊耳山—伏牛山礦集區(qū)自然地理?xiàng)l件和土地開(kāi)發(fā)適宜性以及重點(diǎn)區(qū)段礦山的破壞類型和破壞程度等因素，選擇合理的礦山生態(tài)修復(fù)方向和修復(fù)技術(shù)，讓受損的礦山生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)化的治理恢復(fù)及利用。根據(jù)實(shí)地調(diào)查以及解譯結(jié)果將重點(diǎn)區(qū)段礦山生態(tài)修復(fù)方向主要分為林草地及自然封育模式、農(nóng)業(yè)耕地模式、建設(shè)用地模式和生態(tài)景觀模式。

林草地及自然封育模式相較于其他修復(fù)模式來(lái)說(shuō)對(duì)地形條件、配套設(shè)施、土壤質(zhì)量以及其他標(biāo)準(zhǔn)要求較低，所以在礦山模式生態(tài)修復(fù)方向中選擇林草地及自然封育模式的較多。進(jìn)行邊坡林草地生態(tài)修復(fù)時(shí)，為了研究調(diào)查區(qū)范圍內(nèi)的礦山地形類型，為后期生態(tài)修復(fù)的方案提供依據(jù)，需要分析的數(shù)據(jù)包括坡高、坡度、坡向及邊坡質(zhì)地。利用獲取的DEM數(shù)據(jù)、DOM數(shù)據(jù)和三維模型，結(jié)合Acute3D viewer、Agisoft PhotoScan和ArcGIS可以對(duì)調(diào)查區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類分析。利用Agisoft PhotoScan進(jìn)行基于DEM的測(cè)量，可以得到調(diào)查區(qū)內(nèi)任意點(diǎn)位的地理位置坐標(biāo)和海拔。通過(guò)計(jì)算得到范圍內(nèi)礦山最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的海拔之差，為該礦山的高差。

其中邊坡質(zhì)地區(qū)分主要依靠研究DOM數(shù)據(jù)和三維模型的細(xì)節(jié)，通過(guò)設(shè)定相應(yīng)的識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)，在ArcGIS中做出每個(gè)數(shù)據(jù)的內(nèi)容劃分。在對(duì)三維空間模型的觀察中發(fā)現(xiàn)，本次調(diào)查區(qū)范圍內(nèi)的邊坡質(zhì)地按巖性主要分為土質(zhì)邊坡(圖5)、巖土混合質(zhì)邊坡(圖6)和巖質(zhì)邊坡(圖7)三類。

圖5 土質(zhì)邊坡

圖6 巖土混合質(zhì)邊坡

圖7 巖質(zhì)邊坡

利用ArcMap中3D Analyst工具的柵格表面分析對(duì)調(diào)查區(qū)礦山DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行坡度分析，如圖8為DEM添加。坡度分析前，需要進(jìn)行投影，如果沒(méi)有進(jìn)行投影，坡度分析出來(lái)后，坡度將會(huì)集中在80°以上。得到坡度柵格數(shù)據(jù)后將重新調(diào)整坡度分級(jí)，最終得到調(diào)查區(qū)內(nèi)坡度分析圖，如圖9所示。

圖8 DEM添加

圖9 南部區(qū)域坡度分析

同上步驟，打開(kāi)[ArcToolbox]，利用3D Analyst工具中柵格表面分析對(duì)調(diào)查區(qū)礦山DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行坡向分析，得到坡向柵格數(shù)據(jù)。如圖10所示為南部區(qū)域坡向分析圖，調(diào)查區(qū)內(nèi)各礦山以南北走向?yàn)橹?，山坡整體朝向?yàn)闁|西方向。礦山復(fù)綠時(shí)可按照植物種類生長(zhǎng)時(shí)對(duì)日照采光的要求，如黑麥草、蘭花、梅花等喜陰好養(yǎng)的植物，進(jìn)行科學(xué)有效的分類種植，以取得最佳的植物生長(zhǎng)效果及生物多樣性。獲取坡高、坡度、坡向及邊坡質(zhì)地等分析數(shù)據(jù)后，可根據(jù)不同的適用條件選擇不同類型的邊坡生態(tài)修復(fù)方法，以達(dá)到最佳的生態(tài)修復(fù)效果。

圖10 南部區(qū)域坡向分析

2.3 無(wú)人機(jī)三維傾斜攝影模型應(yīng)用

礦山實(shí)景三維模型是數(shù)字礦山建設(shè)中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包含了豐富的礦山地物信息和地理信息，可以進(jìn)行地物解譯和簡(jiǎn)單的地質(zhì)測(cè)量。除了可以對(duì)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警和監(jiān)測(cè)，還可以利用Acute3D viewer軟件的軌道模式、平移模式進(jìn)行360°方位縮放、翻滾、平移等操作，直觀清晰地呈現(xiàn)礦山實(shí)景三維模型，通過(guò)建立不同時(shí)間段的三維模型可以觀測(cè)礦山開(kāi)采情況及生態(tài)復(fù)綠情況，對(duì)調(diào)查區(qū)內(nèi)林地、草地、濕地等空間分布、類型及范圍監(jiān)測(cè)，進(jìn)行植被覆蓋率計(jì)算。如圖11所示為南部區(qū)域?qū)嵕叭S模型。

圖11 南部區(qū)域?qū)嵕叭S模型

3 結(jié)語(yǔ)

鑒于以往技術(shù)人員到礦山實(shí)地調(diào)查時(shí)遇到的山體地勢(shì)險(xiǎn)峻、植被發(fā)育茂盛、水域?qū)?、調(diào)查人員不易到達(dá)、作業(yè)效率低等問(wèn)題，無(wú)人機(jī)航空三維傾斜攝影技術(shù)以效率高、成本低、數(shù)據(jù)精確、視野范圍廣、操作靈活等優(yōu)點(diǎn)得到技術(shù)人員的廣泛應(yīng)用。

目前獲取DEM數(shù)據(jù)的方法有很多，較為常見(jiàn)的有野外實(shí)地測(cè)量、衛(wèi)星遙感、干涉雷達(dá)技術(shù)、激光雷達(dá)技術(shù)等，考慮到在礦山生態(tài)修復(fù)調(diào)查時(shí)需要高效、快速地獲得大比例尺、精度高的DEM數(shù)據(jù)，為后期礦山生態(tài)修復(fù)提供有效數(shù)據(jù)支撐。無(wú)人機(jī)航空三維傾斜攝影技術(shù)不僅可以滿足以上要求，還可以同時(shí)采集不同角度的數(shù)據(jù)，有效降低了三維建模成本。無(wú)人機(jī)三維傾斜攝影技術(shù)優(yōu)點(diǎn)明顯，但無(wú)人機(jī)在快速飛行時(shí)穩(wěn)定性較差、旋轉(zhuǎn)偏角大較難掌握，由于無(wú)人機(jī)搭載的是非專業(yè)量測(cè)型相機(jī)，影像畸變大，很難提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。

本文基于無(wú)人機(jī)三維傾斜攝影技術(shù)，選取熊耳山—伏牛山礦集區(qū)重點(diǎn)區(qū)段礦山為調(diào)查區(qū)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)支撐調(diào)查。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)概況、因礦山開(kāi)采產(chǎn)生引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害、土地資源損毀、挖損、占?jí)?、地形地貌景觀破壞、水土污染等礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題、礦山地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查資料，充分提取調(diào)查區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件、礦山開(kāi)采挖損、占?jí)?、土地資源損毀、地形地貌景觀破壞信息，計(jì)算其面積、體積、礦山開(kāi)采量。識(shí)別提取崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害信息?；诘刭|(zhì)災(zāi)害二維、三維演化特征，探索總結(jié)地質(zhì)災(zāi)害特征信息識(shí)別提取方法，準(zhǔn)確圈定地質(zhì)災(zāi)害隱患；形成基于三維傾斜攝影的熊耳山—伏牛山礦集區(qū)地質(zhì)災(zāi)害隱患識(shí)別技術(shù)方法，為熊耳山—伏牛山礦集區(qū)地質(zhì)災(zāi)害早期識(shí)別、調(diào)查評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐。