基于ArcGIS的三維航測成果在露天采坑生態(tài)修復(fù)與礦山生產(chǎn)中的應(yīng)用研究

張啟慧，王程松，衛(wèi)石印，董玉芬，馮英明

(山東省煤田地質(zhì)局第一勘探隊，山東 青島 266400)

0 引言

近年來，隨著人們生態(tài)修復(fù)理念的增強，越來越多生態(tài)修復(fù)項目得以實施，生態(tài)修復(fù)理論也日趨完善[1-5]。隨著無人機傾斜攝影技術(shù)的快速發(fā)展，無人機航測技術(shù)在生態(tài)修復(fù)項目中的應(yīng)用越來越廣泛，逐漸顯現(xiàn)出其高效、靈活的優(yōu)勢。相較于傳統(tǒng)測量技術(shù)，無人機航測具有成本低、精度高的優(yōu)勢，并能采集地表的各種紋理信息[6-12]。此外，通過無人機的應(yīng)用進行多期測量，更可實現(xiàn)土石方量的準(zhǔn)確計算[13]。目前李小光[14]、白曉慧[15]等在分析傳統(tǒng)基于CASS的各類方法弊端基礎(chǔ)上，研究了新的基于ArcGIS的露天礦山土石方量測算方法。王勇[16]等研究和實踐了ArcGIS在小流域水土保持規(guī)劃設(shè)計中的應(yīng)用。任玉雪[17]、劉彥[18]等則關(guān)注ArcGIS在生態(tài)修復(fù)適宜性評價中的作用，從而實現(xiàn)生態(tài)修復(fù)分區(qū)；李小光、岳境、丁玉龍等對ArcGIS在露天礦山三維可視化等方面的應(yīng)用進行了研究[19-21]。本次工作以日照市某露天礦區(qū)為例，使用多旋翼無人機傾斜攝影技術(shù)進行影像采集、RTK控制點測量，通過ContextCapture軟件進行數(shù)據(jù)處理，建立礦區(qū)的三維實景模型和DSM模型。基于ArcGIS的相關(guān)功能，進行地質(zhì)環(huán)境治理設(shè)計與礦山生產(chǎn)設(shè)計，重點解決礦區(qū)現(xiàn)狀的快速獲??；基于ArcGIS的地質(zhì)環(huán)境治理設(shè)計；土石方量計算與露天礦山的動態(tài)儲量監(jiān)測；設(shè)計效果三維可視化展示。

1 研究區(qū)概況及研究方案

研究區(qū)位于日照市丘陵區(qū)，屬北溫帶季風(fēng)區(qū)，原始地形起伏，中部為原始山體，最高標(biāo)高165m，坡角標(biāo)高30～60m，山頂植被稀疏，山體西北部為遺留廢棄采坑，早期礦山開采遺留的開采立面，經(jīng)切坡、開挖形成宕口，呈現(xiàn)為陡崖懸壁，基巖出現(xiàn)裸露。局部基巖經(jīng)卸荷產(chǎn)生大量張開性拉張裂縫，使區(qū)內(nèi)高陡巖質(zhì)邊坡整體穩(wěn)定性變差，地質(zhì)環(huán)境破損嚴(yán)重，有浮石等地質(zhì)災(zāi)害安全隱患；采坑周邊渣石隨意堆棄，造成水土流失、地形地貌景觀嚴(yán)重破壞，視覺污染嚴(yán)重。山體東南側(cè)為另一采礦權(quán)，已編開發(fā)利用方案并準(zhǔn)備實施露天開采。

研究區(qū)內(nèi)地層不發(fā)育，主要為第四紀(jì)山前組，分布于山前及坡麓地帶，巖性為灰黃色含礫砂質(zhì)黏土、黏土質(zhì)粉砂、含礫砂等。山體巖性為新元古代晉寧期鐵山序列官山單元中細(xì)粒含黑云二長花崗質(zhì)片麻巖。采坑內(nèi)構(gòu)造不發(fā)育，主要為巖體內(nèi)的小裂隙，巖體內(nèi)節(jié)理較發(fā)育。含水層主要為碎屑巖類基巖裂隙含水巖組，富水性弱，水文地質(zhì)條件簡單。為消除地質(zhì)災(zāi)害隱患，改善周邊生態(tài)環(huán)境，我們將結(jié)合采坑現(xiàn)狀及周邊采礦權(quán)的設(shè)立情況，統(tǒng)籌考慮，對本區(qū)進行綜合地質(zhì)環(huán)境治理設(shè)計。研究擬使用ArcGIS對西北側(cè)山體進行地質(zhì)環(huán)境治理設(shè)計、東南側(cè)山體依據(jù)開發(fā)利用方案進行礦山生產(chǎn)設(shè)計。借助ArcGIS相關(guān)功能，同時實現(xiàn)治理設(shè)計與礦山生產(chǎn)的三維可視化與土石方余量計算、生產(chǎn)監(jiān)管。在采用無人機傾斜攝影測量獲取原始地形數(shù)據(jù)、影像紋理數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，使用ContextCapture軟件進行三維建模及生產(chǎn)DSM，獲取設(shè)計所需的基礎(chǔ)、原始數(shù)據(jù)；利用ArcGIS的地理信息管理與設(shè)計功能進行研究區(qū)規(guī)劃設(shè)計；使用ArcGIS生成設(shè)計后的TIN網(wǎng)格；將TIN轉(zhuǎn)化成DEM柵格數(shù)據(jù)；使用Sketchup進行紋理貼合；利用ArcScens軟件的三維功能進行三維可視化展示；將設(shè)計后的DEM柵格與航測取得的DSM數(shù)據(jù)進行比對，計算治理產(chǎn)生的土石方余量；通過多期無人機航測，獲取項目實施過程中的多期DSM數(shù)據(jù)，從而進一步實現(xiàn)生態(tài)修復(fù)全過程、礦山生產(chǎn)過程的監(jiān)理、動態(tài)儲量監(jiān)測服務(wù)，促進當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和諧發(fā)展。

2 數(shù)據(jù)獲取與處理

2.1 數(shù)據(jù)采集

采用無人機對研究區(qū)進行傾斜攝影測量，研究區(qū)標(biāo)高30～165m，地形起伏較大。通過對航高、重疊率、像控點布設(shè)、航線等進行優(yōu)化[22]，采用分層航飛的方式，設(shè)置不同的航高以保障地形低處的分辨率及高處的重疊率，像控點按照均勻分布、高低錯落布置的原則，整體保證測量結(jié)果的精度，完成原始影像數(shù)據(jù)的采集(圖1)。

(a)—1S型航線示意圖；(b)—高程優(yōu)化示意圖；(c)—控制點布設(shè)圖圖1 無人機數(shù)據(jù)采集

2.2 數(shù)據(jù)處理

對航空攝影測量采集到的照片，采用ContextCapture軟件進行三維建模：平面坐標(biāo)采用2000國家大地坐標(biāo)系，高斯—克呂格(Gauss-Kruger)投影，中央經(jīng)線120°，按3°分帶；高程基準(zhǔn)采用1985國家高程基準(zhǔn)。經(jīng)過空中三角測量計算—像控點測量—空中三角測量計算—實景三維模型生產(chǎn)[23]→DSM、DOM生產(chǎn)，我們可以獲取到治理設(shè)計與土石方量計算所需的全部原始數(shù)據(jù)。在三維測圖軟件Acute3D Viewer中測量出三維模型中控制點的坐標(biāo)，并與RTK實測坐標(biāo)進行對比，認(rèn)為得到的航測成果精度滿足設(shè)計需要。

取得的主要成果包括實景三維模型，OSGB格式；DOM(數(shù)字正射影像)，TIF格式；DSM(數(shù)字表面模型)，TIF格式。

3 應(yīng)用研究

3.1 使用ArcGIS進行設(shè)計

首先建立GDB格式的數(shù)據(jù)庫，將航測的DOM正射影像圖與三調(diào)成果、生態(tài)紅線、基本農(nóng)田、公益林、權(quán)屬、規(guī)劃等數(shù)據(jù)進行套合，以確定礦坑治理的范圍。使用ArcGIS工具箱中的Arctoolbox→3D Analyst Tools→柵格表面→坡度工具創(chuàng)建研究區(qū)全區(qū)的坡度模型。依據(jù)坡度模型、參考三維實景模型與DOM，將研究區(qū)以圖斑的方式分為削坡區(qū)、續(xù)坡區(qū)、平整區(qū)等各個區(qū)塊，并建立平臺標(biāo)高字段，錄入設(shè)計的平臺標(biāo)高值，完成主要工程布置(圖2)。

1—0.01°～5.8°；2—5.81°～13.1°；3—13.11°～20.1°；4—20.11°～26.8°；5—26.81°～33.8°；6—33.81°～41.7°；7—41.71°～50.6°；8—50.61°～60.9°；9—60.91°～77.6°圖2 研究區(qū)坡度圖

依據(jù)治理設(shè)計思路，使用ArcGIS繪制治理分區(qū)(圖3)。

(a)—基于ArcGIS的分區(qū)設(shè)計；(b)—TIN網(wǎng)格模型1—132～145m；2—119～132m；3—106～119m；4—93～106m；5—80～93m；6—67～80m；7—54～67m；8—41～54m；9—27.5～41m圖3 基于ArcGIS的分區(qū)設(shè)計與生成的TIN網(wǎng)格模型

添加字段：平臺標(biāo)高，填入設(shè)計的平臺標(biāo)高值(表1)。依據(jù)設(shè)計的不同分區(qū)與平臺標(biāo)高，生成設(shè)計區(qū)的TIN網(wǎng)。

表1 基于ArcGIS的設(shè)計分區(qū)統(tǒng)計

TIN(不規(guī)則三角網(wǎng))是基于矢量的一種數(shù)字地理數(shù)據(jù)存儲形式。它通過構(gòu)建一系列的折點(點)來組成三角形網(wǎng)，通常用于較小區(qū)域的高精度建模等工作。使用ArcGIS工具箱中的Arctoolbox→3D Analyst Tools→數(shù)據(jù)管理→TIN→創(chuàng)建TIN工具，依據(jù)設(shè)計的分塊標(biāo)高字段，創(chuàng)建設(shè)計的TIN網(wǎng)格模型，實現(xiàn)對前期設(shè)計的三維化。DEM(Digital Elevation Model)數(shù)字高程模型則為構(gòu)建連續(xù)變化的曲面，將表面以數(shù)字的形式按照一定的組織結(jié)構(gòu)確切的表現(xiàn)出來，可更方便的與航測的DSM模型進行比對。使用Arctoolbox→3D Analyst Tools→轉(zhuǎn)換→TIN轉(zhuǎn)柵格工具，創(chuàng)建設(shè)計后的DEM模型，用于后續(xù)的土石方量計算。

傳統(tǒng)的治理設(shè)計一般借助于MapGIS、Auto CAD等設(shè)計軟件進行設(shè)計。傳統(tǒng)基于二維的地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理設(shè)計，無法將治理后的主體形象展示出來，也無法滿足快速發(fā)展的需要，本次研究使用ArcGIS相關(guān)功能對研究區(qū)進行三維立體設(shè)計，從而最終達到三維展示的功能。ArcGIS作為目前較為主流的一款地理信息系統(tǒng)軟件，具有嚴(yán)格的地理信息管理功能，圖件具有嚴(yán)格的空間參考與拓?fù)潢P(guān)系，其在空間分析、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)發(fā)布等方面具有明顯優(yōu)勢[24]。目前，第三次國土調(diào)查及各類規(guī)劃均基于ArcGIS進行建庫，因此研究基于ArcGIS的生態(tài)修復(fù)設(shè)計，對于后期數(shù)據(jù)共享、空間分析等都具有重要意義。

3.2 使用ArcGIS對設(shè)計產(chǎn)生的土石方余量計算

ArcGIS填挖方工具，可以計算兩表面間體積的變化，通常用于執(zhí)行填挖操作。其具體原理為計算每個像素元前后的體積，并累積得到整體的填/挖方量。

對于單個像元，其體積公式為：

Vol=(cell_area)×ΔZ

(1)

ΔZ=Z_Before-Z_After

(2)

面積計算:將區(qū)域內(nèi)的像元數(shù)量(計數(shù))與柵格像元大小相乘即可求出面積。累積整個區(qū)域內(nèi)，所有挖/填方像素單元的體積，使用ArcGIS工具箱中的Arctoolbox→3D Analyst Tools→柵格表面→填挖方工具，依據(jù)航測生成的DSM數(shù)據(jù)與設(shè)計的DEM柵格進行計算，得出設(shè)計治理施工產(chǎn)生的土石方余量。

本次依據(jù)航測DSM數(shù)據(jù)與設(shè)計的DEM柵格進行填挖方計算，得出設(shè)計治理施工產(chǎn)生的土石方余量。

Ⅰ區(qū)礦區(qū)范圍內(nèi)主要為挖方區(qū)，總挖方區(qū)面積為78744.79m2，總挖方體積282.26萬m3，總填方區(qū)面積為1228.68m2，總填方體積0.42萬m3。Ⅱ區(qū)治理區(qū)范圍內(nèi)主要為挖方區(qū)，總挖方區(qū)面積為116403.35m2，總挖方體積300.82萬m3，總填方區(qū)面積為12206.45m2，總填方體積5.31萬m3(表2)。

表2 挖填方量統(tǒng)計表

采用ArcGIS填挖方工具進行土石方量的計算，同傳統(tǒng)儲量計算常采用的地質(zhì)塊段法相比，采用了相同的原理，但該方法根據(jù)航測像元的大小，將需要計算儲量的區(qū)域分割成像元大小的塊段，從而極大提高計算結(jié)果的精度。傳統(tǒng)塊段法要達到更高的精度，只能通過拆分更多塊段的方式來達到，但無法達到像元大小的塊段級別。傳統(tǒng)塊段法計算土石方量，隨著塊段數(shù)量的增加，人工計算量也隨之迅增，且易引入主觀誤差，采用ArcGIS填挖方工具，可極大降低計算難度與計算量，并減少主觀誤差(圖4)。

1—挖方區(qū)；2—填方區(qū)圖4 研究區(qū)土石方余量計算

3.3 多期航測以實現(xiàn)動態(tài)儲量監(jiān)測

項目實施過程中以及露天礦山生產(chǎn)過程中，通過多期無人機航測，獲取生產(chǎn)過程中的多期DSM數(shù)據(jù)，計算每個階段的土石料動用情況，進一步實現(xiàn)生態(tài)修復(fù)全過程、礦山生產(chǎn)過程的監(jiān)理、動態(tài)儲量監(jiān)測服務(wù)。

從表3可知，經(jīng)過一個階段的生產(chǎn)，可以準(zhǔn)確計算治理區(qū)累計挖方量。傳統(tǒng)方法計算項目實施過程中的土石料開采情況，需投入大量的測繪成本，投入大量的物力、時間成本，由專業(yè)測繪人員，計算得到每個階段的生產(chǎn)、治理情況，且計算結(jié)果不直觀，對于每個區(qū)域的超層、越界情況無法起到實時監(jiān)控的效果。使用多期航測配合ArcGIS方法，可有效實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測的目的。

表3 挖填方量統(tǒng)計表

3.4 設(shè)計成果三維可視化

使用Sketchup進行快速、精確地構(gòu)建治理后的紋理效果；ArcGIS系列軟件中的ArcScene具有管理3D GIS數(shù)據(jù)、進行3D分析、編輯3D要素、創(chuàng)建3D圖層以及把二維數(shù)據(jù)生成3D要素等功能[25]。因此使用ArcScene可以進行三維效果展示與應(yīng)用發(fā)布[20]。在ArcScens軟件中導(dǎo)入設(shè)計后的紋理影像，在圖層屬性中設(shè)置其在設(shè)計的DEM模型表面上浮動，將設(shè)計的紋理影像與設(shè)計的高程模型進行疊合。能夠得到直觀的三維可視化模型，從而實現(xiàn)基于ArcGIS的三維效果展示，這在第三方監(jiān)理、行政主管部門視察、動態(tài)監(jiān)管等工作中具有重要意義，可有效直觀展示項目實施過程及項目實施產(chǎn)生的生態(tài)效益。

4 結(jié)論

本次工作通過實際案例，根據(jù)無人機航測優(yōu)勢，分析研究了基于ArcGIS的三維航測在生態(tài)修復(fù)與露天礦山生產(chǎn)中的應(yīng)用，在采用無人機傾斜攝影測量獲取原始地形數(shù)據(jù)、影像紋理數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，使用ContextCapture軟件進行快速三維建模及生產(chǎn)DSM，從而進一步實現(xiàn)生態(tài)修復(fù)全過程、礦山生產(chǎn)過程的監(jiān)理、動態(tài)儲量監(jiān)測服務(wù)，最后運用Sketchup軟件得到直觀的三維可視化模型，并實現(xiàn)基于ArcGIS的三維效果的可視化展示，精準(zhǔn)、高效的服務(wù)露天采坑生態(tài)修復(fù)與生產(chǎn)礦山，促進生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展。

(1)無人機可快速、便捷、低成本地實現(xiàn)復(fù)雜礦區(qū)的高質(zhì)量現(xiàn)狀影像獲取，后期可通過Context Capture軟件實現(xiàn)快速建模。

(2)ArcGIS可實現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境治理的設(shè)計任務(wù)，且可實現(xiàn)三維設(shè)計，便于后續(xù)設(shè)計效果的可視化展示。

(3)基于航測DSM和設(shè)計DSM，ArcGIS可方便快捷準(zhǔn)確地完成土石方量計算。土石方量的計算會直接影響施工成本與收益，新方法相較于傳統(tǒng)土石方量計算方法，不僅更加簡單、高效，而且準(zhǔn)確、直觀，數(shù)據(jù)來源可溯。

(4)基于多期航測數(shù)據(jù)比對，可實現(xiàn)露天礦山動態(tài)儲量監(jiān)測工作，為進一步實現(xiàn)生態(tài)修復(fù)、礦山生產(chǎn)全過程的監(jiān)理、動態(tài)儲量監(jiān)測提供支持。

(5)ArcScens可簡單快捷地實現(xiàn)礦山地質(zhì)環(huán)境治理設(shè)計效果的三維可視化展示。