無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在念諾泥炭土礦區(qū)綜合治理工程中的實(shí)踐應(yīng)用

◎ 莫德強(qiáng)

隨著礦山開(kāi)采活動(dòng)的不斷開(kāi)展，礦山綜合治理工程的重要性日益凸顯，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)因其精度高、成本低、效率高等優(yōu)勢(shì)，在礦山綜合治理中逐漸嶄露頭角。通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影，可以獲取高分辨率的三維地理信息，為礦區(qū)治理的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和生態(tài)修復(fù)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。本文以上思縣念諾泥炭土礦區(qū)的綜合治理為例，探討了無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在礦山綜合治理工程中的應(yīng)用。

一、研究區(qū)概況和設(shè)備準(zhǔn)備

（一）研究區(qū)概況

念諾泥炭土礦區(qū)位于上思縣叫安鎮(zhèn)熟康村，包括一號(hào)泥炭土礦區(qū)和二號(hào)泥炭土礦區(qū)，分別占地0.27 平方千米和0.32 平方千米。這2 個(gè)礦區(qū)于2007 年11 月開(kāi)始開(kāi)采，在2010 年11 月關(guān)閉。該小型露天開(kāi)采礦區(qū)在停止開(kāi)采后，根據(jù)規(guī)定進(jìn)行了回填處理。然而，在進(jìn)行回填治理之前，礦區(qū)成為較大的深坑，枯水期坑洞深淺不一，豐水期坑洞水面面積達(dá)3 555.25 平方米（約5.33 畝），平均深度20 米。這不僅對(duì)熟康村周邊居民的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，而且面臨嚴(yán)重的生態(tài)和地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題。

礦區(qū)的山體呈現(xiàn)出采礦坑臨空面、泥炭土裸露的狀態(tài)，危巖體穩(wěn)定性差，容易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。開(kāi)挖面的裸露與周圍環(huán)境極不協(xié)調(diào)，生態(tài)環(huán)境問(wèn)題更加突出，迫切需要進(jìn)行治理與修復(fù)。

（二）無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的要點(diǎn)

1.搭載傾斜攝影設(shè)備

在無(wú)人機(jī)上安裝傾斜攝影設(shè)備，通常包括多個(gè)鏡頭（一般是5 個(gè)），這些鏡頭設(shè)置在不同的方向和角度，可以同時(shí)拍攝地面目標(biāo)。這種攝影配置能夠獲取大范圍地理信息和高分辨率的三維數(shù)據(jù)。

2.全球定位系統(tǒng)/慣性測(cè)量裝置

攝影時(shí)，為了獲取精確的位置和姿態(tài)參數(shù)，配備了高精度的全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性測(cè)量裝置（IMU）。

3.航跡規(guī)劃和控制

在進(jìn)行航拍任務(wù)前，需要進(jìn)行航跡規(guī)劃，確定無(wú)人機(jī)的飛行路徑和拍攝范圍，同時(shí)還要考慮山丘或者低洼處的旁向/縱向重疊度?？刂葡到y(tǒng)能夠確保無(wú)人機(jī)按照規(guī)劃的航跡飛行，同時(shí)通過(guò)精確的導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)整無(wú)人機(jī)的姿態(tài)，以保證攝影的精度。

4.傾斜攝影數(shù)據(jù)處理

獲取的傾斜攝影數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)一系列的處理，包括圖像匹配、相對(duì)定向、絕對(duì)定向等，以建立相應(yīng)的攝影模型。

5.生成三維模型

通過(guò)對(duì)處理后的傾斜攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，可以生成具有高精度的三維地理模型。這些模型能夠反映地表的真實(shí)形狀和地物的空間位置，為礦山的生態(tài)修復(fù)提供精準(zhǔn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

念諾泥炭土礦區(qū)的地形相對(duì)平坦，周邊區(qū)域?yàn)楦鲄^(qū)，利用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）量測(cè)該航拍區(qū)的相控點(diǎn)得知，未開(kāi)采的地面高程為（65.37±0.1）米，礦坑最深高程為43.86 米，平均相對(duì)深度約20 米；礦坑內(nèi)為不規(guī)則的開(kāi)挖區(qū)，陡坎、斜坡不均勻地分布在該礦坑內(nèi)。經(jīng)過(guò)后期的無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量獲取大量的地表特征數(shù)據(jù)，生成三維模型。經(jīng)過(guò)規(guī)劃設(shè)計(jì)之后，復(fù)墾后的地面高程與開(kāi)挖前或者周邊的高程相齊平，高程為（65.37±0.1）米。

二、存在的問(wèn)題

（一）地形地貌問(wèn)題

地形地貌問(wèn)題是無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用在礦山綜合治理中的重要挑戰(zhàn)。該礦區(qū)的地形復(fù)雜，包括崩塌、滑坡、不穩(wěn)定斜坡等因素，存在地質(zhì)災(zāi)害隱患，露天大面積開(kāi)挖，損壞土地資源，地形地貌被破壞相對(duì)嚴(yán)重。這些問(wèn)題可能導(dǎo)致某些深坑區(qū)域的測(cè)量數(shù)據(jù)缺失或不完整，從而影響綜合測(cè)繪的全面性。此外，密集的植被進(jìn)一步增加了困難，植被的遮擋可能導(dǎo)致無(wú)人機(jī)傾斜攝影無(wú)法準(zhǔn)確捕捉地面信息，使得點(diǎn)云高程數(shù)據(jù)出現(xiàn)顯著誤差。

地形地貌的復(fù)雜性和植被遮擋還可能引起無(wú)人機(jī)傾斜攝影中的影像配準(zhǔn)問(wèn)題，配準(zhǔn)困難可能導(dǎo)致影像之間缺乏一致性，進(jìn)而影響最終的地圖制作和三維模型生成。

（二）無(wú)人機(jī)傾斜攝影幾何變形問(wèn)題

無(wú)人機(jī)傾斜攝影幾何變形是在攝影機(jī)傾斜角度的影響下，導(dǎo)致同一地物在不同影像中出現(xiàn)視差，進(jìn)而引發(fā)地物幾何形狀變形的問(wèn)題。在礦區(qū)，地形起伏較大，增加了幾何變形的顯著性。這種幾何變形對(duì)地物的形狀、位置和相對(duì)尺寸產(chǎn)生負(fù)面影響。無(wú)人機(jī)傾斜攝影中，由于地形的起伏，相鄰地物之間的高度變化可能被過(guò)度夸大或削弱，因此導(dǎo)致垂直測(cè)量精度下降。攝影機(jī)的傾斜角度也會(huì)導(dǎo)致地物在影像中呈現(xiàn)出一定的投影變形，特別是在地形變化明顯的區(qū)域。這種變形影響地物的形狀、位置和相對(duì)尺寸，降低了地物的幾何精度。

在礦區(qū)，明顯的溝壑結(jié)構(gòu)可能因無(wú)人機(jī)傾斜攝影的角度而呈現(xiàn)出失真問(wèn)題，這對(duì)需要進(jìn)行溝壑結(jié)構(gòu)分析或設(shè)計(jì)的應(yīng)用造成了困擾。

（三）數(shù)據(jù)處理與管理存在的問(wèn)題

無(wú)人機(jī)傾斜攝影產(chǎn)生的高分辨率影像和龐大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)集給處理過(guò)程帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。由于數(shù)據(jù)量巨大，因此處理過(guò)程可能面臨計(jì)算速度慢和算法效率低的問(wèn)題。尤其是在處理大規(guī)模礦山區(qū)域的數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)處理涉及多個(gè)步驟，如相控刺點(diǎn)、圖像配準(zhǔn)、點(diǎn)云生成、三維建模等，需要使用不同的專業(yè)軟件和算法，因此，對(duì)處理人員的專業(yè)技能提出了較高要求。

高密度和復(fù)雜的數(shù)據(jù)要求處理人員具備專業(yè)的技能和經(jīng)驗(yàn)，能熟練使用點(diǎn)云處理軟件、三維建模工具、地理信息系統(tǒng)（GIS）等。處理人員的這些專業(yè)技能可能相對(duì)匱乏，增加了技術(shù)實(shí)施的難度。此外，由于高分辨率數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，需要大量的存儲(chǔ)容量來(lái)保存處理后的數(shù)據(jù)，因此，存儲(chǔ)方案的選擇需要平衡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求和項(xiàng)目預(yù)算，權(quán)衡云存儲(chǔ)和本地存儲(chǔ)之間的比例。

在數(shù)據(jù)傳輸和共享方面，跨部門(mén)或跨地理位置可能會(huì)受到限制，大規(guī)模高分辨率數(shù)據(jù)的傳輸可能受網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的影響，同時(shí)，需考慮數(shù)據(jù)的安全性和隱私保護(hù)。對(duì)于高精度地理信息的需求，必須建立有效的質(zhì)量控制和驗(yàn)證機(jī)制，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性，這可能需要投入更多的人力和時(shí)間。

三、解決問(wèn)題的途徑

（一）解決地形地貌問(wèn)題

1.選擇合適的航跡規(guī)劃

通過(guò)先進(jìn)的航跡規(guī)劃算法，結(jié)合地形地貌信息，確保無(wú)人機(jī)在執(zhí)行傾斜攝影測(cè)量任務(wù)時(shí)能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜地形，提高測(cè)量數(shù)據(jù)的完整性。

2.使用先進(jìn)的植被處理技術(shù)

采用先進(jìn)的植被去除算法，可以在圖像處理階段減少植被對(duì)地面信息的遮擋，提高點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)的精確性。

（二）解決傾斜攝影影響數(shù)據(jù)獲取問(wèn)題

1.均勻分布相控點(diǎn)

該礦區(qū)主要位于地形相對(duì)平坦的耕作區(qū)，礦坑主要表現(xiàn)為向下的開(kāi)挖狀態(tài)，因此建議在礦坑周邊和礦坑內(nèi)均勻布設(shè)相控點(diǎn)，其中包括最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，主要控制航拍過(guò)程中相機(jī)獲取地面的平面和高程等信息特征。

2.設(shè)置相對(duì)合理的重疊度

該區(qū)域內(nèi)的地形相對(duì)平坦，因此要綜合考慮重疊度的設(shè)置，航空影像的相片獲取需要足夠的重疊度才能滿足后期的影像匹配等，航向重疊度一般為60%～65%，旁向重疊度一般為30%～35%。

（三）解決無(wú)人機(jī)傾斜攝影幾何變形問(wèn)題

1.優(yōu)化傾斜角度

在進(jìn)行傾斜攝影時(shí)，根據(jù)地形特征，優(yōu)化攝影機(jī)的傾斜角度，以減少同一地物在不同影像中的視差，降低幾何形狀變形對(duì)地物精度的影響。

2.引入先進(jìn)的幾何校正算法

采用幾何校正算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，糾正由傾斜攝影引起的地物幾何形狀變形，提高數(shù)據(jù)的幾何精度。

（四）解決大規(guī)模數(shù)據(jù)處理問(wèn)題

1.采用并行計(jì)算和分布式處理

采用并行計(jì)算和分布式處理技術(shù)，充分利用計(jì)算資源，提高數(shù)據(jù)處理的速度和效率，尤其是對(duì)大規(guī)模的礦區(qū)數(shù)據(jù)，可以顯著減少處理時(shí)間。

2.設(shè)計(jì)自動(dòng)化處理流程

設(shè)計(jì)自動(dòng)化的數(shù)據(jù)處理流程（見(jiàn)圖1），整合各個(gè)處理步驟，減少人工干預(yù)，降低專業(yè)技能要求，提高處理的效率和確保數(shù)據(jù)的一致性。

3.優(yōu)化存儲(chǔ)和傳輸方案

選擇高效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案，考慮云存儲(chǔ)和本地存儲(chǔ)的綜合利用，以及合理的數(shù)據(jù)傳輸策略，以解決存儲(chǔ)和傳輸?shù)钠款i問(wèn)題。

圖1 數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程圖

四、優(yōu)化建議與應(yīng)用展望

（一）無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的成績(jī)與優(yōu)勢(shì)

1.無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)取得的成果

在念諾泥炭土礦區(qū)的綜合治理工程中，運(yùn)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)獲得了礦區(qū)高精度的地形數(shù)據(jù)和影像信息，包括礦區(qū)的范圍、深度、植被狀況和地形特征，以及內(nèi)業(yè)處理生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和三維數(shù)字模型等。

2.該成果應(yīng)用于礦山綜合治理中取得的成效

在礦區(qū)的修復(fù)中，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)提供了精確的三維模型和高分辨率影像，為準(zhǔn)確估算工程規(guī)模和后期土方量回填提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。項(xiàng)目組利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的數(shù)據(jù)能夠?qū)ΦV區(qū)進(jìn)行量化分析和評(píng)估，根據(jù)實(shí)際地形和工程需求靈活調(diào)整回填和加固方案，確保治理的準(zhǔn)確性和有效性。在治理措施中，項(xiàng)目組通過(guò)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)增加了主動(dòng)網(wǎng)護(hù)坡方案，確保了治理效果的可持續(xù)性。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在危巖體治理中的被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)和坡腳綠化方面也發(fā)揮了關(guān)鍵作用。該礦區(qū)在2016 年已經(jīng)竣工，并于同年3 月1 日由上思縣國(guó)土資源局會(huì)同農(nóng)業(yè)局、公證處對(duì)念諾泥炭土礦區(qū)恢復(fù)治理工作進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)收，驗(yàn)收組一致同意驗(yàn)收合格。

3.無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

相對(duì)于以前傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)通常具有精度高、效率高、成本低等優(yōu)勢(shì)。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)大面積區(qū)域的高精度數(shù)據(jù)采集，提高了工作效率；快速完成高分辨率的影像和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地表的精準(zhǔn)測(cè)繪。這些數(shù)據(jù)不僅細(xì)節(jié)豐富，而且能夠準(zhǔn)確反映地物的三維形狀和地貌特征。該技術(shù)能夠降低人工操作的風(fēng)險(xiǎn)，特別適用于礦山等存在安全隱患的區(qū)域。

（二）優(yōu)化措施建議

針對(duì)研究區(qū)域存在的問(wèn)題，提出以下2 點(diǎn)優(yōu)化措施建議。

1.提高影像采集的精度和效率

通過(guò)精細(xì)的飛行航跡規(guī)劃，確保無(wú)人機(jī)覆蓋目標(biāo)區(qū)域的同時(shí)，避免不必要的重疊和遺漏。使用自動(dòng)飛行規(guī)劃軟件可以幫助生成最優(yōu)飛行路徑。選擇具有高分辨率相機(jī)和穩(wěn)定飛行控制系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)，以獲得更清晰、精確的影像數(shù)據(jù)，同時(shí)確保GPS 和其他導(dǎo)航設(shè)備的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。應(yīng)用高級(jí)的影像處理和分析軟件，如結(jié)構(gòu)光軟件或深度學(xué)習(xí)算法，以提高影像的處理速度和質(zhì)量。這些技術(shù)可以自動(dòng)識(shí)別和校正影像中的誤差，提高最終數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。盡可能在光照條件良好且風(fēng)速較低的時(shí)間進(jìn)行飛行，以減少影像模糊和運(yùn)動(dòng)偏差，注意避開(kāi)雨天或其他不利天氣條件。

2.提高地形和地物識(shí)別的準(zhǔn)確性

使用數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字地面模型（DTM）分析地形變化，輔助識(shí)別地形特征。這些模型能夠提供地面高度信息，有助于區(qū)分不同的地物和地形。相比傳統(tǒng)的像素基分析，面向?qū)ο蟮挠跋穹治龇椒ǎ∣BIA）更注重影像中對(duì)象的整體性和上下文關(guān)系，可以更準(zhǔn)確地識(shí)別復(fù)雜的地物和地形。利用無(wú)人機(jī)采集的傾斜攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，生成高精度的三維模型，可以更直觀地分析地形特征和地物分布。將無(wú)人機(jī)傾斜攝影獲得的數(shù)據(jù)與其他地理空間數(shù)據(jù)整合到GIS 中進(jìn)行綜合分析，再利用空間分析和模型來(lái)提高地物識(shí)別的準(zhǔn)確性和深度。

（三）無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用與展望

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷提升，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)將在硬件和軟件方面取得更大的突破，包括無(wú)人機(jī)的傳感器、飛行與降落安全、相機(jī)的高分辨率等。今后，無(wú)人機(jī)可能會(huì)結(jié)合人工智能、測(cè)量機(jī)器人等，在無(wú)人機(jī)自動(dòng)飛行或者數(shù)據(jù)獲取方面更加智能、高效、便捷。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在自然災(zāi)害的數(shù)據(jù)快速獲取、沿海地區(qū)的紅樹(shù)林保護(hù)、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門(mén)的莊稼種植等領(lǐng)域都將得到廣泛的應(yīng)用。

＜＜＜中渡古鎮(zhèn)偶拾（覃融 攝）