无人机航空三维倾斜摄影技术在矿山生态修复支撑调查中的应用

赵兴志，贾煦，孙建伟，刘星宇

(中国地质调查局西安矿产资源调查中心，西安 710100)

0 引言

随着科学技术的不断进步，我国对矿产资源的需求越来越大，矿山开发也快速发展。由于我国矿山数量众多，开发规模大小不一，开采水平参差不齐，很多矿山仍然处于粗放式开采阶段，导致我国矿山资源利用效率低、矿山环境遭到破坏。为落实习近平总书记秦岭生态保护重要批示指示精神，支撑秦岭东段生态环境保护，为豫西矿集区生态环境保护规划、国土空间生态修复提供科学依据。通过对熊耳山—伏牛山矿集区开展矿山生态修复支撑调查工作，发现因矿山开发而引起的地质灾害、地形地貌景观破坏、土地资源的损毁等生态环境问题，为后期矿山生态修复提供有效依据。

随着无人机技术的发展，无人机航空三维倾斜摄影技术也受到了越来越多的关注。为了更直观、更便捷地观察到矿区内的生态环境现状，解决因矿山开发引起的地质环境问题，我们将无人机航空三维倾斜摄影测量技术运用到矿山生态修复调查工作中。

1 数据采集与处理

1.1 矿山概况

本文以熊耳山—伏牛山矿集区重点区段矿山为例，监测区面积约20 km2，海拔410～820 m。监测区分为北部面积约17 km2，南部面积约3 km2，主要为中低山地貌。

1.2 无人机航空三维倾斜摄影测量技术原理

无人机航空三维倾斜摄影测量技术是以无人机为航摄平台，在同一平台通过搭载多种航空拍摄传感器，增加多个不同角度的拍摄镜头，同时采集与地面垂直的正片以及多倾斜角度方向的斜片或扫描的点云数据，采集的数据可以进行DEM(数字高程模型)制作、DOM制作、多光谱影像分析、DSM(数字地表模型)和DLG(数字线划地图)数据制作等，还可以结合像控测量成果及其他矢量数据、机载POS数据，批量建立高精度、高质量的三维模型。图1为三维倾斜摄影区域图。

图1 三维倾斜摄影区域图

1.3 采集工作

野外控制点是航测内业加密控制点和测图的依据，分为平面控制点、高程控制点、平高控制点三种。

本测区采用平高控制点，平高控制点须测定该点的平面坐标及高程。由于地形条件限制，采用不规则区域网布点的方法，在凸出处布平高点，凹进处布高程点。当凹角点与凸角点之间距离超过两条基线时，在凹角处也应布设平高点。根据区域网布设方法及特殊情况布点的要求，测区设计布设平高控制点56个，将像片控制点统一编号，并保证同一测区内不得重号。采用固定翼无人机大面积航摄采集，旋翼机小范围加密采集方式进行作业，GPS RTK采集布设像控点。本次采用GPS RTK测量方法对控制点进行测量，测量时基准站RTK测量一级控制点需要至少更换一次基准站进行观测，每次观测不少于2次，并选择平均值作为测量最终结果。图上点位中误差≤±0.1 m，高程控制点相对邻近基础控制点的高程中误差不应超过基本等高距的1/10，经计算全部像控点均达到精度要求。像控点成果进行100%的内业检查和不少于总点数10%的外业检测，检测时精度不低于待检控制点测量精度，图2为测区作业分布图。

图2 测区作业分布图

考虑天气因素的影响，无人机在航测作业时的天气状况、云层厚度、光照强度以及空气能见度都会影响三维建模效果，严重影响视觉观感，所以将北部航测飞行时间规划在9：00～16：00，南部航测飞行时间规划在11：00～15：00，尽量减小天气的影响。根据《1∶2000地形图航空拍摄测量外业规范》(GB/T7931—2008)中航测成图要求，北部及南部飞行航向重叠度和旁向重叠度参数均设定为80%，本测区记录统计表如表1所示。

表1 测区记录统计表

1.4 航测数据内业处理工作

航测作业结束后，根据飞行获得的POS数据及影像数据进行检查，影像质量检查包括以下几个方面：①影像的清晰度、层次、反差和色调判断是否可以辨认出地面分辨率相适应的细小地物，并能够建立精确的三维模型。②影像是否有大面积反光、阴影以及污点是否影响三维模型的建立。③考虑无人机地速的影响，计算在曝光瞬间造成像点位移是否满足业内规范要求。

以上数据符合规范后可进行空三加密，即为空中三角测量加密控制点的操作，可以实现大范围点位测定，节省大量实测调查，不直接接触测定对象，不受地面通视条件限制。加密内部区域精度均匀，平差时受地域面积大小影响较小。

航测数据内业处理工作是无人机三维倾斜摄影技术的重点，航测影像的预处理和空三加密完成后，即可将空三加密的成果导入SMART 3D 软件，开展倾斜三维模型建立。利用空三加密成果生成调查区内的高精度数字高程模型(DEM)成果和数字正射影像图(DOM)成果，利用倾斜模型及正射影像绘制1∶2000数字线画地图(DLG)。

2 应用实例

2.1 地质灾害遥感解译成果分析

以熊耳山—伏牛山矿集区重点区段矿山为例，其地势相对复杂，工作区地形变化较大，冲沟发育，岩石风化破碎，残坡积物较多，沿斜坡及沟谷堆放较多矿石渣堆，局部地区植被生长茂盛，以灌木刺槐为主，技术人员无法安全有效地对其开展地质灾害调查工作。以前的民采活动较为普遍，造成采空塌陷、滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害。

无人机三维倾斜摄影技术具有灵活的机动性和便捷性，相对以往技术人员实地调查以及传统航空遥感正射影像图相比而言，其优势明显。通过无人机平台解译DOM数据，可大面积获取地质灾害隐患的高分辨率、高精度地形地貌影像，可直观判别地质灾害类型，是相对危险性、隐蔽性较大的地质灾害区域监测的重要手段，图3为南部区域数字正射影像图(DOM)。通过生成的DEM数据获取地质灾害区域的坡度、坡向、高程、高差以及周围环境因素等信息，对地质灾害体地表信息全覆盖，可快速地调查清楚孕灾环境和承灾体，为后期灾害防止提供数据支持，图4为南部区域数字高程模型(DEM)。

图3 南部区域数字正射影像图(DOM)

图4 南部区域数字高程模型(DEM)

针对矿山开采产生的崩塌、滑坡、泥石流、地裂缝、地面塌陷沉降等次生地质灾害信息进行识别和信息提取，圈定其规模、位置、范围。根据解译可知，调查区内发育崩塌13处，滑坡8处，泥石流4处，地面塌陷4处。

崩塌为露天剥采形成的高陡边坡上危岩体的崩塌，崩塌物主要为基岩和上覆残坡积物。多位于陡峻的山坡地段，一般易发生在55°～75°的陡坡前，上陡下缓，在坡脚或斜坡平缓地段常有大量的崩塌体堆积，表面坎坷不平，规模以中、小型为主。节理裂隙发育，岩体破碎，陡坡上部多发育危岩体，威胁矿区生产、矿区道路以及林地。

在遥感影像上，可通过对典型滑坡的基本要素、滑坡标志的判译以及叠加三维模型来识别滑坡。主要由于矿山开采，局部坡面多为松散物质，在雨水的冲刷和渗透下，加上边坡的人为扰动，导致局部坡体结构破坏和强度降低，形成滑坡。主要威胁矿区道路与林地。

在矿山开采和工程建设过程中排放的土石方、矿山开采过程中排放的废石和矿山生产产生的矿渣，如果堆放不当或填埋冲沟，不加防护，加上冲沟坡度较大，在雨季易形成泥石流，主要威胁矿区设施、宿舍和公路。

地面塌陷多为小型地面塌陷，为采矿引发，平面多呈不规则椭圆形，长轴长90～100 m，短轴30～100 m不等，主要威胁林地与矿区景观。地面塌陷主要受矿体分布形态、地层岩性、地质构造、开采方式、降雨等因素制约，降雨与采掘爆破是重要的激发因素。

2.2 地表破坏遥感解译成果及数据分析

2.2.1 地表破坏遥感解译成果

针对矿山开采产生的地面挖损、占压、地形地貌景观破坏、土地资源损毁、排土场、尾矿库、废渣堆等进行识别，圈定其体积、面积、范围。共解译出尾矿库29处，典型采砂石点6处，典型采矿点11处，排土场13处，露天矿区2处以及洗矿场2处。

2.2.2 坡高、坡度、坡向及边坡质地分析

针对熊耳山—伏牛山矿集区自然地理条件和土地开发适宜性以及重点区段矿山的破坏类型和破坏程度等因素，选择合理的矿山生态修复方向和修复技术，让受损的矿山生态系统达到最优化的治理恢复及利用。根据实地调查以及解译结果将重点区段矿山生态修复方向主要分为林草地及自然封育模式、农业耕地模式、建设用地模式和生态景观模式。

林草地及自然封育模式相较于其他修复模式来说对地形条件、配套设施、土壤质量以及其他标准要求较低，所以在矿山模式生态修复方向中选择林草地及自然封育模式的较多。进行边坡林草地生态修复时，为了研究调查区范围内的矿山地形类型，为后期生态修复的方案提供依据，需要分析的数据包括坡高、坡度、坡向及边坡质地。利用获取的DEM数据、DOM数据和三维模型，结合Acute3D viewer、Agisoft PhotoScan和ArcGIS可以对调查区的数据进行分类分析。利用Agisoft PhotoScan进行基于DEM的测量，可以得到调查区内任意点位的地理位置坐标和海拔。通过计算得到范围内矿山最高点和最低点的海拔之差，为该矿山的高差。

其中边坡质地区分主要依靠研究DOM数据和三维模型的细节，通过设定相应的识别标准，在ArcGIS中做出每个数据的内容划分。在对三维空间模型的观察中发现，本次调查区范围内的边坡质地按岩性主要分为土质边坡(图5)、岩土混合质边坡(图6)和岩质边坡(图7)三类。

图5 土质边坡

图6 岩土混合质边坡

图7 岩质边坡

利用ArcMap中3D Analyst工具的栅格表面分析对调查区矿山DEM数据进行坡度分析，如图8为DEM添加。坡度分析前，需要进行投影，如果没有进行投影，坡度分析出来后，坡度将会集中在80°以上。得到坡度栅格数据后将重新调整坡度分级，最终得到调查区内坡度分析图，如图9所示。

图8 DEM添加

图9 南部区域坡度分析

同上步骤，打开[ArcToolbox]，利用3D Analyst工具中栅格表面分析对调查区矿山DEM数据进行坡向分析，得到坡向栅格数据。如图10所示为南部区域坡向分析图，调查区内各矿山以南北走向为主，山坡整体朝向为东西方向。矿山复绿时可按照植物种类生长时对日照采光的要求，如黑麦草、兰花、梅花等喜阴好养的植物，进行科学有效的分类种植，以取得最佳的植物生长效果及生物多样性。获取坡高、坡度、坡向及边坡质地等分析数据后，可根据不同的适用条件选择不同类型的边坡生态修复方法，以达到最佳的生态修复效果。

图10 南部区域坡向分析

2.3 无人机三维倾斜摄影模型应用

矿山实景三维模型是数字矿山建设中的基础数据，包含了丰富的矿山地物信息和地理信息，可以进行地物解译和简单的地质测量。除了可以对地质灾害预警和监测，还可以利用Acute3D viewer软件的轨道模式、平移模式进行360°方位缩放、翻滚、平移等操作，直观清晰地呈现矿山实景三维模型，通过建立不同时间段的三维模型可以观测矿山开采情况及生态复绿情况，对调查区内林地、草地、湿地等空间分布、类型及范围监测，进行植被覆盖率计算。如图11所示为南部区域实景三维模型。

图11 南部区域实景三维模型

3 结语

鉴于以往技术人员到矿山实地调查时遇到的山体地势险峻、植被发育茂盛、水域宽、调查人员不易到达、作业效率低等问题，无人机航空三维倾斜摄影技术以效率高、成本低、数据精确、视野范围广、操作灵活等优点得到技术人员的广泛应用。

目前获取DEM数据的方法有很多，较为常见的有野外实地测量、卫星遥感、干涉雷达技术、激光雷达技术等，考虑到在矿山生态修复调查时需要高效、快速地获得大比例尺、精度高的DEM数据，为后期矿山生态修复提供有效数据支撑。无人机航空三维倾斜摄影技术不仅可以满足以上要求，还可以同时采集不同角度的数据，有效降低了三维建模成本。无人机三维倾斜摄影技术优点明显，但无人机在快速飞行时稳定性较差、旋转偏角大较难掌握，由于无人机搭载的是非专业量测型相机，影像畸变大，很难提高数据质量。

本文基于无人机三维倾斜摄影技术，选取熊耳山—伏牛山矿集区重点区段矿山为调查区进行生态修复支撑调查。结合区域地质概况、因矿山开采产生引发的地质灾害、土地资源损毁、挖损、占压、地形地貌景观破坏、水土污染等矿山地质环境问题、矿山地质灾害调查资料，充分提取调查区地质环境条件、矿山开采挖损、占压、土地资源损毁、地形地貌景观破坏信息，计算其面积、体积、矿山开采量。识别提取崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂缝等地质灾害信息。基于地质灾害二维、三维演化特征，探索总结地质灾害特征信息识别提取方法，准确圈定地质灾害隐患；形成基于三维倾斜摄影的熊耳山—伏牛山矿集区地质灾害隐患识别技术方法，为熊耳山—伏牛山矿集区地质灾害早期识别、调查评价提供技术支撑。