基于ArcGIS的三维航测成果在露天采坑生态修复与矿山生产中的应用研究

张启慧，王程松，卫石印，董玉芬，冯英明

(山东省煤田地质局第一勘探队，山东 青岛 266400)

0 引言

近年来，随着人们生态修复理念的增强，越来越多生态修复项目得以实施，生态修复理论也日趋完善[1-5]。随着无人机倾斜摄影技术的快速发展，无人机航测技术在生态修复项目中的应用越来越广泛，逐渐显现出其高效、灵活的优势。相较于传统测量技术，无人机航测具有成本低、精度高的优势，并能采集地表的各种纹理信息[6-12]。此外，通过无人机的应用进行多期测量，更可实现土石方量的准确计算[13]。目前李小光[14]、白晓慧[15]等在分析传统基于CASS的各类方法弊端基础上，研究了新的基于ArcGIS的露天矿山土石方量测算方法。王勇[16]等研究和实践了ArcGIS在小流域水土保持规划设计中的应用。任玉雪[17]、刘彦[18]等则关注ArcGIS在生态修复适宜性评价中的作用，从而实现生态修复分区；李小光、岳境、丁玉龙等对ArcGIS在露天矿山三维可视化等方面的应用进行了研究[19-21]。本次工作以日照市某露天矿区为例，使用多旋翼无人机倾斜摄影技术进行影像采集、RTK控制点测量，通过ContextCapture软件进行数据处理，建立矿区的三维实景模型和DSM模型。基于ArcGIS的相关功能，进行地质环境治理设计与矿山生产设计，重点解决矿区现状的快速获取；基于ArcGIS的地质环境治理设计；土石方量计算与露天矿山的动态储量监测；设计效果三维可视化展示。

1 研究区概况及研究方案

研究区位于日照市丘陵区，属北温带季风区，原始地形起伏，中部为原始山体，最高标高165m，坡角标高30～60m，山顶植被稀疏，山体西北部为遗留废弃采坑，早期矿山开采遗留的开采立面，经切坡、开挖形成宕口，呈现为陡崖悬壁，基岩出现裸露。局部基岩经卸荷产生大量张开性拉张裂缝，使区内高陡岩质边坡整体稳定性变差，地质环境破损严重，有浮石等地质灾害安全隐患；采坑周边渣石随意堆弃，造成水土流失、地形地貌景观严重破坏，视觉污染严重。山体东南侧为另一采矿权，已编开发利用方案并准备实施露天开采。

研究区内地层不发育，主要为第四纪山前组，分布于山前及坡麓地带，岩性为灰黄色含砾砂质黏土、黏土质粉砂、含砾砂等。山体岩性为新元古代晋宁期铁山序列官山单元中细粒含黑云二长花岗质片麻岩。采坑内构造不发育，主要为岩体内的小裂隙，岩体内节理较发育。含水层主要为碎屑岩类基岩裂隙含水岩组，富水性弱，水文地质条件简单。为消除地质灾害隐患，改善周边生态环境，我们将结合采坑现状及周边采矿权的设立情况，统筹考虑，对本区进行综合地质环境治理设计。研究拟使用ArcGIS对西北侧山体进行地质环境治理设计、东南侧山体依据开发利用方案进行矿山生产设计。借助ArcGIS相关功能，同时实现治理设计与矿山生产的三维可视化与土石方余量计算、生产监管。在采用无人机倾斜摄影测量获取原始地形数据、影像纹理数据基础上，使用ContextCapture软件进行三维建模及生产DSM，获取设计所需的基础、原始数据；利用ArcGIS的地理信息管理与设计功能进行研究区规划设计；使用ArcGIS生成设计后的TIN网格；将TIN转化成DEM栅格数据；使用Sketchup进行纹理贴合；利用ArcScens软件的三维功能进行三维可视化展示；将设计后的DEM栅格与航测取得的DSM数据进行比对，计算治理产生的土石方余量；通过多期无人机航测，获取项目实施过程中的多期DSM数据，从而进一步实现生态修复全过程、矿山生产过程的监理、动态储量监测服务，促进当地生态环境和谐发展。

2 数据获取与处理

2.1 数据采集

采用无人机对研究区进行倾斜摄影测量，研究区标高30～165m，地形起伏较大。通过对航高、重叠率、像控点布设、航线等进行优化[22]，采用分层航飞的方式，设置不同的航高以保障地形低处的分辨率及高处的重叠率，像控点按照均匀分布、高低错落布置的原则，整体保证测量结果的精度，完成原始影像数据的采集(图1)。

(a)—1S型航线示意图；(b)—高程优化示意图；(c)—控制点布设图图1 无人机数据采集

2.2 数据处理

对航空摄影测量采集到的照片，采用ContextCapture软件进行三维建模：平面坐标采用2000国家大地坐标系，高斯—克吕格(Gauss-Kruger)投影，中央经线120°，按3°分带；高程基准采用1985国家高程基准。经过空中三角测量计算—像控点测量—空中三角测量计算—实景三维模型生产[23]→DSM、DOM生产，我们可以获取到治理设计与土石方量计算所需的全部原始数据。在三维测图软件Acute3D Viewer中测量出三维模型中控制点的坐标，并与RTK实测坐标进行对比，认为得到的航测成果精度满足设计需要。

取得的主要成果包括实景三维模型，OSGB格式；DOM(数字正射影像)，TIF格式；DSM(数字表面模型)，TIF格式。

3 应用研究

3.1 使用ArcGIS进行设计

首先建立GDB格式的数据库，将航测的DOM正射影像图与三调成果、生态红线、基本农田、公益林、权属、规划等数据进行套合，以确定矿坑治理的范围。使用ArcGIS工具箱中的Arctoolbox→3D Analyst Tools→栅格表面→坡度工具创建研究区全区的坡度模型。依据坡度模型、参考三维实景模型与DOM，将研究区以图斑的方式分为削坡区、续坡区、平整区等各个区块，并建立平台标高字段，录入设计的平台标高值，完成主要工程布置(图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°图2 研究区坡度图

依据治理设计思路，使用ArcGIS绘制治理分区(图3)。

(a)—基于ArcGIS的分区设计；(b)—TIN网格模型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图3 基于ArcGIS的分区设计与生成的TIN网格模型

添加字段：平台标高，填入设计的平台标高值(表1)。依据设计的不同分区与平台标高，生成设计区的TIN网。

表1 基于ArcGIS的设计分区统计

TIN(不规则三角网)是基于矢量的一种数字地理数据存储形式。它通过构建一系列的折点(点)来组成三角形网，通常用于较小区域的高精度建模等工作。使用ArcGIS工具箱中的Arctoolbox→3D Analyst Tools→数据管理→TIN→创建TIN工具，依据设计的分块标高字段，创建设计的TIN网格模型，实现对前期设计的三维化。DEM(Digital Elevation Model)数字高程模型则为构建连续变化的曲面，将表面以数字的形式按照一定的组织结构确切的表现出来，可更方便的与航测的DSM模型进行比对。使用Arctoolbox→3D Analyst Tools→转换→TIN转栅格工具，创建设计后的DEM模型，用于后续的土石方量计算。

传统的治理设计一般借助于MapGIS、Auto CAD等设计软件进行设计。传统基于二维的地质环境恢复治理设计，无法将治理后的主体形象展示出来，也无法满足快速发展的需要，本次研究使用ArcGIS相关功能对研究区进行三维立体设计，从而最终达到三维展示的功能。ArcGIS作为目前较为主流的一款地理信息系统软件，具有严格的地理信息管理功能，图件具有严格的空间参考与拓扑关系，其在空间分析、数据管理、数据发布等方面具有明显优势[24]。目前，第三次国土调查及各类规划均基于ArcGIS进行建库，因此研究基于ArcGIS的生态修复设计，对于后期数据共享、空间分析等都具有重要意义。

3.2 使用ArcGIS对设计产生的土石方余量计算

ArcGIS填挖方工具，可以计算两表面间体积的变化，通常用于执行填挖操作。其具体原理为计算每个像素元前后的体积，并累积得到整体的填/挖方量。

对于单个像元，其体积公式为：

Vol=(cell_area)×ΔZ

(1)

ΔZ=Z_Before-Z_After

(2)

面积计算:将区域内的像元数量(计数)与栅格像元大小相乘即可求出面积。累积整个区域内，所有挖/填方像素单元的体积，使用ArcGIS工具箱中的Arctoolbox→3D Analyst Tools→栅格表面→填挖方工具，依据航测生成的DSM数据与设计的DEM栅格进行计算，得出设计治理施工产生的土石方余量。

本次依据航测DSM数据与设计的DEM栅格进行填挖方计算，得出设计治理施工产生的土石方余量。

Ⅰ区矿区范围内主要为挖方区，总挖方区面积为78744.79m2，总挖方体积282.26万m3，总填方区面积为1228.68m2，总填方体积0.42万m3。Ⅱ区治理区范围内主要为挖方区，总挖方区面积为116403.35m2，总挖方体积300.82万m3，总填方区面积为12206.45m2，总填方体积5.31万m3(表2)。

表2 挖填方量统计表

采用ArcGIS填挖方工具进行土石方量的计算，同传统储量计算常采用的地质块段法相比，采用了相同的原理，但该方法根据航测像元的大小，将需要计算储量的区域分割成像元大小的块段，从而极大提高计算结果的精度。传统块段法要达到更高的精度，只能通过拆分更多块段的方式来达到，但无法达到像元大小的块段级别。传统块段法计算土石方量，随着块段数量的增加，人工计算量也随之迅增，且易引入主观误差，采用ArcGIS填挖方工具，可极大降低计算难度与计算量，并减少主观误差(图4)。

1—挖方区；2—填方区图4 研究区土石方余量计算

3.3 多期航测以实现动态储量监测

项目实施过程中以及露天矿山生产过程中，通过多期无人机航测，获取生产过程中的多期DSM数据，计算每个阶段的土石料动用情况，进一步实现生态修复全过程、矿山生产过程的监理、动态储量监测服务。

从表3可知，经过一个阶段的生产，可以准确计算治理区累计挖方量。传统方法计算项目实施过程中的土石料开采情况，需投入大量的测绘成本，投入大量的物力、时间成本，由专业测绘人员，计算得到每个阶段的生产、治理情况，且计算结果不直观，对于每个区域的超层、越界情况无法起到实时监控的效果。使用多期航测配合ArcGIS方法，可有效实现动态监测的目的。

表3 挖填方量统计表

3.4 设计成果三维可视化

使用Sketchup进行快速、精确地构建治理后的纹理效果；ArcGIS系列软件中的ArcScene具有管理3D GIS数据、进行3D分析、编辑3D要素、创建3D图层以及把二维数据生成3D要素等功能[25]。因此使用ArcScene可以进行三维效果展示与应用发布[20]。在ArcScens软件中导入设计后的纹理影像，在图层属性中设置其在设计的DEM模型表面上浮动，将设计的纹理影像与设计的高程模型进行叠合。能够得到直观的三维可视化模型，从而实现基于ArcGIS的三维效果展示，这在第三方监理、行政主管部门视察、动态监管等工作中具有重要意义，可有效直观展示项目实施过程及项目实施产生的生态效益。

4 结论

本次工作通过实际案例，根据无人机航测优势，分析研究了基于ArcGIS的三维航测在生态修复与露天矿山生产中的应用，在采用无人机倾斜摄影测量获取原始地形数据、影像纹理数据基础上，使用ContextCapture软件进行快速三维建模及生产DSM，从而进一步实现生态修复全过程、矿山生产过程的监理、动态储量监测服务，最后运用Sketchup软件得到直观的三维可视化模型，并实现基于ArcGIS的三维效果的可视化展示，精准、高效的服务露天采坑生态修复与生产矿山，促进生态环境和谐发展。

(1)无人机可快速、便捷、低成本地实现复杂矿区的高质量现状影像获取，后期可通过Context Capture软件实现快速建模。

(2)ArcGIS可实现地质环境治理的设计任务，且可实现三维设计，便于后续设计效果的可视化展示。

(3)基于航测DSM和设计DSM，ArcGIS可方便快捷准确地完成土石方量计算。土石方量的计算会直接影响施工成本与收益，新方法相较于传统土石方量计算方法，不仅更加简单、高效，而且准确、直观，数据来源可溯。

(4)基于多期航测数据比对，可实现露天矿山动态储量监测工作，为进一步实现生态修复、矿山生产全过程的监理、动态储量监测提供支持。

(5)ArcScens可简单快捷地实现矿山地质环境治理设计效果的三维可视化展示。