无人机三维模型在矿山环境治理勘查设计中的应用

彭振 李玉倩

摘 要：随着科技的进步、无人机航空摄影技术普及，基于无人机航空摄影技术形成的三维模型具有可视、形象、带有地理坐标信息及高程信息，在矿山勘查设计工作中应用前景广阔，可以取代部分野外调查及数据核实工作。具体表现在以下几方面：通过将制作好的地形数据导入三维模型验证地形图的准确性;结合三维模型的可视化直接在三维模型上圈定各种地质单元作为分界线;结合三维模型的立面模式直接绘制高精度的剖面图，尤其适用带有负地形的剖面图;结合三维模型的立面模式绘制高精度的高陡边坡立面图，计算坡面表面积;验证设计线在现状中的位置，避免出现不合理位置的工程布置。

关键词：无人机;三维模型;矿山环境治理勘查设计;剖面图

Abstract： With the progress of science and technology and the popularization of UAV aerial photography， the three-dimensional model formed based on UAV aerial photography provides visual， image， geographic coordinate and elevation information， with broad application prospects in mining exploration and design， and the potential to replace part of the work of field investigation and data verification. It is shown in the following aspects： verifying the accuracy of the topographic map by importing the prepared topographic data into the 3D model; relying on the visualization of the 3D model to directly delineate various geological units on the 3D model as the boundary; using the elevation model of the 3D model to draw the section with high precision， especially the section with negative terrains， and also to draw the high and steep slope with high precision， and to calculate the slope surface area; verifying the positions of the design lines in the current situation to avoid unreasonable positioning of the project layout.

Keywords： UAV; 3D model; exploration design of mine environment treatment; profile

在傳统的矿山治理勘查设计过程中，需要调查人员深入现场，对每个渣堆、渣坡、采面进行细致描述，根据地形图圈定地质单元，并进行详细记录。此种方法调查时间长，受地形影响，对于高陡边坡及潜在崩滑风险的区域一般很难直观记录。随着无人机低空摄影测量技术的成熟，在此基础上建立的三维模型具有直观、形象、可视化、带有各种地理信息及高程数据信息优势，该技术可以同时获取DLG、DEM、DOM数据，可以全面细致地掌握地质环境治理恢复区的地形、地貌、工程布局、周边环境，能够方便的进行规划设计、土石方量计算、工程部署，极大地方便了矿山地质环境治理恢复设计工作（魏继壮等，2020）。

通过EPS、DPGrid、PixelGrid等相关三维软件的交互功能，可将模型中地物数据的高程及位置信息导出再利用，也可将布置的数据信息导入三维模型验证位置关系。在此功能基础上，可实现室内核实地形数据准确性，识别并圈定各种地形地物信息，绘制高精度的地形剖面图、立面图、工程地质图及计算坡面表面积等功能，极大提高矿山环境调查的精度、效率。

1 核实地形图

矿山环境治理勘查，首先需要一张能够精确反映矿区地形地物的地形图，基于无人机三维摄影技术形成的三维模型因具有高程及坐标信息，可以用来提取高程数据，最终形成地形图，此种方法具有采集效率高、成本低的优点，可充分满足矿山测量要求（石筠，2020），但因采集过程的各种因素可能出现局部地形失真的问题，借助无人机三维模型，可以节省大量野外验证的工作。根据无人机测量生成地形图的原理，即在三维模型上提取特征高程点，生成三角剖分网生成地形线。验证地形图通过利用反向导入的模式，将地形图导入到三维模型中。准确的地形线会完全贴合现状地物表面;不准确的地形图一般会有3种错误，第一种地形线悬浮于三维模型（北京市地质矿产勘查开发总公司，2020）之上（图1），第二种为地形线穿过三维模型（图2），第三种错误为地形线数据突变，折线形状异常，一般发生在有植被茂密区域，为提取高程来自植被高程而非地表高程所致。前两种错误产生的原因为地形高程数据提取点少，没有在相应区域提取高程;笔者使用的是EPS三维测图系统。

2 现状地物的识别及圈定

矿山环境治理中，在勘查核实地形后，要根据地形地貌特征及治理手段的不同，将矿山现状地物的渣坡、渣堆、采面等地质单元分别圈定，绘制在地形图中，传统方法为手持地形图到矿区现场，结合现状在地形图中圈定范围，室内再转绘到电子版地形图中。无人机三维模型具有可视化的地形地物及坐标信息，可以简单的野外踏勘后，利用现状模型直接室内圈定范围，此方法具有直观、具体、准确的效果，见图3、图4。通过三维模型可以360°环绕观察现状地物，犹如身临其境，尤其是对于一些人员无法到达区域，如高陡采面，边坡裂隙等，极大提高了矿山勘查工作的效率及安全性。对于小型滑坡、崩塌这两种地质灾害的灾前调查和灾后评估有较大的适用性，尤其适合北方地区干旱少雨的气候，小型崩塌常见，且部分位于较陡峭的岩壁难于实地调查（张翊超，2019）。陈天博等（2017）针对北京市西南部的霞云岭乡附近山区某处滑坡区域进行了研究，并采用无人机测量，研究借助ESP工具通过面向对象方法可实现滑坡信息的自动提取，并对提取出来的滑坡区域进行了形态与纹理的分析以及精度评价，其中用户精度为1.44%、生产者精度为84.65%。这样的数据，较好地证明了他们的滑坡提取方法具有较高的精度与应用价值（邹雨甜等，2018）。

3 制作高精度的剖面图

矿山环境勘查中高精度的地形图及剖面图对于设计至关重要，直接关系到后期设计工程的布设，一般情况下剖面图绘制有两种方法，一种为人工利用导线结合定位设备现场实测，另外一种则是采用图切等高线及高程点的方法获得。两种剖面图获取方法主要依赖原始测量数据的精确程度，对于高陡采面边坡，测量人员难以到达，数据获取一直是一个难点。借助无人机三维模型可以准确提取高陡采面边坡的高程数据，地形数据获取精确可靠，与之对应的图切剖面数据也会更精确。此外受限于地形图中绘制展示形式，不能反映具有负地形的地物数据，而基于无人机三维模型则可真实地反映存在凹腔的负地形地物数据（图5a），再通过三维测图软件中的图切剖面功能，可直接生成具有负地形剖面图（图5b），大大提高了剖面图的准确性，对于需要填补凹腔或者削坡的边坡治理设计作用显著。

4 制作高精度的立面图

针对废弃矿山内的裸露岩质边坡，根据其岩性、坡度、高度、坡面粗糙及起伏程度等基础要素，常采用生态袋、厚层基材喷播、植生槽、CBS植生混凝土、台阶法等对边坡进行生态修复;为了计算不同治理方式面积及为施工提供指导需要制作立面图，传统方法为人工采用导线结合测距设备进行量测，此方法效率较低，且存在安全隐患。基于无人机三维模型可实现高精度绘制，极大提高了工作效率，主要工作方法为在软件立面绘图模式下绘制地质界线，或者其他立体边界线，软件会自动按照高程及延展方向记录水平距离及垂直高程（图6）。

5 辅助矿山环境设计工作

原始的设计工作主要依据地形图，无对应地物底图，一般根据图切剖面及地形疏密布置排水沟、挡墙等工程的位置，偶尔会出现不符合现场地物的设计，如悬崖上种树，屋顶上修水渠等。基于无人机三维模型技术，可实现在三维模型中布置相应工程，或者应用三维软件的交互功能，将设计线导入模型，验证设计成果，省去了野外验证的过程，节省了人力、物力。此外基于无人机三维模型技术，可实现不规则坡面的表面积计算，具体方法为导入需计算区域的闭合边线，选择计算表面积即可，对喷播及挂网等坡面工程量计算尤为实用。需要注意的是，此计算结果为实际坡面面积，会大于实际挂网面积，统计数据时要根据实际坡面起伏情况适当核减，坡面存在凹腔区域越大，核减量越大。

6 结论与展望

基于无人机摄影测量技术形成的三维空间模型，使数据变得立体形象，借助EPS等三维工具可实现核实地形数据准确性，识别并圈定各种地裂缝、岩土界线等地物信息，绘制高精度的地形剖面图、立面图、工程地质图，计算坡面表面积等矿山地质环境相关技术问题。无人机的三维影像技术极大提高了野外工作效率，降低了野外调查的风险及工作成本，使各种地质信息具有高精度可量测性，在矿山环境治理勘查设计中具有广阔的应用前景。

虽然无人机三维模型具有较高的精度及可量测性，但该模型基于航拍影像数据，因其分辨率高，数据量巨大，处理数据需要大算力的计算机，在此基础上生成的三维影像也因此占用空间较大，动辄几个吉字节，对硬件存储空间及传输速度提出了更高要求。

参考文献：

北京市地质矿产勘查开发总公司，2020. 北京市门头沟区潭柘寺镇北村（页岩矿）治理项目：三维模型[R].

陈天博，胡卓玮，魏铼，等，2017. 无人机遥感数据处理与滑坡信息提取[J]. 地球信息科学学报，19（5）：692-701.

石筠，2020. 无人机三维摄影技术在矿山地质勘查中的应用研究[J]. 世界有色金属（1）：112.

魏继壮，王刚，2020. 无人机调查技术在矿山生态环境恢复治理工作中的应用[J]. 世界有色金屬（2）：31

邹雨甜，毛凯楠，任红容，2018. 无人机影像在滑坡地质灾害调查中的应用[J]. 科学技术创新（25）：16-17.

张翊超，于淼，韩建超，2019. 浅谈无人机在地质灾害应急调查中的应用：以四渡河滑坡、大石地崩塌调查为例[J]. 城市地质，14（4）：96-99.