基于倾斜摄影测量的矿山生态修复规划应用

孙丽红，朱大明，李勇发，熊鹏

(昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650093)

1 引 言

随着经济的发展，历史遗留的废弃矿山逐年增多，环境问题不断涌现，传统手段无法解决矿山修复治理问题。废弃矿山生态修复主要来源于发达国家修复生态学的发展[1]；近年来，随着倾斜摄影测量技术的发展和无人机的快速成熟应用，基于无人机技术的倾斜航空摄影测量，可以方便、灵活地获取多角度高分辨影像，快速自动地生成实景三维模型[2，3]，并可以在室内基于实景三维模型进行地理要素采集，替代了外业实测，节省了时间，由于无人机具有操作灵活、高效快速、低使用成本的特点，已发展成为重要的航测遥感平台[4，5]，无人机倾斜摄影技术也随之成为研究和应用的热点[6，7]。利用无人机倾斜摄影技术对矿山生态修复规划进行科学合理的评价、复核、验收已具有显著的现实意义。

无人机倾斜摄影技术用于补充传统航空摄影测量，也是矿山工程规划中的重要技术组成部分[8]。可以实现高精度、高效率、高还原度的地物三维建模工作，此项技术正是在高陡边坡地质调查工作中的关键[9]，主要利用了无人机拍摄画面清晰的特点。矿山多分布于偏僻的山地区域，地势崎岖、自然环境恶劣，致使传统的地形勘察与建设规划方式存在难度大、周期长等缺点；而无人机摄影测量模式正好能弥补此类缺陷，有效提高工作效率[10～12]。此外，在矿山复杂的山地环境下，无人机作业能避免野外工作人员攀爬危险的高陡山坡区域，减少工作安全事故风险[13]。基于此，本文以云南省禄劝县露天废弃矿山生态修复项目为例，在验证无人机倾斜摄影数据精度的基础上，对比传统测量的工作效率及方法，分析不同成果的优势，并结合项目针对倾斜摄影测量成果开展适用效果评价分析，探索无人机倾斜摄影测量技术在矿山生态修复领域的适用性。

2 研究区概况

项目区位于禄劝县，共有16个图斑，涉及4个乡镇。实施方案按照“工程治理、绿化修复、自然修复”三种生态修复方式开展综合治理工作。考虑图斑较分散，为了更好地展现倾斜摄影测量技术在该方案中的运用，从矿山测量及修复治理出发，选取以工程治理为主的图斑作为研究区。研究区位于禄劝县汤郎乡汤郎村委会，地理坐标为东经102°17′26″～102°17′48″，北纬26°12′46″～26°13′36″，处于两省三县交界处，面积为 19.22 ha。本文以工程治理图斑为研究区，讨论倾斜摄影测量技术及三维立体模型在矿山生态修复领域中的应用前景。

3 倾斜摄影数据的生成及精度验证

3.1 倾斜摄影数据的生成

倾斜摄影技术主要内容包括倾斜影像数据获取技术和倾斜影像数据处理技术[14，15]。

(1)倾斜影像数据获取

倾斜影像数据获取采用五向飞行法倾斜拍摄，并从各个角度获取地物、地貌的垂直和倾斜影像以及位置信息，如图1所示。

图1 同一地物的正片与斜片

为保障无人机倾斜摄影测量成果与工程治理图斑坐标系统一，使成果数据精度满足生态修复规划的需求，在航摄区域内人工布设5个像控点，形状为长约 1 m，宽约 0.10 m的十字形，其像控点坐标及精度信息如表1所示：

像控点坐标及精度信息表 表1

(2)倾斜影像数据处理

本项目通过Context Capture Master图像处理软件全自动地实现航摄数据生成，其最终成果包含不同视角的影像数据、三维点云数据(S3C)，数字地表模型(OSGB)。

3.2 倾斜摄影数据的精度验证

拟沿研究图斑区域采用GPS-RTK测量方法进行地形测量，实测300个点，范围约 0.47 km2，与无人机倾斜摄影测量成果提取出的数据进行精度分析。另外在视野开阔的平缓区域及较密集的树林覆盖区各选取15个实测点进行水平精度及高程精度误差分析，如图2所示。

在较密集的树林覆盖区增选的15个实测点，高程最大误差达 1.250 m，最小误差为 0.520 m，中误差为 0.885 m，由于DSM数据在高程上的精度变化较大，植被较密集区域与原始地形存在一定的差异，但矿山生态修复项目重点是对植被破坏严重的裸露区域进行规划，故在较密集的树林覆盖区高程精度差异对项目的规划影响较小。表2为样本数据误差分析。

图2 研究区实测点、验证点分布图

样本数据误差分析表 表2

由表2可知，此次无人机倾斜摄影测量数据水平精度满足 1∶500比例尺数字航空摄影测量测图规范和基础地理信息数字成果的要求；在高程数据上，地表出露区域精度能满足要求，较密集的树林覆盖区由于DSM用于反映地物覆盖情况，所读取的数据通常为覆盖物的冠顶数值，虽然精度与原始地形有一定差异，但直观上更能反映地表的现状，对于植被来说可以反映植被覆盖度，对矿山生态修复规划中植被覆盖度的确定及植被重建后所能到达的效果起到较明显的参考对比作用。故倾斜摄影测量数据成果可以用于指导矿山生态修复规划运用。

4 倾斜摄影数据运用分析

根据研究区样本数据的获取及精度验证分析可知，无人机倾斜摄影测量技术获取的废弃矿山地形数据可信度高，操作性强。鉴于上述成果，本文从工作效率及方法、成果对比及适用效果等方面对倾斜摄影测量技术及三维立体模型在矿山生态修复的适用性及效果开展如下分析：

4.1 工作效率及方法分析

传统测量方法主要有水准测量、全站仪测量及GPS测量法。这些测量方法一般通过人工使用GPS-RTK、全站仪等设备野外采集数据，室内处理后加工而成。传统的作业方式，周期长、成本高、效率低、人工物力投入大，当测区范围较大，测区环境复杂时，将影响工作进度，使工期成本提高。传统测量工作主要包括角度、距离及高程等测量工作，受地形及环境的影响较大，成果多为二维地形图，后期矿山生态修复中涉及土方平衡、石方平衡、危岩清理量及工程布设等分析中误差较大、花时较多，不能直观地指导矿山修复。工作时间是权衡工作效率的重要指标，劳动强度投入可以侧面反映成本盈利的情况，通过对传统测量方法与无人机倾斜摄影测量方法在工作时间及方法上的比较，无人机倾斜摄影测量方法具有较强的操作优势，外业周期短、成本低、效率高，使得外业工作量大幅减少，进而提高工作效率。以禄劝县工程治理图斑测区范围的测量工作为例，换算在同一任务范围内，无人机倾斜摄影测量工作相比传统测量工作所花费的时间极大地减少，减少了约5倍的工作时间，降低了项目的时间成本；另外，用无人机进行倾斜摄影测量工作，在矿区环境复杂的情况下，可以避免外业人员攀爬高陡山坡区域，避开松散岩石滚落的危险，进而减少工作安全事故风险。具体如表3所示。

不同测量方法时间对比表 表3

4.2 成果对比分析

传统测量方法主要成果为数字线化地图(DLG)，包括空间信息和属性信息。一般含有等高线、线状地物、地类界线、行政区界线以及地物注记等地物要素。无人机倾斜摄影测量主要成果为不同视角的影像数据(包括正射影像DOM及倾斜影像)、数字地表模型(DSM)以及三维点云数据等。由于正射影像DOM具有很高清晰度，相比传统测量地物轮廓点的方式，可以在影像成果的基础上更高效地勾绘地表地物轮廓；倾斜影像结合配套软件可以实现地物的长度、高度、坡度、角度及面积等量测功能，从不同方位反映物体的形状和大小。DSM数据最能真实反映地表情况，涵盖了DEM数据以外的地表高程信息，可以获取地表覆盖物的冠顶高程，从而与相邻地面高程做对比，可以推算出覆盖物的高度，为后期规划选种或定规格提供参考；三维点云数据经过处理可以生成三维模型，实现矿区的三维可视化，模型中的地物可以直接进行测算，更详细便捷地反映地物特征。因此，无人机倾斜摄影测量成果相比传统测量的成果数据获取手段更高效、内容更丰富，效果更直观，特别是三维模型对矿山生态修复工程布设及效果展示具有较明显的优势。

4.3 适用效果评价

无人机倾斜摄影测量成果数据除了能精确表现废弃矿山地形条件优势外，还具备以下适用优势。以禄劝县工程治理图斑范围的测量成果运用为例。

通过对研究区进行倾斜摄影测量，获得了研究区的多视角影像数据，包括垂直影像和倾斜影像数据。垂直影像数据是与地面垂直拍摄所得的影像；倾斜影像数据是从不同的四个方位，一定的倾斜角拍摄而得的影像。多视角的影像是无人机倾斜摄影测量成果中的特色，它可以更为详尽地获取地物侧面信息，具有较高的分辨率，且影像覆盖范围广。此次飞行的地面分辨率在 0.04 m～0.05 m之间，针对矿山生态修复的规划需求而言，研究区数据可以详细展现矿区内的地表地物，能够清晰呈现拟修复矿区的开采程度及破坏情况，包括遗留废石的分布情况、区内建构筑物位置、危岩分布区域、土源堆放区域、矿区道路现状情况、区内及周边植被覆盖情况等。其不仅为废石清运、危岩清理及土石方平衡分析的量算与工程布设提供有效途径，也为矿山生态修复过程中安全风险预测及评价提供直观的信息支撑。除此之外，由于多视角影像可以从不同方位反映地表的真实情况，有利于指导矿山生态修复工程的布及后期的施工。同时也可将实施方案的规划设计与影像叠加，清晰明了地呈现矿山生态修复后的效果，有效辅助各大工程的实施，也为矿山后期生态修复效果评估提供了依据，如图3所示。

三维点云数据是通过离散点来记载地物的高程信息和地表色彩，可获得地物的三维信息，以此进行三维地表建模，从而实现项目区的三维可视化；通过三维模型可以进行地物三维参数的量算，包括危岩松散区域、土石方堆积体、深坑高度以及植被覆盖度反演等。对于矿山生态修复规划设计而言，实景的三维模型不仅可以从整体上展现废弃矿山拟修复的环境概况、道路沟渠长度、边坡坡度及植被覆盖情况等重要信息，而且还能根据工程设计方案进行工程量的核算、实施三维复核，对项目区危岩清理及废石清运等相关状况进行客观展现，以此辅助矿山生态修复防治工程中的安全建设，规避不合理的建设安排及工程量计算。以禄劝县工程治理图斑为例，根据三维模型核算拟生态修复区域的危岩清理、土源、建构筑物拆除及废石清运量。具体如图4所示。

图3 废弃矿山生态修复规划设计图

图4 三维工程量核算图

5 结 论

在分析无人机倾斜摄影测量获取数据的过程及精度验证的基础上，通过与传统测量在工作效率及方法、成果数据等方面进行比较，开展无人机倾斜摄影测量成果在矿山生态修复领域的适用效果评价分析，得出五点结论。

(1)无人机倾斜摄影测量成果精度上满足废弃矿山生态修复规划设计的需求，能够指导该领域具体工作。

(2)废弃矿山通常开采已完毕或已关停，矿区内环境复杂且恶劣，无人机倾斜摄影测量受地形环境限制小，机动灵活性高，能有效避开复杂地形，规避作业盲区及高陡边坡测量时攀爬及危石滚落的风险，工作效率及安全性远高于传统测量。

(3)DSM数据能更真实地记录及反映地表实际状况，废弃矿山内部植被覆盖较低，可通过周边植被覆盖度反演废弃矿山生态修复后能到达的植被覆盖度。为矿山生态修复植被重建工程方案提供了依据。

(4)高分辨率的多视角影像能从不同方位清晰展现废弃矿山拟修复区域以及周边的地物信息，极大方便矿山生态修复中工程布设的安排及建设，也方便当地政府实时掌握矿山修复工程布设的内容及后期监测管理计划的制订。

(5)由无人机三维点云构建的三维模型适用于矿山生态修复过程中危岩清理及废石清运区域的三维展示，并实现相应的堆积及清运方量核算，若后期对矿区进行多期倾斜摄影测量工作，可动态演示废弃矿山生态修复中工程建设进度及矿山的复绿效果，能有效辅助矿山生态修复效果的评价及验收。

总之，无人机倾斜摄影测量技术的应用，对于废弃矿山的生态修复工作具有较大的现实意义，基于该技术的优势特点，该技术未来市场前景广阔，在矿山生态修复中还有巨大的利用价值和开发空间。