无人机倾斜摄影在历史遗留废弃矿山生态修复中的应用

伴随着绿水青山就是金山银山理念的提出，全国各地逐渐淘汰关闭了一批综合利用率低、生产工艺落后、开采方式不规范、生态环境破坏严重的矿山，产生了一批政策性关闭和责任主体灭失的历史遗留矿山，该批矿山对生态环境造成了严重破坏，也引发了水土流失及沙漠化等一系列严重的生态环境问题，成为制约经济发展的重要因素，亟需恢复治理。由于时间短，任务重，常规的测量方法已经无法满足现实的生态需要，无人机倾斜摄影测量技术在建设“天蓝、水碧、山青、地绿”蓝图中显得尤为突出。它不但灵活性强、速度快，大大地缩短了外业测量时间，同时还能获取更多的影像信息，为规划设计人员提供了更加直观化和可视化的三维立体模型。

如上文中所述，在专利授权确权程序中，权利人有机会对权利要求进行修改，而在专利民事侵权程序中权利人不能修改权利要求，因此，只能依靠限缩解释权利要求来体现其实质技术贡献。

1 测区概况

渭源县位于甘肃省中部，定西市中西部，地处陇西黄土高原西部和西秦岭西延部分的交汇地带，境内梁峁起伏，群山逶迤，地势西南高，东北低，最高为南部的露骨山，海拔3941m，最低为渭河河谷区的三河口，海拔1930m。由于大批居民迁移于大面积垦坡种地，过度超载放牧及乱砍滥伐，致使境内自然林草地面积不断减少，自然植被遭到严重破坏，生态环境日趋恶化，自然灾害频繁发生，形成了“山秃水劣，风高土燥”的黄土高原环境。各个矿区之间相隔路程较短，矿区内部高差最大约80m，最小约30m，且地表裸露，地物地貌较为单一，是无人机摄影测量较理想的地形。

2 无人机倾斜摄影在废弃矿山测量中的应用

2.1 无人机倾斜摄影的技术优势

无人机倾斜摄影测量是新型的数据获取方式，其以自身所具备的诸多优势，在测绘领域得到广泛应用，其优势体现在如下几个方面：真实性、高效性、经济性、共享性以及高性价比等。该技术通过在无人机上搭载传感器，从多个角度获取影像，为三维模型的构建提供更多的数据支撑，除可以还原真实地物地貌的细节信息外，还能获取到准确的地理位置。

2.2 像控点的布设

为了保证后期模型的精度，减少工作难度，提高工作效率。选择合理的像控点布设形式尤为重要。像控点布设的形式主要取决于航飞区域的形状和大小，航飞区域的形状一般分为：规则矩形和正方形，不规则图形，带状。由于矿山生态修复项目所测量的区域一般面积较小，且多为规则矩形，如本次所测各个矿山区域均为规则矩形，像控点的布设均采用“2+1+2”的形式，布设方法采用全野外布点方案，像控点布设方式采用航摄前布设地标与航摄后刺点相结合的方式进行。

对测区开展摄影测量是为获取三维立体模型、正射影像图和地形图，根据《低空数字航空摄影规范》的相关规定：航向重叠度一般应为60%～80%，最小不应小于53%；旁向重叠度一般应为15%～60%，最小不应小于8%。在应用无人机倾斜摄影技术对矿山进行测量时，为构建精细的三维立体模型，要获得较高的倾斜影像重叠度，若是按照规范规定设置重叠度，则很难形成三维立体模型。因此为了进一步提升影像本身的配准精度，重叠度越大越好。故此，作业区航飞重叠率设置为：航向重叠率80%，旁向重叠率70%。为研究相机倾角与三维模型精度的关系，本次航摄时，将无人机的航高设定为120m。测区的面积比较小，最大测区面积为0.36km²，最小测区面积为0.14km²，从图1中可以看出，测区的地形条件较为单一，为提高无人机起飞与降落的灵活性，经过比较，最终选定大疆M300RTK无人机

。由于本次测量工作以低空摄影测量为主，所以需要配备高性能的成像系统及导航定位系统，这样能够大幅度增强航测效率。

在野外选刺像控点时，为了避免外业出现错误的点而造成像控点的补测，因此在像控点位上均刺双点或三点作为备用点。像控点坐标测量采用CORS网络RTK测量方法，测量时间大于1分钟，测量精度满足设计要求。

2.3 像控点地面标志样式

本次测区内以砂石路为主，若是采用喷漆法对控制点进行制作，则会影响影像效果。由于工作周期较短，不考虑像控点长期保存的因素，为使控制点的影像显示更加清晰，所以采用铺撒腻子粉在地面上拼成一个L形，如图2所示，对拐点外侧进行测量，以此作为像控点的坐标。

2.4 航空摄影

考虑到单个测区面积较小，地形起伏不大，为了保证精度和无缝连接，一次性成图，我们选择使用大疆M300RTK无人机进行飞行作业。

从构建的三维模型中提取像控点的坐标，与现场实测数据做对比，中误差为±0.054m。在不考虑实测误差的前提下，认定实测数据为真实值，从对比结果可知，基于Smart3Dcapture三维模型测得的控制点坐标可以满足1：1000地形图的制图要求

。在此需要指出的一点是，三维模型在构建过程中，是对所有影像整体平差。故此，该模型可以满足废弃矿山1:1000地形图的制作要求。

一位朋友来信说，自己怎样都做不好班主任工作。我好奇她到底是如何做的，便电话与之交流，发现她几乎每一项措施都是轰轰烈烈地开始，然后又无声无息地结束。“怎样做”——暗含着一个又一个日子的重复，暗含着困难挫折袭来之时的坚持。

2.6.2 建筑物精度

2.6.1 像控点精度

2.5 数据处理

2.5.1 选择处理软件

然后找到当前循环最差蚂蚁所经过的路径，应用式(10)的全局更新规则对属于最差路径但不属于全局最优路径中的节点的信息素进行更新。

2.5.2 构建模型

通过Smart3Dcapture软件构建模型时，需要先获取原始影像，经过整体平差后进行多视角影像密集匹配，随后构建三维TIN网格，创建白体三维模型，映射纹理后，便可得到三维场景。在获取原始数据的过程中，POS文件的格式为文本文档，导入该文件时，需要导入Execl表

。利用Smart3Dcapture能够得到矿区的整体三维效果和建筑细部图，如图3和图4所示。

由Smart3Dcapture软件构建的三维模型整体效果良好，模型中的地物衔接非常紧密，纹理极为逼真，整个矿区的轮廓和建筑物的结构在模型中清晰可见。利用无人机倾斜摄影获取的影像清晰度较高，结合地面控制点，能够生成具有高精度特点的三维模型。但从图4中可以发现，建筑物的角点、屋檐遮挡等部位存在模糊的现象，这是三维模型存在漏洞所致，这个漏洞可以通过后期处理修补。

4.生活条件得到改善，人民满意度增强。由于贫困地区得到了政府政策的支持，人民收入大大提高，老百姓对政府的满意度也会提高。农村的各项条件得到改善，当地的人口流出就会自然减少，这样城市和农村也会越来越协调发展。

2.6 测量结果分析

无人机优点较多，但电池的容量有限，导致续航能力不足，难以覆盖较大的面积。但本次测量的所有区域面积较小，加之选用的无人机系统能够按照用户的使用需要，在指定范围内，根据设定的高度及重叠率，自动对航摄路线进行规划，所以可以满足基本应用需要。在无人机操作系统主窗口中，能显示拍摄到的图像。

内业数据处理过程中，处理软件的选择较为重要，直接关系到处理效率和数据质量，所以要优选处理软件。目前，常用的处理软件有以下几种：Photoscarn、Smart3Dcapture和Pix4d。其中Pix4d在正射影像生成方面的效果显著，但三维建模速度比较慢，而且效果一般，很难满足高精度要求。Photoscarn、Smart3Dcapture均能处理数字图像，并自动生成三维模型，两款软件在建模效果方面并无太大的差异。从通用性和价格上看，Smart3Dcapture优于Photoscarn。故在本次测量中，选用Smart3Dcapture作为处理软件

。该软件最为突出的特点是能够从简单、连续的影像中，以非常快的速度完成实景三维模型的构建，生成高密度点云，若是用于影像拍摄的相机具有足够高的分辨率，则可使场景的还原无限接近于真实情况。不仅如此，该软件还能接收硬件设备采集到的原始数据，如无人机通过传感器获取的影像、地面上用相机获取的影像等，并将数据还原为三维模型。

2.4.1 采集影像

2.4.2 布设航线

不同麻醉液温度下对斑点叉尾鮰存活率的影响结果见图 1，结果表明，随着保活时间的延长，存活率显著下降，水温从2 ℃增加到10 ℃增加，存活率先增加后降低，当水温是6 ℃时，保活7 h后的存活率为100%，保活9 h的存活率为75%，远远高于其它组。与其它麻醉液温度相比，最佳麻醉液水温是6 ℃。

有时候人们对医院社会服务的认识存在误解：认为它完全是为穷人服务的，主旨就是施财给钱。其实这并非是医院社会服务宗旨，尽管在许多病例中，确实伴随着贫困问题。

本此测区的面积都较小，整个区域内的建筑物数量不多，并且不存在地物遮盖的情况。为对矿区内的建筑物精度进行验证，从三维模型中提取建筑物角点坐标。该建筑物的实测长度为21.104m，而在三维模型上量测的该建筑物长度为21.038m，角点与像控点的误差较小

。由于单个建筑物无法说明情况，所以分别对19个废弃矿山模型进行了随机抽取10检测点进行精度分析，结果表明地形起伏较小的测区检测点误差较小，地形起伏较大的测区检测点误差较大。因此，通过实践表明无人机航高会在一定程度上影响测量精度，通常情况下，无人机的航高越低，获得测量结果精度越高。但测量对象为矿山时，因地势起伏大，航高的变化也增大，测量结果的精度随之受到影响，故此，在进行大面积航空摄影测量时，如果地形起伏较大时要考虑分区航飞，以便减小航高对测量精度的影响。

目前，国内外针对采用BIM平台和技术进行结构施工图配筋审核的软件及其运用案例还未见报道。但已有将BIM技术应用于图纸会审阶段的工程：硅湖职业技术学院新校区工程，介绍了BIM技术在图纸会审阶段的应用，总结了BIM技术在会审阶段带来的优点，如排除大部分图纸错误、优化施工图纸及缩短工期等[9]。Hjelseth[10]提出了BIM-based Model Checking (BMC)，利用BIM技术的特点，实现模型检查的合规性和设计协调性。

2.6.3 精度影响因素

姿态角的变化和矿区高差的变化，是影响精度的主要因素，下面分别进行分析。

（1）本次矿区无人机倾斜摄影测量的姿态角为45°，为分析姿态角变化对测量结果精度的影响，将姿态角设为60°，分别进行三个方向的飞行测试，一个为航线方向，另外两个为垂直航线的方向。飞行测试结束后，将采集到的数据传给内业，依托Smart3Dcapture软件进行三维建模，相应的建模结果并未出现，建模失败

。由此可见，姿态角的增大导致无人机采集到的影像重叠率降低，致使无法完成影像匹配。因此，在地势起伏大的矿山地区应用无人机倾斜摄影测量时，倾角不宜过大，否则会造成建模失败。

（2）本次部分测区具有地势起伏大的特点，矿区内地表最大高差为80m，山顶与无人机起飞平面之间的高差约为40m，无人机的航高设定为100m，由获取到的影像可知，地表部分的比例尺大于坑底。为验证矿区较低处的三维建模结果是否与地表基准面相同，从矿区较低处选取8个特征点，用三维模型提取出来的8个特征点数据与实测数据进行对比，结果显示，模型提取的精度小于现场实测精度，说明测区的高差变化，对测量精度具有直接影响。为解决这一问题，可在无人机倾斜摄影的过程中，在矿坑底部增设像控点，以此来提升模型的精度，确保测量结果的准确性。

3 结论

结合甘肃省定西市渭源县的历史遗留废弃矿山生态修复工程的实际需求，提出采用无人机倾斜摄影技术获取废弃矿山地理信息，经过实践验证，在废弃矿山地质测量中无人机倾斜摄影测量技术有明显优势，科学设置像空点、内业数据处理精度高、所测得的地形图坐标可满足绘图要求，为废弃矿山生态修复提供详细地表信息。

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[2]杨军义,刘玉杰.基于无人机航测的矿山地形测量方法探究[J].冶金管理,2021(13):84-85.

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