三维建模软件在露天矿山生态修复中的应用

段伟 ，郑国龙，李卿，苏成锐，秦正雄，毛成以

(云南省有色地质局三〇六队，云南 昆明 650216)

历史遗留废弃露天矿山开采造成地形地貌景观破坏以及大面积边坡裸露地表，如不及时修复治理，边坡长期处于裸露状态，在雨水冲刷浸泡下，容易造成水土流失和引发滑坡、垮塌等地质灾害。利用三维软件构建相应修复模型，对已损毁的矿区地质环境现状进行综合分析。将三维模型与地形模型进行相嵌融合，能更准确、直观、高效的进行工程治理设计。

1 三维软件构建基础模型的优势

1.1 三维基础模型

三维基础模型主要为露天矿山地形模型及露天矿终了境界模型。其目的主要有：

(1)完整准确地展示露天矿山开采现状的地质空间形态，为生态修复工作提前消除矿山采矿活动形成的地质灾害提供数据；

(2)为露天矿山生态修复景观改造提供现状模型。通过工程治理+绿化修复的设计方案，对边坡、平台、露天采场底坑修复，生态修复模型的建立便于现场设计施工；

(3)便于修复过程中土石方量计算，减少人工图切剖面工作量，估算结果比剖面法计算结果更准确，速度更快。

1.2 三维实景模型

(1)作业流程

①测区范围：为矿山生态修复现状测量范围，包括露天渣土、采坑、道路、斜坡等，根据已有坐标范围线导入飞马无人机管家中。

②现场踏勘：现场踏勘详细了解测区内交通情况、起降位置、高压线、海拔高度、地形等情况，方便航线设计。

③航线设计：通过现场踏勘，了解测区现状情况，设计飞行航线，包括航线方向、飞行高度等，设计比例尺1：500，航向重叠度80%，旁向重叠度65%，飞行高度147m，在保证飞行安全、高精度的情况下，采用五镜头对修复范围进行倾斜摄影测量，如图1所示。

图1 航线设计

④像控点布设与施测：采用无人机倾斜摄影测量时需要现场布设像控点，其精度、数量影响数据后处理的精度，所以像控点布设和选择要规范，目标位置清晰易判别，一般选在现状地物交点或地物拐点处，地物稀少地区，弧形地物和阴影不能作为选择目标。像控点一般选择白色易于辨别的腻子粉进行“L”型布设，测量外角，以便内业刺点。

⑤无人机外业采集：像控点布设和施测完成之后，根据测区天气情况，进行航飞准备工作。在智航线模块设计好航线，然后在无人机管家智飞行模块进行航飞，进行飞机组装、连接网络RTK、起飞前检查、飞行监控，飞行完成后进行POS数据、照片下载检查。

⑥内业数据处理：内业处理前需检查POS数据、照片数量是否对应，内业主要使用无人机管家图像数据处理下的智理图、智拼图两个模块，具体的流程：原始数据、GPS处理(GPS格式转换、GPS结算)、图像处理EXIF融合，智拼图里新建工程，导入融合照片，进行数据处理，导出xml。通过无人机管家、ContextCapture(CC)处理之后得到TDOM、地表数字模型。

光合指标 采用便携式光合仪(LI-6400、LI-COR,Inc.,USA)对甘薯的光合特性进行测定,测定指标主要为:叶片光合速率(Pn)、气孔导度(Gn)、叶片周围大气CO2浓度(Ca)和胞间CO2浓度(Ci)．每次测定均在日照良好(无云或接近无云的天气)的条件下于上午9点至11点之间采用2 cm×3 cm的透明叶室,在自然日光条件下完成,测定的叶片为该生育期最近完全伸展叶片,每次测定约需30 s，达到稳定后读数,每棵作物读取3～5片,最后取平均值．

⑦地形图绘制：地形图绘制利用ContextCapture处理的地表数字模型进行数字化立体测图，利用软件Cass10.1进行地物、地貌全要素数据采集，最终获取1：500地形图。

(2)精度分析

外业施测的像控点与模型贴合较好的情况下，倾斜模型本身的精度决定地形图的精度，所以考虑分析生成的三维模型为主，接下来分别对外业施测像控点与模型提取像控点对比，外业施测检查点与模型提取检查点对比，如表1、表2所示。

表1 像控点对比表

表2 检查点对比表

本项目以生态修复为主，无人机倾斜航测技术与传统测量技术对比如下：①准确反映地表纹理信息；②真实性高，准确反映测区全部真实情况；③无人机具备成本低、机动性强、节约时间、效率高的优点；④成果精度高；⑤受场地影响小，灵活多变。

1.2.2 实景三维模型构建

(1)检查数据完整性及倾斜影像质量是否可以用于三维建模。

(2)结合倾斜影像初始粗略的外方位元素，进行空中三角测量，获得倾斜影像高精度外方位元素，利用空三解算后精确地外方位元素进行影像自动匹配，生成高质量点云模型，构建矢量TIN模型。

(3)选择最佳纹理信息对由点云模型构建的TIN模型进行自动纹理映射。

(4)最终形成实景三维模型。基于无人机倾斜摄影测量技术实景三维模型快速构建技术路线如图2，实景三维模型如图3所示。

图2 技术路线图

图3 实景三维模型图

1.2.3 三维基础模型二次处理

三维基础模型采用3Dmine软件设计完成。3Dmine软件主要服务于矿山工程设计、地质、测量、采矿等方面，三维基础模型的构建主要应用3Dmine软件把二维图件转换为三维图件。露天矿山的生态修复工程设计需要在三维基础模型上按工程治理+绿化修复设计进行削坡放台(边坡角、边坡高度、平台宽度)，种植乔木、灌草、扦插爬藤等操作。为了实现三维修复模型与实景地形模型镶嵌融合，3Dmine软件构建的三维模型已不能满足以上要求，利用3dmax和sketchup软件对三维基础模型进行二次处理(辅助建模及渲染)。处理过的模型可以被其他软件兼容使用。见图4、图5。

图4 二维工程部署图

图5 二次处理后的三维模型

2 三维模型剥离量计算

传统的废石料剥离量计算方法主要为不等距平行剖面法，能较好反映矿体厚度分布、自然变化特征等，是目前认可的计算方法。但存在变更的可能性，重复计算工作量大，导致平行剖面法计算时图切剖面数量多，且代表性难亦反映全区的微地貌，废石剥离量准确性不够。

以华宁县某露天石灰岩矿山为例，平行剖面法首先测量每条勘探线剖面上矿体面积，计算两相邻勘探剖面间矿体体积。图6。而利用倾斜摄影测量成果，通过3Dmine软件建立终了露天采场三维模型及剥离量三维模型，图7、图8所示。通过两个DTM之间体积计算功能，选择生成实体，按台阶分类汇报计算闭合线内的量，最终生成3Dmine块体模型报告，如图9所示。

图6 传统剥离量估算图

图7 终了露天采场三维模型图

图8 剥离量三维模型图

图9 3Dmine体积估算功能模块

两种计算方法结果对比，平行剖面法采用剖面共计7条，共计划分8个块段，剖面间距约50m，计算结果322034.04t，3DMine块体模型计算结果330155.87t，计算的矿石体积相对误差2.46%，说明3DMine软件估算功能模块计算剥离量是较为准确可信的，可靠程度较高。表3。

表3 露天矿山剥离量估算对比表

随着信息化，智能化的不断推进和加快三维可视化模型计算不断涌现且逐步取代传统平剖面法。利用三维建模技术进行剥离量计算，体现了三维可视化特点，将二维图件转变为三维图件，以三维模型的形式展现给施工单位，大大提高了工作效率。

3 建立三维生态修复模型

露天矿山生态修复是指对露天矿山采矿活动引起的地质环境问题进行综合治理，使地质环境达到稳定、生态得到恢复、景观得到美化的过程。主要分两类历史遗留废弃露天矿山，无修复责任主体，及生产露天矿山，有修复责任主体。修复中主要有两个难点：

(1)废弃露天矿山没有专项修复资金，投入远大于产出，引入社会资本参与积极性不高；

(2)生产矿山企业虽编制了地质环境保护与土地复垦方案，但真正能按方案履行修复责任的企业很少。部分企业对二维工程部署图不清楚，对施工过程比较模糊，不能达到修复的预期效果。三维修复模型可以直观的反映工程治理措施及绿化修复措施的位置、数量及修复的最终形态。有利于施工方进行施工。并且以露天矿山生态修复三维模型为依据，引导露天矿山的开采。

以华宁县某露天石灰岩矿山生态修复设计为例，按照三维设计要求施工，(1)开展削坡分台、消除现有地质灾害隐患。大部分矿山开采存在“一面坡”式的高陡边坡，采用削坡减载方式治理，留设安全平台并覆土；(2)安全平台采用“乔+灌+草”修复方式修复，边坡采用挂网，底部种植爬藤。(3)露天采坑底部修复为耕地。矿区地貌今后将得到极大改善，消除了地质灾害隐患，矿山生态环境得到修复。工程治理三维修复模型见图10、绿化修复三维修复模型见图11。

图10 工程治理三维修复模型

图11 绿化修复三维修复模型

4 结论

随着社会和经济的发展，人类对各类资源的需求越来越大，对各类矿产资源的大量开采，导致开采矿产的同时也破坏了矿区生态环境。特别是露天矿开采，需要剥离大量岩石，造成地貌及大量植被遭受破坏，对矿山周边生态造成影响，因此露天矿山生态修复势在必行。通过建立三维修复模型，可以精准化的对矿山进行生态修复，减少矿山在修复过程中二次对生态环境造成破坏。露天矿山生态修复中合理利用好三维建模软件具有重要的现实意义。