无人机倾斜摄影测绘在矿山生态修复中的应用

王雪峰，刘 奔，李 者，颜 旭，赵 鹏

（1.抚顺矿业集团有限责任公司，辽宁 抚顺 113008；2.东北大学 岩石破裂与失稳研究所，辽宁 沈阳 110819；3.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；4.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

废弃矿山的生态环境修复对于保护环境、合理利用资源、促进可持续发展具有重要的意义[1-3]。矿山开采后往往会形成大量的废弃物，破坏了土壤、水源和生态系统。通过生态修复可以恢复矿山周边的植被、水体和土壤质量，减少对生态环境的破坏，还能推动资源循环利用和社会经济的可持续发展。因此，政府、企业和社会各界应当共同努力，加大对废弃矿山生态修复的关注和投入，推动矿山资源合理开发和生态环境保护的良性循环[4-5]。

在实施废弃矿山的生态环境修复方案之前，结合现场生态环境调查，合理确定矿山复绿区域是首要解决的关键问题。

而目前，针对生态修复工程的勘察工作，多数采用人工现场勘察或利用高清数码相机拍摄调研等方式[6]。但这类调查的方式常常因矿山现场环境的因素而受限制，遇到现场条件复杂的矿山，如矿山具有高陡边坡，危岩、坍塌等灾害频发时，难以准确地获取矿山现场条件的具体特征参数[7]。现今，仍有许多矿山生态修复项目的勘察工作采用人工测量并估算的方式，难以为生态修复工程提供可靠的数据支撑。而随着科学技术的发展，利用无人机进行数据采集、地质测绘已经成为一种更为便捷和效率更高的方式[8-10]。综上，基于抚顺西露天矿复绿项目，结合无人机倾斜摄影测绘技术，在西露天矿生态修复中快速完成了区域内生态环境的调研并结合生态环境的调查结果完成了生态修复单元的划分，取得了良好的效果。

1 无人机倾斜摄影测绘技术

1.1 技术原理

无人机倾斜测量系统主要由无人机飞行平台、飞行控制系统、航空拍摄仪以及地面控制系统等构成。其中无人机（Unmanned Aerial Vehicle）是一种由无线电遥控设备和自备程序控制装置操作的无人航空器。相比于有人驾驶的飞机，无人机具有体积小、成本低、使用方便等优点。随着科学技术的快速发展，无人机从最初的军事领域到民用领域，已广泛应用于农业城市管理、地质勘测、救援救灾、视频拍摄等行业，并保持着快速发展的趋势。

目前，用于摄影测量的无人机通常可以分多旋翼型无人机和固定翼型无人机。它们在不同的方面具有各自的优缺点。在选择用于摄影测量的无人机时，需要根据具体任务需求和条件综合考虑这些优缺点。

多旋翼型无人机优点在于：①能够垂直起降和悬停，灵活性高；②具有相对较低的成本和易用性；③可以获得稳定的图像和视频等。其缺点在于：①由于采用螺旋桨推进，其续航时间有限；②通常携带载荷的能力较小、高空的飞行能力有限，只适合近距离或低空测量任务。

固定翼无人机优点在于：①具有较长的续航能力、高速飞行能力，适合大范围的地理测绘和测量任务；②能携带高分辨率相机和其他传感器，承担较大载荷。其缺点在于：①需要较长的起降跑道和额外的设备支持；②需要较为专业的技术训练和操作技巧。

一般而言，无人机飞行平台将配备数码相机的5 个摄像镜头，其中1 个为垂直镜头，用于获取底部区域的正射影像，另外4 个镜头分别用于获取前、后、左、右方向的斜向图像，可以快速高效地获取多角度图像，获得更丰富的纹理图像信息，真实反映地面物体的实际情况。该系统不仅可以准确显示监测区域地表情况，而且综合利用先进的区域定位、信息整合和数据建模技术，可以将数据生成高精度三维模型，以取得精准的生态修复调查效果。

无人机倾斜摄影测量有以下特点：①能较为真实地反映周边环境的真实状况，倾斜影像能让用户从多个角度观察地形地貌，真实地反映地物的实际情况；②倾斜影像能够量测单张的影像，结合配套软件的使用，可以基于所摄影像进行地物高度、长度、坡度等参数的量测；③倾斜影像能够采集地表建筑物的侧面纹理，能有效降低城市三维建模的成本；④与传统的三维GIS 技术需要采集庞大的数据量相比，应用倾斜摄影技术采集的影像数据量要少很多，并且影像的数据格式可以快速地进行网络发布，实现数据共享等。

1.2 技术流程

无人机倾斜测量摄影测绘技术可以便捷地制作较高精度的矿山区域的三维实景模型，辅之以相应的辅助软件，技术操作人员在计算机上便可以轻松完成矿山生态修复勘察中的地质情况调查、岩体结构地质灾害点调查及地形图绘制等工作。

无人机倾斜摄影技术的技术流程主要分为外业采集和内业处理2 部分。外业采集主要由无人机系统与多角度倾斜摄影相机等按照一定的作业流程采集航摄影像及数据；而内业处理离不开专业的制图软件，常见的制图软件有：Context Capture（CC）、PIX4D、大疆智图、瞰景Smart3D 等软件。总体技术流程如图1。

图1 总体技术流程

2 区域概况与生态环境问题

抚顺西露天矿位于辽宁省抚顺市望花区，矿坑东北部边缘距抚顺南站约2 km，西距沈阳北站45 km。行政隶属于抚顺市望花区所辖。矿山周边公路网密集，交通条件十分便利。矿区附近主要分布着棕壤，土壤有机质较高、氮含量、磷含量、钾含量富足。正在开采的东露天矿表层土壤由于露天开采而被剥离，可作为良好的土源，为植被恢复提供了良好的条件。

在多模态听力教学方面,Wagner(2010)认为听力材料可以通过符号模态,如音质、目光、手势、表情、动画等,补全语言符号表征的信息,提高学习者正确全面理解材料的概率[5]。Guichon多模态听力学习除了利用符号模态,还能使用认知系统的双通道特点,多种模态的综合运用更有助于提升学习者听力理解能力[6]。除此之外,多模态学习还能提高学习者的口语水平,展开多模态符号的交互研究,主张在口译教学中引入多种符号模态,从感官上调动学习者的积极性[7-8],促进语言知识的内化和词汇习得[10-9],以及对学习态度和自信心产生积极的冲击力[11-12]。

为充分认识开展矿山生态环境修复治理的重大意义，西露天矿在统筹西露天矿综合治理与整合利用的基础上，全力推进矿山复绿工作。以矿山复绿为核心目标，在西露天矿边坡稳定等安全条件下，能绿尽绿，利用两年时间，基本实现矿坑复绿。而推进矿山复绿工作的首要任务是要调查明确矿区生态环境情况及面临的生态环境问题，无人机倾斜摄影测绘技术则可以快速准确地获取相关信息。

在地形地貌、土地资源的影响方面，由于抚顺西露天矿露天采坑东西长6.6 km，南北宽2.2 km，垂直深度420 m（海拔－340 m），占地面积广，区域大，使原有的地表状态受到改变，间接导致了生态系统的退化，造成生态系统生产力降低，对矿坑内植被、土壤造成了不同程度的影响。

在矿坑现状方面，利用无人机倾斜摄影测绘技术对矿坑现状进行了调研。西露天矿坑水的补给源主要有地下水补给和地表水补给。据实测统计，2018—2022 年矿坑汇水量年均约2 500 万m3左右。一旦防排水系统失效，将造成严重的安全问题。此外，在边坡稳定性方面，西内排区边坡稳定性状况较好；南帮老地质变形区变形较大，但经采取一系列治理措施后，通过监测数据分析，南帮老滑坡区已基本达到稳定状态；北帮东区为高陡边坡，亟需整治。

3 技术应用及分析

3.1 无人机航飞方案及建模方法

3.1.1 无人机航飞方案设计

航摄区域为西露天矿坑全域，无人机飞行高度为430 m，航线重叠度70%，旁向重叠度65%，地面分辨率0.06 m，拍照间距88.4 m，航线间距154.6 m，平均高程面85～136 m。此次摄影获取的影像用于制作成图比例尺为1∶2 000 比例尺的数字产品（DEM、DOM），要求航空影像的地面分辨率（GSD）不大于0.2 m。根据测图等高距基高比，综合考虑飞行设备、成本、效率、效果等因素，研究采用地面分辨率（GSD）为0.06 m。航摄平台选用迪奥普SV360 型固定翼无人机，搭载SONY－ILCE－7R 相机。

根据航测范围，像控点的布设采用区域网法。使用全球定位系统GPS－RTK 实时定位技术，在城市C级控制点控制网下，以图跟点的精度直接布设，作为测区首级控制，共布设像控点262 个。本次航测设置相对航高430 m，地面分辨率可达0.06 m，航向重叠度70%，旁向重叠度均65%。分6 个区域航摄，共飞行16 个架次，飞行时间约16 h，拍摄12 426 张影像。要求像片的重叠度最小不低于60%；像片倾斜角不大于12°，旋偏角不大于12°；航高保持，同一航线航高差不大于30 m，实际航高与设计航高之差不大于20 m；摄区边界覆盖要保证航向覆盖超出摄区至少2 条摄影基线，旁向覆盖超出边界至少1 张像幅。航测过程中需及时对获取的图像进行影像质量检查，并根据成像效果决定是否在测区进行航摄补拍。

3.1.2 三维模型建立方法

在利用无人机获得现场影像资料后，根据已有的控制资料和外业控制点，采用全数字摄影测量工作站（PIX4D mapper 4.1），对倾斜影像进行空中三角测量，获得所有影像的高精度外方位元素。后处理软件采用PIX4D mapper 专业版可自动完成空三、光束法局域网平差，镶嵌、生成密集点云、生成纹理以及生成高精度的正射影像图（DOM）、3D 点云和数字表面模型（DSM）等成果数据。地形图要素的采集，采用先内后外的方法，采用山维科技EPS2016 或南方数码iData 地理信息工作站，利用DOM 和DSM 模型建立三维立体模型，在三维模型上进行数字线划图要素采集，获取地物地貌平面及高程数据。最后，利用南方cass.7.1 成图系统软件，进行数字线划图编辑等处理，最终生成较高精度的三维立体模型。

3.2 生态环境调查分析

无人机倾斜摄影测绘技术在露天矿生态修复单元的划分中发挥着不可或缺的作用。以抚顺西露天矿无人机航测影像为基础数据，划分矿坑平台及坡面等类型，对矿坑内非绿区域进行圈定，共划分非绿图斑583 个，共采集图斑面积4.5 km2，根据采集的图斑信息同现场生态调查结果进行调查比对，结合边坡岩性、边坡坡度、植被覆盖程度等特征，明确非绿图斑相关属性（地表物质组成、边坡坡度、植被覆盖程度等）；然后对非绿图斑进行分类汇总，划定矿山复绿区域。抚顺西露天矿生态环境调查情况如图2。

图2 抚顺西露天矿生态环境调查情况

对生态修复区域范围的各采集图斑进行赋值，汇总各地块需要矿山复绿面积。现场调查将整个西露天矿划分为西端帮、南帮、东端帮、北帮4 个区，各区生态环境现状如下：

1）西端帮。全区为回填排土区，回填物以绿色泥岩为主。排土由西向东逐步推进到界，到界区已完成生态修复，剩余区域分为2023 年28－5 绿化区、2024年28－5 绿化区。2023 年28－5 复绿区，已客土0.6 m厚度，地形坡度1°～5°，无植被覆盖，具备立即复绿条件；2024 年28－5 复绿区，平盘地形坡度1°～5°，坡面坡度15°～18°，无植被覆盖，实施客土覆盖工程后具备复绿条件；根据该区生态环境调查结果，西端帮需复绿面积178.5 hm2，西端帮待复绿区如图2（a）。

2）南帮。南帮在历史采矿活动中为煤层底板，经长期开采早已到界，坡面出露岩性以凝灰岩、玄武岩层为主，具有一定的植被覆盖，现状植被以白榆、刺槐等乔木为主，草本植物以狗尾草、野荞麦、沙打旺、豚草为主；原地质变形治理工程区基岩裸露，原地质变形区边界（F5断层破碎带）基岩裸露，植被覆盖率较低。根据该区生态环境调查结果，南帮需复绿面积165.7 hm2，南帮待复绿区如图2（b）。

3）东端帮。东端帮＋43 m 水平及以下区域为动态排土场，地表物质组成为排土回填物，以古近系绿色泥岩为主，为湖相沉积，半胶结。平盘坡度1°～5°，坡面坡度控制在25°～35°。该区植被稀少，局部可见荒草丛生，以狗尾草、野荞麦等为主。＋43 m 水平以上区域生态修复模式以辅助再生为主，在植被稀疏区域进行补植。根据该区生态环境调查结果，东端帮需复绿面积38.4 hm2，东端帮待复绿区如图2（c）。

4）北帮。北帮经长期开采早已到界，需复绿区域主要以第四系冲积层、绿色泥岩出露，＋10 m 水平以上岩体风化较发育，边坡坡度30°～35°，上覆0.1～0.3 m 表土层，有一定的植被覆盖，主要植被为刺槐、火炬树等乔木。根据该区生态环境调查结果，该区域需复绿面积66.4 hm2，北帮待复绿区如图2（d）。

通过上述利用无人机倾斜测绘摄影技术对西露天矿现场生态环境的全面调查结果，根据：露天矿东、西帮内排土场是否到界及施工进度，区域植被覆盖程度及植被类型，地表物质组成、地形坡度，具体生态修复单元复绿面积、施工难度、施工推进时间等原则，综合考虑施工难度及现场空间规划，对复绿区域划分不同的单元。最终将抚顺西露天矿划分出需要复绿区域16 处，总面积449 hm2。其中：东端帮复绿区域2 处，西端帮复绿区域3 处，南帮复绿区域8处，北帮复绿区域3 处；以便于结合不同区域单元的特点，针对性的制定不同的生态修复工程方案。

4 结语

1）基于抚顺西露天矿复绿项目，详细阐述了无人机倾斜摄影测量外业数据获取及内业数据处理的流程。利用PIX4D 软件实现了研究区域的三维模型的建立，为废弃矿山的生态修复现场调研工作提供了助力。

2）以抚顺西露天矿无人机航测影像为基础数据，对矿坑内非绿区域进行圈定，共划分非绿图斑583个，并确定了采集图斑的面积，结合现场多类特征条件对矿山复绿区域进行了划定。

3）通过对生态修复区域范围的各采集图斑进行赋值，汇总得到各地块需要矿山复绿面积，最终确定复绿区域16 处，复绿区总面积449 hm2。此外，综合考虑施工难度及现场空间规划，对复绿区域划分了不同的单元，以便于结合不同区域单元的特点，针对性的制定不同的生态修复工程方案，加快了复绿项目工作进程。