无人机倾斜摄影测量技术在念诺泥炭土矿区综合治理工程中的实践应用

◎ 莫德强

随着矿山开采活动的不断开展，矿山综合治理工程的重要性日益凸显，无人机倾斜摄影测量技术因其精度高、成本低、效率高等优势，在矿山综合治理中逐渐崭露头角。通过无人机倾斜摄影，可以获取高分辨率的三维地理信息，为矿区治理的规划、设计和生态修复提供可靠的数据支持。本文以上思县念诺泥炭土矿区的综合治理为例，探讨了无人机倾斜摄影测量技术在矿山综合治理工程中的应用。

一、研究区概况和设备准备

（一）研究区概况

念诺泥炭土矿区位于上思县叫安镇熟康村，包括一号泥炭土矿区和二号泥炭土矿区，分别占地0.27 平方千米和0.32 平方千米。这2 个矿区于2007 年11 月开始开采，在2010 年11 月关闭。该小型露天开采矿区在停止开采后，根据规定进行了回填处理。然而，在进行回填治理之前，矿区成为较大的深坑，枯水期坑洞深浅不一，丰水期坑洞水面面积达3 555.25 平方米（约5.33 亩），平均深度20 米。这不仅对熟康村周边居民的安全构成严重威胁，而且面临严重的生态和地质环境问题。

矿区的山体呈现出采矿坑临空面、泥炭土裸露的状态，危岩体稳定性差，容易引发地质灾害。开挖面的裸露与周围环境极不协调，生态环境问题更加突出，迫切需要进行治理与修复。

（二）无人机倾斜摄影测量技术的要点

1.搭载倾斜摄影设备

在无人机上安装倾斜摄影设备，通常包括多个镜头（一般是5 个），这些镜头设置在不同的方向和角度，可以同时拍摄地面目标。这种摄影配置能够获取大范围地理信息和高分辨率的三维数据。

2.全球定位系统/惯性测量装置

摄影时，为了获取精确的位置和姿态参数，配备了高精度的全球定位系统（GPS）和惯性测量装置（IMU）。

3.航迹规划和控制

在进行航拍任务前，需要进行航迹规划，确定无人机的飞行路径和拍摄范围，同时还要考虑山丘或者低洼处的旁向/纵向重叠度。控制系统能够确保无人机按照规划的航迹飞行，同时通过精确的导航系统实时调整无人机的姿态，以保证摄影的精度。

4.倾斜摄影数据处理

获取的倾斜摄影数据需要经过一系列的处理，包括图像匹配、相对定向、绝对定向等，以建立相应的摄影模型。

5.生成三维模型

通过对处理后的倾斜摄影数据进行三维重建，可以生成具有高精度的三维地理模型。这些模型能够反映地表的真实形状和地物的空间位置，为矿山的生态修复提供精准的基础数据。

念诺泥炭土矿区的地形相对平坦，周边区域为耕作区，利用实时动态（RTK）量测该航拍区的相控点得知，未开采的地面高程为（65.37±0.1）米，矿坑最深高程为43.86 米，平均相对深度约20 米；矿坑内为不规则的开挖区，陡坎、斜坡不均匀地分布在该矿坑内。经过后期的无人机倾斜摄影测量获取大量的地表特征数据，生成三维模型。经过规划设计之后，复垦后的地面高程与开挖前或者周边的高程相齐平，高程为（65.37±0.1）米。

二、存在的问题

（一）地形地貌问题

地形地貌问题是无人机倾斜摄影测量技术应用在矿山综合治理中的重要挑战。该矿区的地形复杂，包括崩塌、滑坡、不稳定斜坡等因素，存在地质灾害隐患，露天大面积开挖，损坏土地资源，地形地貌被破坏相对严重。这些问题可能导致某些深坑区域的测量数据缺失或不完整，从而影响综合测绘的全面性。此外，密集的植被进一步增加了困难，植被的遮挡可能导致无人机倾斜摄影无法准确捕捉地面信息，使得点云高程数据出现显著误差。

地形地貌的复杂性和植被遮挡还可能引起无人机倾斜摄影中的影像配准问题，配准困难可能导致影像之间缺乏一致性，进而影响最终的地图制作和三维模型生成。

（二）无人机倾斜摄影几何变形问题

无人机倾斜摄影几何变形是在摄影机倾斜角度的影响下，导致同一地物在不同影像中出现视差，进而引发地物几何形状变形的问题。在矿区，地形起伏较大，增加了几何变形的显著性。这种几何变形对地物的形状、位置和相对尺寸产生负面影响。无人机倾斜摄影中，由于地形的起伏，相邻地物之间的高度变化可能被过度夸大或削弱，因此导致垂直测量精度下降。摄影机的倾斜角度也会导致地物在影像中呈现出一定的投影变形，特别是在地形变化明显的区域。这种变形影响地物的形状、位置和相对尺寸，降低了地物的几何精度。

在矿区，明显的沟壑结构可能因无人机倾斜摄影的角度而呈现出失真问题，这对需要进行沟壑结构分析或设计的应用造成了困扰。

（三）数据处理与管理存在的问题

无人机倾斜摄影产生的高分辨率影像和庞大的点云数据集给处理过程带来了诸多挑战。由于数据量巨大，因此处理过程可能面临计算速度慢和算法效率低的问题。尤其是在处理大规模矿山区域的数据时，数据处理涉及多个步骤，如相控刺点、图像配准、点云生成、三维建模等，需要使用不同的专业软件和算法，因此，对处理人员的专业技能提出了较高要求。

高密度和复杂的数据要求处理人员具备专业的技能和经验，能熟练使用点云处理软件、三维建模工具、地理信息系统（GIS）等。处理人员的这些专业技能可能相对匮乏，增加了技术实施的难度。此外，由于高分辨率数据的产生，需要大量的存储容量来保存处理后的数据，因此，存储方案的选择需要平衡数据存储需求和项目预算，权衡云存储和本地存储之间的比例。

在数据传输和共享方面，跨部门或跨地理位置可能会受到限制，大规模高分辨率数据的传输可能受网络稳定性的影响，同时，需考虑数据的安全性和隐私保护。对于高精度地理信息的需求，必须建立有效的质量控制和验证机制，以确保数据的准确性和一致性，这可能需要投入更多的人力和时间。

三、解决问题的途径

（一）解决地形地貌问题

1.选择合适的航迹规划

通过先进的航迹规划算法，结合地形地貌信息，确保无人机在执行倾斜摄影测量任务时能够更好地适应复杂地形，提高测量数据的完整性。

2.使用先进的植被处理技术

采用先进的植被去除算法，可以在图像处理阶段减少植被对地面信息的遮挡，提高点云和影像数据的精确性。

（二）解决倾斜摄影影响数据获取问题

1.均匀分布相控点

该矿区主要位于地形相对平坦的耕作区，矿坑主要表现为向下的开挖状态，因此建议在矿坑周边和矿坑内均匀布设相控点，其中包括最高点和最低点，主要控制航拍过程中相机获取地面的平面和高程等信息特征。

2.设置相对合理的重叠度

该区域内的地形相对平坦，因此要综合考虑重叠度的设置，航空影像的相片获取需要足够的重叠度才能满足后期的影像匹配等，航向重叠度一般为60%～65%，旁向重叠度一般为30%～35%。

（三）解决无人机倾斜摄影几何变形问题

1.优化倾斜角度

在进行倾斜摄影时，根据地形特征，优化摄影机的倾斜角度，以减少同一地物在不同影像中的视差，降低几何形状变形对地物精度的影响。

2.引入先进的几何校正算法

采用几何校正算法对数据进行后处理，纠正由倾斜摄影引起的地物几何形状变形，提高数据的几何精度。

（四）解决大规模数据处理问题

1.采用并行计算和分布式处理

采用并行计算和分布式处理技术，充分利用计算资源，提高数据处理的速度和效率，尤其是对大规模的矿区数据，可以显著减少处理时间。

2.设计自动化处理流程

设计自动化的数据处理流程（见图1），整合各个处理步骤，减少人工干预，降低专业技能要求，提高处理的效率和确保数据的一致性。

3.优化存储和传输方案

选择高效的数据存储方案，考虑云存储和本地存储的综合利用，以及合理的数据传输策略，以解决存储和传输的瓶颈问题。

图1 数据生产流程图

四、优化建议与应用展望

（一）无人机倾斜摄影测量技术的成绩与优势

1.无人机倾斜摄影测量技术取得的成果

在念诺泥炭土矿区的综合治理工程中，运用无人机倾斜摄影测量技术获得了矿区高精度的地形数据和影像信息，包括矿区的范围、深度、植被状况和地形特征，以及内业处理生成的点云数据和三维数字模型等。

2.该成果应用于矿山综合治理中取得的成效

在矿区的修复中，无人机倾斜摄影测量技术提供了精确的三维模型和高分辨率影像，为准确估算工程规模和后期土方量回填提供了可靠的数据支撑。项目组利用无人机倾斜摄影测量的数据能够对矿区进行量化分析和评估，根据实际地形和工程需求灵活调整回填和加固方案，确保治理的准确性和有效性。在治理措施中，项目组通过无人机数据增加了主动网护坡方案，确保了治理效果的可持续性。无人机倾斜摄影测量技术在危岩体治理中的被动防护网和坡脚绿化方面也发挥了关键作用。该矿区在2016 年已经竣工，并于同年3 月1 日由上思县国土资源局会同农业局、公证处对念诺泥炭土矿区恢复治理工作进行实地验收，验收组一致同意验收合格。

3.无人机倾斜摄影测量技术的优势

相对于以前传统的测量技术，无人机倾斜摄影测量技术通常具有精度高、效率高、成本低等优势。无人机倾斜摄影测量技术能够在较短的时间内完成对大面积区域的高精度数据采集，提高了工作效率；快速完成高分辨率的影像和点云数据的采集，从而实现对地表的精准测绘。这些数据不仅细节丰富，而且能够准确反映地物的三维形状和地貌特征。该技术能够降低人工操作的风险，特别适用于矿山等存在安全隐患的区域。

（二）优化措施建议

针对研究区域存在的问题，提出以下2 点优化措施建议。

1.提高影像采集的精度和效率

通过精细的飞行航迹规划，确保无人机覆盖目标区域的同时，避免不必要的重叠和遗漏。使用自动飞行规划软件可以帮助生成最优飞行路径。选择具有高分辨率相机和稳定飞行控制系统的无人机，以获得更清晰、精确的影像数据，同时确保GPS 和其他导航设备的准确性和稳定性。应用高级的影像处理和分析软件，如结构光软件或深度学习算法，以提高影像的处理速度和质量。这些技术可以自动识别和校正影像中的误差，提高最终数据的准确度。尽可能在光照条件良好且风速较低的时间进行飞行，以减少影像模糊和运动偏差，注意避开雨天或其他不利天气条件。

2.提高地形和地物识别的准确性

使用数字高程模型（DEM）和数字地面模型（DTM）分析地形变化，辅助识别地形特征。这些模型能够提供地面高度信息，有助于区分不同的地物和地形。相比传统的像素基分析，面向对象的影像分析方法（OBIA）更注重影像中对象的整体性和上下文关系，可以更准确地识别复杂的地物和地形。利用无人机采集的倾斜摄影数据进行三维重建，生成高精度的三维模型，可以更直观地分析地形特征和地物分布。将无人机倾斜摄影获得的数据与其他地理空间数据整合到GIS 中进行综合分析，再利用空间分析和模型来提高地物识别的准确性和深度。

（三）无人机倾斜摄影测量技术的应用与展望

随着现代科学技术的不断提升，无人机倾斜摄影测量技术将在硬件和软件方面取得更大的突破，包括无人机的传感器、飞行与降落安全、相机的高分辨率等。今后，无人机可能会结合人工智能、测量机器人等，在无人机自动飞行或者数据获取方面更加智能、高效、便捷。无人机倾斜摄影测量技术在自然灾害的数据快速获取、沿海地区的红树林保护、农业农村部门的庄稼种植等领域都将得到广泛的应用。

＜＜＜中渡古镇偶拾（覃融 摄）