孫麗紅，朱大明，李勇發(fā)，熊鵬

(昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

1 引 言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，歷史遺留的廢棄礦山逐年增多，環(huán)境問題不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)手段無法解決礦山修復(fù)治理問題。廢棄礦山生態(tài)修復(fù)主要來源于發(fā)達國家修復(fù)生態(tài)學(xué)的發(fā)展[1]；近年來，隨著傾斜攝影測量技術(shù)的發(fā)展和無人機的快速成熟應(yīng)用，基于無人機技術(shù)的傾斜航空攝影測量，可以方便、靈活地獲取多角度高分辨影像，快速自動地生成實景三維模型[2，3]，并可以在室內(nèi)基于實景三維模型進行地理要素采集，替代了外業(yè)實測，節(jié)省了時間，由于無人機具有操作靈活、高效快速、低使用成本的特點，已發(fā)展成為重要的航測遙感平臺[4，5]，無人機傾斜攝影技術(shù)也隨之成為研究和應(yīng)用的熱點[6，7]。利用無人機傾斜攝影技術(shù)對礦山生態(tài)修復(fù)規(guī)劃進行科學(xué)合理的評價、復(fù)核、驗收已具有顯著的現(xiàn)實意義。

無人機傾斜攝影技術(shù)用于補充傳統(tǒng)航空攝影測量，也是礦山工程規(guī)劃中的重要技術(shù)組成部分[8]?？梢詫崿F(xiàn)高精度、高效率、高還原度的地物三維建模工作，此項技術(shù)正是在高陡邊坡地質(zhì)調(diào)查工作中的關(guān)鍵[9]，主要利用了無人機拍攝畫面清晰的特點。礦山多分布于偏僻的山地區(qū)域，地勢崎嶇、自然環(huán)境惡劣，致使傳統(tǒng)的地形勘察與建設(shè)規(guī)劃方式存在難度大、周期長等缺點；而無人機攝影測量模式正好能彌補此類缺陷，有效提高工作效率[10～12]。此外，在礦山復(fù)雜的山地環(huán)境下，無人機作業(yè)能避免野外工作人員攀爬危險的高陡山坡區(qū)域，減少工作安全事故風(fēng)險[13]。基于此，本文以云南省祿勸縣露天廢棄礦山生態(tài)修復(fù)項目為例，在驗證無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)精度的基礎(chǔ)上，對比傳統(tǒng)測量的工作效率及方法，分析不同成果的優(yōu)勢，并結(jié)合項目針對傾斜攝影測量成果開展適用效果評價分析，探索無人機傾斜攝影測量技術(shù)在礦山生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域的適用性。

2 研究區(qū)概況

項目區(qū)位于祿勸縣，共有16個圖斑，涉及4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。實施方案按照“工程治理、綠化修復(fù)、自然修復(fù)”三種生態(tài)修復(fù)方式開展綜合治理工作?？紤]圖斑較分散，為了更好地展現(xiàn)傾斜攝影測量技術(shù)在該方案中的運用，從礦山測量及修復(fù)治理出發(fā)，選取以工程治理為主的圖斑作為研究區(qū)。研究區(qū)位于祿勸縣湯郎鄉(xiāng)湯郎村委會，地理坐標為東經(jīng)102°17′26″～102°17′48″，北緯26°12′46″～26°13′36″，處于兩省三縣交界處，面積為 19.22 ha。本文以工程治理圖斑為研究區(qū)，討論傾斜攝影測量技術(shù)及三維立體模型在礦山生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景。

3 傾斜攝影數(shù)據(jù)的生成及精度驗證

3.1 傾斜攝影數(shù)據(jù)的生成

傾斜攝影技術(shù)主要內(nèi)容包括傾斜影像數(shù)據(jù)獲取技術(shù)和傾斜影像數(shù)據(jù)處理技術(shù)[14，15]。

(1)傾斜影像數(shù)據(jù)獲取

傾斜影像數(shù)據(jù)獲取采用五向飛行法傾斜拍攝，并從各個角度獲取地物、地貌的垂直和傾斜影像以及位置信息，如圖1所示。

圖1 同一地物的正片與斜片

為保障無人機傾斜攝影測量成果與工程治理圖斑坐標系統(tǒng)一，使成果數(shù)據(jù)精度滿足生態(tài)修復(fù)規(guī)劃的需求，在航攝區(qū)域內(nèi)人工布設(shè)5個像控點，形狀為長約 1 m，寬約 0.10 m的十字形，其像控點坐標及精度信息如表1所示：

像控點坐標及精度信息表 表1

(2)傾斜影像數(shù)據(jù)處理

本項目通過Context Capture Master圖像處理軟件全自動地實現(xiàn)航攝數(shù)據(jù)生成，其最終成果包含不同視角的影像數(shù)據(jù)、三維點云數(shù)據(jù)(S3C)，數(shù)字地表模型(OSGB)。

3.2 傾斜攝影數(shù)據(jù)的精度驗證

擬沿研究圖斑區(qū)域采用GPS-RTK測量方法進行地形測量，實測300個點，范圍約 0.47 km2，與無人機傾斜攝影測量成果提取出的數(shù)據(jù)進行精度分析。另外在視野開闊的平緩區(qū)域及較密集的樹林覆蓋區(qū)各選取15個實測點進行水平精度及高程精度誤差分析，如圖2所示。

在較密集的樹林覆蓋區(qū)增選的15個實測點，高程最大誤差達 1.250 m，最小誤差為 0.520 m，中誤差為 0.885 m，由于DSM數(shù)據(jù)在高程上的精度變化較大，植被較密集區(qū)域與原始地形存在一定的差異，但礦山生態(tài)修復(fù)項目重點是對植被破壞嚴重的裸露區(qū)域進行規(guī)劃，故在較密集的樹林覆蓋區(qū)高程精度差異對項目的規(guī)劃影響較小。表2為樣本數(shù)據(jù)誤差分析。

圖2 研究區(qū)實測點、驗證點分布圖

樣本數(shù)據(jù)誤差分析表 表2

由表2可知，此次無人機傾斜攝影測量數(shù)據(jù)水平精度滿足 1∶500比例尺數(shù)字航空攝影測量測圖規(guī)范和基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果的要求；在高程數(shù)據(jù)上，地表出露區(qū)域精度能滿足要求，較密集的樹林覆蓋區(qū)由于DSM用于反映地物覆蓋情況，所讀取的數(shù)據(jù)通常為覆蓋物的冠頂數(shù)值，雖然精度與原始地形有一定差異，但直觀上更能反映地表的現(xiàn)狀，對于植被來說可以反映植被覆蓋度，對礦山生態(tài)修復(fù)規(guī)劃中植被覆蓋度的確定及植被重建后所能到達的效果起到較明顯的參考對比作用。故傾斜攝影測量數(shù)據(jù)成果可以用于指導(dǎo)礦山生態(tài)修復(fù)規(guī)劃運用。

4 傾斜攝影數(shù)據(jù)運用分析

根據(jù)研究區(qū)樣本數(shù)據(jù)的獲取及精度驗證分析可知，無人機傾斜攝影測量技術(shù)獲取的廢棄礦山地形數(shù)據(jù)可信度高，操作性強。鑒于上述成果，本文從工作效率及方法、成果對比及適用效果等方面對傾斜攝影測量技術(shù)及三維立體模型在礦山生態(tài)修復(fù)的適用性及效果開展如下分析：

4.1 工作效率及方法分析

傳統(tǒng)測量方法主要有水準測量、全站儀測量及GPS測量法。這些測量方法一般通過人工使用GPS-RTK、全站儀等設(shè)備野外采集數(shù)據(jù)，室內(nèi)處理后加工而成。傳統(tǒng)的作業(yè)方式，周期長、成本高、效率低、人工物力投入大，當測區(qū)范圍較大，測區(qū)環(huán)境復(fù)雜時，將影響工作進度，使工期成本提高。傳統(tǒng)測量工作主要包括角度、距離及高程等測量工作，受地形及環(huán)境的影響較大，成果多為二維地形圖，后期礦山生態(tài)修復(fù)中涉及土方平衡、石方平衡、危巖清理量及工程布設(shè)等分析中誤差較大、花時較多，不能直觀地指導(dǎo)礦山修復(fù)。工作時間是權(quán)衡工作效率的重要指標，勞動強度投入可以側(cè)面反映成本盈利的情況，通過對傳統(tǒng)測量方法與無人機傾斜攝影測量方法在工作時間及方法上的比較，無人機傾斜攝影測量方法具有較強的操作優(yōu)勢，外業(yè)周期短、成本低、效率高，使得外業(yè)工作量大幅減少，進而提高工作效率。以祿勸縣工程治理圖斑測區(qū)范圍的測量工作為例，換算在同一任務(wù)范圍內(nèi)，無人機傾斜攝影測量工作相比傳統(tǒng)測量工作所花費的時間極大地減少，減少了約5倍的工作時間，降低了項目的時間成本；另外，用無人機進行傾斜攝影測量工作，在礦區(qū)環(huán)境復(fù)雜的情況下，可以避免外業(yè)人員攀爬高陡山坡區(qū)域，避開松散巖石滾落的危險，進而減少工作安全事故風(fēng)險。具體如表3所示。

不同測量方法時間對比表 表3

4.2 成果對比分析

傳統(tǒng)測量方法主要成果為數(shù)字線化地圖(DLG)，包括空間信息和屬性信息。一般含有等高線、線狀地物、地類界線、行政區(qū)界線以及地物注記等地物要素。無人機傾斜攝影測量主要成果為不同視角的影像數(shù)據(jù)(包括正射影像DOM及傾斜影像)、數(shù)字地表模型(DSM)以及三維點云數(shù)據(jù)等。由于正射影像DOM具有很高清晰度，相比傳統(tǒng)測量地物輪廓點的方式，可以在影像成果的基礎(chǔ)上更高效地勾繪地表地物輪廓；傾斜影像結(jié)合配套軟件可以實現(xiàn)地物的長度、高度、坡度、角度及面積等量測功能，從不同方位反映物體的形狀和大小。DSM數(shù)據(jù)最能真實反映地表情況，涵蓋了DEM數(shù)據(jù)以外的地表高程信息，可以獲取地表覆蓋物的冠頂高程，從而與相鄰地面高程做對比，可以推算出覆蓋物的高度，為后期規(guī)劃選種或定規(guī)格提供參考；三維點云數(shù)據(jù)經(jīng)過處理可以生成三維模型，實現(xiàn)礦區(qū)的三維可視化，模型中的地物可以直接進行測算，更詳細便捷地反映地物特征。因此，無人機傾斜攝影測量成果相比傳統(tǒng)測量的成果數(shù)據(jù)獲取手段更高效、內(nèi)容更豐富，效果更直觀，特別是三維模型對礦山生態(tài)修復(fù)工程布設(shè)及效果展示具有較明顯的優(yōu)勢。

4.3 適用效果評價

無人機傾斜攝影測量成果數(shù)據(jù)除了能精確表現(xiàn)廢棄礦山地形條件優(yōu)勢外，還具備以下適用優(yōu)勢。以祿勸縣工程治理圖斑范圍的測量成果運用為例。

通過對研究區(qū)進行傾斜攝影測量，獲得了研究區(qū)的多視角影像數(shù)據(jù)，包括垂直影像和傾斜影像數(shù)據(jù)。垂直影像數(shù)據(jù)是與地面垂直拍攝所得的影像；傾斜影像數(shù)據(jù)是從不同的四個方位，一定的傾斜角拍攝而得的影像。多視角的影像是無人機傾斜攝影測量成果中的特色，它可以更為詳盡地獲取地物側(cè)面信息，具有較高的分辨率，且影像覆蓋范圍廣。此次飛行的地面分辨率在 0.04 m～0.05 m之間，針對礦山生態(tài)修復(fù)的規(guī)劃需求而言，研究區(qū)數(shù)據(jù)可以詳細展現(xiàn)礦區(qū)內(nèi)的地表地物，能夠清晰呈現(xiàn)擬修復(fù)礦區(qū)的開采程度及破壞情況，包括遺留廢石的分布情況、區(qū)內(nèi)建構(gòu)筑物位置、危巖分布區(qū)域、土源堆放區(qū)域、礦區(qū)道路現(xiàn)狀情況、區(qū)內(nèi)及周邊植被覆蓋情況等。其不僅為廢石清運、危巖清理及土石方平衡分析的量算與工程布設(shè)提供有效途徑，也為礦山生態(tài)修復(fù)過程中安全風(fēng)險預(yù)測及評價提供直觀的信息支撐。除此之外，由于多視角影像可以從不同方位反映地表的真實情況，有利于指導(dǎo)礦山生態(tài)修復(fù)工程的布及后期的施工。同時也可將實施方案的規(guī)劃設(shè)計與影像疊加，清晰明了地呈現(xiàn)礦山生態(tài)修復(fù)后的效果，有效輔助各大工程的實施，也為礦山后期生態(tài)修復(fù)效果評估提供了依據(jù)，如圖3所示。

三維點云數(shù)據(jù)是通過離散點來記載地物的高程信息和地表色彩，可獲得地物的三維信息，以此進行三維地表建模，從而實現(xiàn)項目區(qū)的三維可視化；通過三維模型可以進行地物三維參數(shù)的量算，包括危巖松散區(qū)域、土石方堆積體、深坑高度以及植被覆蓋度反演等。對于礦山生態(tài)修復(fù)規(guī)劃設(shè)計而言，實景的三維模型不僅可以從整體上展現(xiàn)廢棄礦山擬修復(fù)的環(huán)境概況、道路溝渠長度、邊坡坡度及植被覆蓋情況等重要信息，而且還能根據(jù)工程設(shè)計方案進行工程量的核算、實施三維復(fù)核，對項目區(qū)危巖清理及廢石清運等相關(guān)狀況進行客觀展現(xiàn)，以此輔助礦山生態(tài)修復(fù)防治工程中的安全建設(shè)，規(guī)避不合理的建設(shè)安排及工程量計算。以祿勸縣工程治理圖斑為例，根據(jù)三維模型核算擬生態(tài)修復(fù)區(qū)域的危巖清理、土源、建構(gòu)筑物拆除及廢石清運量。具體如圖4所示。

圖3 廢棄礦山生態(tài)修復(fù)規(guī)劃設(shè)計圖

圖4 三維工程量核算圖

5 結(jié) 論

在分析無人機傾斜攝影測量獲取數(shù)據(jù)的過程及精度驗證的基礎(chǔ)上，通過與傳統(tǒng)測量在工作效率及方法、成果數(shù)據(jù)等方面進行比較，開展無人機傾斜攝影測量成果在礦山生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域的適用效果評價分析，得出五點結(jié)論。

(1)無人機傾斜攝影測量成果精度上滿足廢棄礦山生態(tài)修復(fù)規(guī)劃設(shè)計的需求，能夠指導(dǎo)該領(lǐng)域具體工作。

(2)廢棄礦山通常開采已完畢或已關(guān)停，礦區(qū)內(nèi)環(huán)境復(fù)雜且惡劣，無人機傾斜攝影測量受地形環(huán)境限制小，機動靈活性高，能有效避開復(fù)雜地形，規(guī)避作業(yè)盲區(qū)及高陡邊坡測量時攀爬及危石滾落的風(fēng)險，工作效率及安全性遠高于傳統(tǒng)測量。

(3)DSM數(shù)據(jù)能更真實地記錄及反映地表實際狀況，廢棄礦山內(nèi)部植被覆蓋較低，可通過周邊植被覆蓋度反演廢棄礦山生態(tài)修復(fù)后能到達的植被覆蓋度。為礦山生態(tài)修復(fù)植被重建工程方案提供了依據(jù)。

(4)高分辨率的多視角影像能從不同方位清晰展現(xiàn)廢棄礦山擬修復(fù)區(qū)域以及周邊的地物信息，極大方便礦山生態(tài)修復(fù)中工程布設(shè)的安排及建設(shè)，也方便當?shù)卣畬崟r掌握礦山修復(fù)工程布設(shè)的內(nèi)容及后期監(jiān)測管理計劃的制訂。

(5)由無人機三維點云構(gòu)建的三維模型適用于礦山生態(tài)修復(fù)過程中危巖清理及廢石清運區(qū)域的三維展示，并實現(xiàn)相應(yīng)的堆積及清運方量核算，若后期對礦區(qū)進行多期傾斜攝影測量工作，可動態(tài)演示廢棄礦山生態(tài)修復(fù)中工程建設(shè)進度及礦山的復(fù)綠效果，能有效輔助礦山生態(tài)修復(fù)效果的評價及驗收。

總之，無人機傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用，對于廢棄礦山的生態(tài)修復(fù)工作具有較大的現(xiàn)實意義，基于該技術(shù)的優(yōu)勢特點，該技術(shù)未來市場前景廣闊，在礦山生態(tài)修復(fù)中還有巨大的利用價值和開發(fā)空間。