張啟慧，王程松，衛(wèi)石印，董玉芬，馮英明

(山東省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì)，山東 青島 266400)

0 引言

近年來(lái)，隨著人們生態(tài)修復(fù)理念的增強(qiáng)，越來(lái)越多生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目得以實(shí)施，生態(tài)修復(fù)理論也日趨完善[1-5]。隨著無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，逐漸顯現(xiàn)出其高效、靈活的優(yōu)勢(shì)。相較于傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)，無(wú)人機(jī)航測(cè)具有成本低、精度高的優(yōu)勢(shì)，并能采集地表的各種紋理信息[6-12]。此外，通過(guò)無(wú)人機(jī)的應(yīng)用進(jìn)行多期測(cè)量，更可實(shí)現(xiàn)土石方量的準(zhǔn)確計(jì)算[13]。目前李小光[14]、白曉慧[15]等在分析傳統(tǒng)基于CASS的各類方法弊端基礎(chǔ)上，研究了新的基于ArcGIS的露天礦山土石方量測(cè)算方法。王勇[16]等研究和實(shí)踐了ArcGIS在小流域水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。任玉雪[17]、劉彥[18]等則關(guān)注ArcGIS在生態(tài)修復(fù)適宜性評(píng)價(jià)中的作用，從而實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)分區(qū)；李小光、岳境、丁玉龍等對(duì)ArcGIS在露天礦山三維可視化等方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究[19-21]。本次工作以日照市某露天礦區(qū)為例，使用多旋翼無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行影像采集、RTK控制點(diǎn)測(cè)量，通過(guò)ContextCapture軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，建立礦區(qū)的三維實(shí)景模型和DSM模型。基于ArcGIS的相關(guān)功能，進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境治理設(shè)計(jì)與礦山生產(chǎn)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)解決礦區(qū)現(xiàn)狀的快速獲??；基于ArcGIS的地質(zhì)環(huán)境治理設(shè)計(jì)；土石方量計(jì)算與露天礦山的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)；設(shè)計(jì)效果三維可視化展示。

1 研究區(qū)概況及研究方案

研究區(qū)位于日照市丘陵區(qū)，屬北溫帶季風(fēng)區(qū)，原始地形起伏，中部為原始山體，最高標(biāo)高165m，坡角標(biāo)高30～60m，山頂植被稀疏，山體西北部為遺留廢棄采坑，早期礦山開采遺留的開采立面，經(jīng)切坡、開挖形成宕口，呈現(xiàn)為陡崖懸壁，基巖出現(xiàn)裸露。局部基巖經(jīng)卸荷產(chǎn)生大量張開性拉張裂縫，使區(qū)內(nèi)高陡巖質(zhì)邊坡整體穩(wěn)定性變差，地質(zhì)環(huán)境破損嚴(yán)重，有浮石等地質(zhì)災(zāi)害安全隱患；采坑周邊渣石隨意堆棄，造成水土流失、地形地貌景觀嚴(yán)重破壞，視覺污染嚴(yán)重。山體東南側(cè)為另一采礦權(quán)，已編開發(fā)利用方案并準(zhǔn)備實(shí)施露天開采。

研究區(qū)內(nèi)地層不發(fā)育，主要為第四紀(jì)山前組，分布于山前及坡麓地帶，巖性為灰黃色含礫砂質(zhì)黏土、黏土質(zhì)粉砂、含礫砂等。山體巖性為新元古代晉寧期鐵山序列官山單元中細(xì)粒含黑云二長(zhǎng)花崗質(zhì)片麻巖。采坑內(nèi)構(gòu)造不發(fā)育，主要為巖體內(nèi)的小裂隙，巖體內(nèi)節(jié)理較發(fā)育。含水層主要為碎屑巖類基巖裂隙含水巖組，富水性弱，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。為消除地質(zhì)災(zāi)害隱患，改善周邊生態(tài)環(huán)境，我們將結(jié)合采坑現(xiàn)狀及周邊采礦權(quán)的設(shè)立情況，統(tǒng)籌考慮，對(duì)本區(qū)進(jìn)行綜合地質(zhì)環(huán)境治理設(shè)計(jì)。研究擬使用ArcGIS對(duì)西北側(cè)山體進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境治理設(shè)計(jì)、東南側(cè)山體依據(jù)開發(fā)利用方案進(jìn)行礦山生產(chǎn)設(shè)計(jì)。借助ArcGIS相關(guān)功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)治理設(shè)計(jì)與礦山生產(chǎn)的三維可視化與土石方余量計(jì)算、生產(chǎn)監(jiān)管。在采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量獲取原始地形數(shù)據(jù)、影像紋理數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，使用ContextCapture軟件進(jìn)行三維建模及生產(chǎn)DSM，獲取設(shè)計(jì)所需的基礎(chǔ)、原始數(shù)據(jù)；利用ArcGIS的地理信息管理與設(shè)計(jì)功能進(jìn)行研究區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)；使用ArcGIS生成設(shè)計(jì)后的TIN網(wǎng)格；將TIN轉(zhuǎn)化成DEM柵格數(shù)據(jù)；使用Sketchup進(jìn)行紋理貼合；利用ArcScens軟件的三維功能進(jìn)行三維可視化展示；將設(shè)計(jì)后的DEM柵格與航測(cè)取得的DSM數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算治理產(chǎn)生的土石方余量；通過(guò)多期無(wú)人機(jī)航測(cè)，獲取項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的多期DSM數(shù)據(jù)，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)全過(guò)程、礦山生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)理、動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)服務(wù)，促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和諧發(fā)展。

2 數(shù)據(jù)獲取與處理

2.1 數(shù)據(jù)采集

采用無(wú)人機(jī)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量，研究區(qū)標(biāo)高30～165m，地形起伏較大。通過(guò)對(duì)航高、重疊率、像控點(diǎn)布設(shè)、航線等進(jìn)行優(yōu)化[22]，采用分層航飛的方式，設(shè)置不同的航高以保障地形低處的分辨率及高處的重疊率，像控點(diǎn)按照均勻分布、高低錯(cuò)落布置的原則，整體保證測(cè)量結(jié)果的精度，完成原始影像數(shù)據(jù)的采集(圖1)。

(a)—1S型航線示意圖；(b)—高程優(yōu)化示意圖；(c)—控制點(diǎn)布設(shè)圖圖1 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集

2.2 數(shù)據(jù)處理

對(duì)航空攝影測(cè)量采集到的照片，采用ContextCapture軟件進(jìn)行三維建模：平面坐標(biāo)采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系，高斯—克呂格(Gauss-Kruger)投影，中央經(jīng)線120°，按3°分帶；高程基準(zhǔn)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)空中三角測(cè)量計(jì)算—像控點(diǎn)測(cè)量—空中三角測(cè)量計(jì)算—實(shí)景三維模型生產(chǎn)[23]→DSM、DOM生產(chǎn)，我們可以獲取到治理設(shè)計(jì)與土石方量計(jì)算所需的全部原始數(shù)據(jù)。在三維測(cè)圖軟件Acute3D Viewer中測(cè)量出三維模型中控制點(diǎn)的坐標(biāo)，并與RTK實(shí)測(cè)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為得到的航測(cè)成果精度滿足設(shè)計(jì)需要。

取得的主要成果包括實(shí)景三維模型，OSGB格式；DOM(數(shù)字正射影像)，TIF格式；DSM(數(shù)字表面模型)，TIF格式。

3 應(yīng)用研究

3.1 使用ArcGIS進(jìn)行設(shè)計(jì)

首先建立GDB格式的數(shù)據(jù)庫(kù)，將航測(cè)的DOM正射影像圖與三調(diào)成果、生態(tài)紅線、基本農(nóng)田、公益林、權(quán)屬、規(guī)劃等數(shù)據(jù)進(jìn)行套合，以確定礦坑治理的范圍。使用ArcGIS工具箱中的Arctoolbox→3D Analyst Tools→柵格表面→坡度工具創(chuàng)建研究區(qū)全區(qū)的坡度模型。依據(jù)坡度模型、參考三維實(shí)景模型與DOM，將研究區(qū)以圖斑的方式分為削坡區(qū)、續(xù)坡區(qū)、平整區(qū)等各個(gè)區(qū)塊，并建立平臺(tái)標(biāo)高字段，錄入設(shè)計(jì)的平臺(tái)標(biāo)高值，完成主要工程布置(圖2)。

1—0.01°～5.8°；2—5.81°～13.1°；3—13.11°～20.1°；4—20.11°～26.8°；5—26.81°～33.8°；6—33.81°～41.7°；7—41.71°～50.6°；8—50.61°～60.9°；9—60.91°～77.6°圖2 研究區(qū)坡度圖

依據(jù)治理設(shè)計(jì)思路，使用ArcGIS繪制治理分區(qū)(圖3)。

(a)—基于ArcGIS的分區(qū)設(shè)計(jì)；(b)—TIN網(wǎng)格模型1—132～145m；2—119～132m；3—106～119m；4—93～106m；5—80～93m；6—67～80m；7—54～67m；8—41～54m；9—27.5～41m圖3 基于ArcGIS的分區(qū)設(shè)計(jì)與生成的TIN網(wǎng)格模型

添加字段：平臺(tái)標(biāo)高，填入設(shè)計(jì)的平臺(tái)標(biāo)高值(表1)。依據(jù)設(shè)計(jì)的不同分區(qū)與平臺(tái)標(biāo)高，生成設(shè)計(jì)區(qū)的TIN網(wǎng)。

表1 基于ArcGIS的設(shè)計(jì)分區(qū)統(tǒng)計(jì)

TIN(不規(guī)則三角網(wǎng))是基于矢量的一種數(shù)字地理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形式。它通過(guò)構(gòu)建一系列的折點(diǎn)(點(diǎn))來(lái)組成三角形網(wǎng)，通常用于較小區(qū)域的高精度建模等工作。使用ArcGIS工具箱中的Arctoolbox→3D Analyst Tools→數(shù)據(jù)管理→TIN→創(chuàng)建TIN工具，依據(jù)設(shè)計(jì)的分塊標(biāo)高字段，創(chuàng)建設(shè)計(jì)的TIN網(wǎng)格模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)前期設(shè)計(jì)的三維化。DEM(Digital Elevation Model)數(shù)字高程模型則為構(gòu)建連續(xù)變化的曲面，將表面以數(shù)字的形式按照一定的組織結(jié)構(gòu)確切的表現(xiàn)出來(lái)，可更方便的與航測(cè)的DSM模型進(jìn)行比對(duì)。使用Arctoolbox→3D Analyst Tools→轉(zhuǎn)換→TIN轉(zhuǎn)柵格工具，創(chuàng)建設(shè)計(jì)后的DEM模型，用于后續(xù)的土石方量計(jì)算。

傳統(tǒng)的治理設(shè)計(jì)一般借助于MapGIS、Auto CAD等設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)基于二維的地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理設(shè)計(jì)，無(wú)法將治理后的主體形象展示出來(lái)，也無(wú)法滿足快速發(fā)展的需要，本次研究使用ArcGIS相關(guān)功能對(duì)研究區(qū)進(jìn)行三維立體設(shè)計(jì)，從而最終達(dá)到三維展示的功能。ArcGIS作為目前較為主流的一款地理信息系統(tǒng)軟件，具有嚴(yán)格的地理信息管理功能，圖件具有嚴(yán)格的空間參考與拓?fù)潢P(guān)系，其在空間分析、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)發(fā)布等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[24]。目前，第三次國(guó)土調(diào)查及各類規(guī)劃均基于ArcGIS進(jìn)行建庫(kù)，因此研究基于ArcGIS的生態(tài)修復(fù)設(shè)計(jì)，對(duì)于后期數(shù)據(jù)共享、空間分析等都具有重要意義。

3.2 使用ArcGIS對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)生的土石方余量計(jì)算

ArcGIS填挖方工具，可以計(jì)算兩表面間體積的變化，通常用于執(zhí)行填挖操作。其具體原理為計(jì)算每個(gè)像素元前后的體積，并累積得到整體的填/挖方量。

對(duì)于單個(gè)像元，其體積公式為：

Vol=(cell_area)×ΔZ

(1)

ΔZ=Z_Before-Z_After

(2)

面積計(jì)算:將區(qū)域內(nèi)的像元數(shù)量(計(jì)數(shù))與柵格像元大小相乘即可求出面積。累積整個(gè)區(qū)域內(nèi)，所有挖/填方像素單元的體積，使用ArcGIS工具箱中的Arctoolbox→3D Analyst Tools→柵格表面→填挖方工具，依據(jù)航測(cè)生成的DSM數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)的DEM柵格進(jìn)行計(jì)算，得出設(shè)計(jì)治理施工產(chǎn)生的土石方余量。

本次依據(jù)航測(cè)DSM數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)的DEM柵格進(jìn)行填挖方計(jì)算，得出設(shè)計(jì)治理施工產(chǎn)生的土石方余量。

Ⅰ區(qū)礦區(qū)范圍內(nèi)主要為挖方區(qū)，總挖方區(qū)面積為78744.79m2，總挖方體積282.26萬(wàn)m3，總填方區(qū)面積為1228.68m2，總填方體積0.42萬(wàn)m3。Ⅱ區(qū)治理區(qū)范圍內(nèi)主要為挖方區(qū)，總挖方區(qū)面積為116403.35m2，總挖方體積300.82萬(wàn)m3，總填方區(qū)面積為12206.45m2，總填方體積5.31萬(wàn)m3(表2)。

表2 挖填方量統(tǒng)計(jì)表

采用ArcGIS填挖方工具進(jìn)行土石方量的計(jì)算，同傳統(tǒng)儲(chǔ)量計(jì)算常采用的地質(zhì)塊段法相比，采用了相同的原理，但該方法根據(jù)航測(cè)像元的大小，將需要計(jì)算儲(chǔ)量的區(qū)域分割成像元大小的塊段，從而極大提高計(jì)算結(jié)果的精度。傳統(tǒng)塊段法要達(dá)到更高的精度，只能通過(guò)拆分更多塊段的方式來(lái)達(dá)到，但無(wú)法達(dá)到像元大小的塊段級(jí)別。傳統(tǒng)塊段法計(jì)算土石方量，隨著塊段數(shù)量的增加，人工計(jì)算量也隨之迅增，且易引入主觀誤差，采用ArcGIS填挖方工具，可極大降低計(jì)算難度與計(jì)算量，并減少主觀誤差(圖4)。

1—挖方區(qū)；2—填方區(qū)圖4 研究區(qū)土石方余量計(jì)算

3.3 多期航測(cè)以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)

項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中以及露天礦山生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)多期無(wú)人機(jī)航測(cè)，獲取生產(chǎn)過(guò)程中的多期DSM數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)階段的土石料動(dòng)用情況，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)全過(guò)程、礦山生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)理、動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)服務(wù)。

從表3可知，經(jīng)過(guò)一個(gè)階段的生產(chǎn)，可以準(zhǔn)確計(jì)算治理區(qū)累計(jì)挖方量。傳統(tǒng)方法計(jì)算項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的土石料開采情況，需投入大量的測(cè)繪成本，投入大量的物力、時(shí)間成本，由專業(yè)測(cè)繪人員，計(jì)算得到每個(gè)階段的生產(chǎn)、治理情況，且計(jì)算結(jié)果不直觀，對(duì)于每個(gè)區(qū)域的超層、越界情況無(wú)法起到實(shí)時(shí)監(jiān)控的效果。使用多期航測(cè)配合ArcGIS方法，可有效實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的目的。

表3 挖填方量統(tǒng)計(jì)表

3.4 設(shè)計(jì)成果三維可視化

使用Sketchup進(jìn)行快速、精確地構(gòu)建治理后的紋理效果；ArcGIS系列軟件中的ArcScene具有管理3D GIS數(shù)據(jù)、進(jìn)行3D分析、編輯3D要素、創(chuàng)建3D圖層以及把二維數(shù)據(jù)生成3D要素等功能[25]。因此使用ArcScene可以進(jìn)行三維效果展示與應(yīng)用發(fā)布[20]。在ArcScens軟件中導(dǎo)入設(shè)計(jì)后的紋理影像，在圖層屬性中設(shè)置其在設(shè)計(jì)的DEM模型表面上浮動(dòng)，將設(shè)計(jì)的紋理影像與設(shè)計(jì)的高程模型進(jìn)行疊合。能夠得到直觀的三維可視化模型，從而實(shí)現(xiàn)基于ArcGIS的三維效果展示，這在第三方監(jiān)理、行政主管部門視察、動(dòng)態(tài)監(jiān)管等工作中具有重要意義，可有效直觀展示項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程及項(xiàng)目實(shí)施產(chǎn)生的生態(tài)效益。

4 結(jié)論

本次工作通過(guò)實(shí)際案例，根據(jù)無(wú)人機(jī)航測(cè)優(yōu)勢(shì)，分析研究了基于ArcGIS的三維航測(cè)在生態(tài)修復(fù)與露天礦山生產(chǎn)中的應(yīng)用，在采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量獲取原始地形數(shù)據(jù)、影像紋理數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，使用ContextCapture軟件進(jìn)行快速三維建模及生產(chǎn)DSM，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)全過(guò)程、礦山生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)理、動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)服務(wù)，最后運(yùn)用Sketchup軟件得到直觀的三維可視化模型，并實(shí)現(xiàn)基于ArcGIS的三維效果的可視化展示，精準(zhǔn)、高效的服務(wù)露天采坑生態(tài)修復(fù)與生產(chǎn)礦山，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展。

(1)無(wú)人機(jī)可快速、便捷、低成本地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜礦區(qū)的高質(zhì)量現(xiàn)狀影像獲取，后期可通過(guò)Context Capture軟件實(shí)現(xiàn)快速建模。

(2)ArcGIS可實(shí)現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境治理的設(shè)計(jì)任務(wù)，且可實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)，便于后續(xù)設(shè)計(jì)效果的可視化展示。

(3)基于航測(cè)DSM和設(shè)計(jì)DSM，ArcGIS可方便快捷準(zhǔn)確地完成土石方量計(jì)算。土石方量的計(jì)算會(huì)直接影響施工成本與收益，新方法相較于傳統(tǒng)土石方量計(jì)算方法，不僅更加簡(jiǎn)單、高效，而且準(zhǔn)確、直觀，數(shù)據(jù)來(lái)源可溯。

(4)基于多期航測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)，可實(shí)現(xiàn)露天礦山動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)工作，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)、礦山生產(chǎn)全過(guò)程的監(jiān)理、動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)提供支持。

(5)ArcScens可簡(jiǎn)單快捷地實(shí)現(xiàn)礦山地質(zhì)環(huán)境治理設(shè)計(jì)效果的三維可視化展示。