无人机遥感3D建模在露天矿山环境综合治理勘查设计中的应用

胡博文, 李予红, 张聚斌

(河北省地矿局国土资源勘查中心, 石家庄 050081)

0 引 言

为全面推进京津冀生态环境建设, 河北省开展了大气污染防治露天矿山环境综合治理攻坚行动, 能否高效、 快捷地进行勘查设计工作将制约着行动的时效性和准确性。目前的野外勘查设计工作都是先运用传统手段进行地形测量, 手持地形图按照路线进行勘查[1-4], 勘查完成后再进行现场设计, 耗费较长时间及大量人力、 财力。而对于露天矿山的大型渣堆、 大采坑、 高陡掌子面、 危斜坡面及掌子面的中间平台一般情况下人员无法到达[5], 均无法准确测量地形、 坡度、 坡向、 宽度、 高度及面积等几何尺寸[6]，即使特殊情况下人员能到达, 作业时也存在着危险性大的问题[7], 严重制约着勘查、 设计的精度。 虽然在掌子面下用全站仪的免棱镜技术作业可以降低危险性, 但两者都存在测点少的问题。若是采用无人机LiDAR技术则将大幅度地提高勘查设计费用, 所有工作完成后勘查、 设计成果也主要是在以地形图为底图的二维平面图和剖面图上表达, 造成非专业人士和政府管理人员看不懂的尴尬处境。为此, 本文提出一种将三维影像模型技术和GIS技术相结合的基于低空遥感的露天矿山勘查设计新方法, 并结合此次河北省大气污染攻坚行动中A露天矿山进行实际应用。

1 应用背景

Baltsavias[8]分析了激光扫描模型的关系和公式， 在每对模型立体定向前先进行相对定向以便消除y视差, 可得到更高精度的影像；Mazzini[9]提出利用影像颜色和3D数据自动提取建筑物信息等方法, 但至今还没有一种无需人工干预并且适用任何比例尺、 类型的建筑物自动提取算法[9]; Mensink等利用 UAVRS 技术对北卡罗莱纳州进行自然灾害调查, 通过正射影像分析、 评估农庄和厂房的损失, 显示了 UAVRS的快速反应能力, 可为应急指挥提供准确数据[10]。

20世纪50年代后期, 我国开始了低空无人机遥感技术研究, 作为对地观测应用中最精准、 最真实且最容易获得的技术, 低空无人机遥感技术在全世界迅速得到普及[11]。 前人利用低空无人机遥感技术在矿山调查、 监测工作的主要应用是拍照[12]、 监测是否有地质灾害、 地灾可能影响范围、 水资源污染及造成的水土流失等[13-14]。随着低空无人机遥感技术的不断成熟, 其在资源环境勘查领域也开始慢慢涉及。王有业[15]对山西吕梁某矿区采用无人机低空遥感系统进行了大比例尺地形图测绘和正射影像图生产工作, 实现了矿山数字化建设；宫本旭等[16]在贵州省黔西南州境内的红土型金矿区开展低空无人机矿山遥感调查, 获取了矿区100多km2的遥感影像；李迁[17]通过无人机遥感影像技术对江西赣州稀土矿区的矿产资源开发利用状况、 规划执行情况及矿山地质环境等进行了遥感调查与监测；安志宏等[18]采用低空遥感技术对辽源市矿山地质环境恢复治理进展和效果进行了监测。开展这些工作, 都是基于低空无人机遥感技术在矿山勘查方面的明显优势:①影像的实时性、 仿真性, 避免了因人为疏忽造成的勘查失误; ②快速、 及时获取成果, 缩短任务周期; ③大大节省外业工作量, 经济效益明显; ④通过对比以往历史影像, 发现矿山动态变化趋势和特征。

2 研究区与数据源

2.1 研究区地质地貌

研究区位于武安市淑村镇, 为建材石灰岩露天开采矿山A, 面积0.08 km2。地势西高东低, 地形条件中等, 属低山丘陵地带。沟谷宽阔, 山坡平缓, 掌子面坡顶至分水岭为天然地貌，此地段第四系残积物覆盖层厚度约0.4～1.5 m, 地表形态均为荒山, 植被以天然灌木为主。该区域矿山经过多年开采, 原始山坡被开挖得“破烂不堪”, 掌子面陡峭直立, 基岩裸露, 地层岩性为奥陶系中统磁县组灰岩, 走向近南北, 向北北东倾斜, 倾角17°～21°。灰岩地层为中厚层, 单层岩体较完整, 局部破碎严重, 边坡整体处于较稳定状态。区内第四系主要为残积物、 坡积物和人工堆积物, 局部夹薄层碎石, 碎石成分主要为灰岩, 大部分为矿渣所覆盖; 区外侧及掌子面坡顶有残积物, 第四系残坡积物覆盖厚度0～0.3 m, 人工堆积物主要为碎石、 渣土。

2.2 基础数据的获取

三维影像模型、 正射影像图和地面高程模型是最基础的数据, 通过照片建模来实现基础数据的获取， 在此基础上进行分析并处理所有的成果， 此次应用实例是基于矿山对裸露的矿场以及其他不被树木、 建筑物或设备遮挡的地方, 若是露天矿山遮盖较多时, 则需要在航拍镜头上装载红外遥感[19-21]。

2.2.1 依据的主要技术规范 《基础地理信息数字成果1∶500, 1∶1 000, 1∶2 000数字线划图》(CH/T 9008.1—2010); 《基础地理信息数字成果1∶500, 1∶1 000, 1∶2 000数字高程模型》(CH/T 9008.2—2010); 《基础地理信息数字成果1∶500, 1∶1 000, 1∶2 000数字正射影像》(CH/T 9008.3—2010); 《低空数字航空摄影测量内业规范》(CH/Z 3003—2010); 《低空数字航空摄影测量外业规范》(CH/Z 3004—2010); 《矿山地质环境保护与治理恢复方案编制规范》(DZ/T 0223—2011)。

2.2.2 外业工作及评价 根据矿山范围、 地形及项目要求确定航拍分辨率、 重叠度并规划航线、 航高。对矿山进行踏勘, 在矿山地面布置平面高程像控点, 此次像控点布设依据矿山现状布设了6个控制点[22-23], 控制点布设在影像清晰的道路边上和圆山顶, 选在交角良好的细小线状地物交点、 明显地物折角顶点, 用喷漆布置像控点标志, 标志成 “十”型[24]。采用 RTK差分定位的形式采集高程三维数据和像控点平面数据。用无人机航拍获取照片及其POS数据, 无人机型号为大疆Inspire1(悟), 轴距559～581 mm, 最大飞行海拔4 500 m, 任务传感器设备为数码照相机FC350。此次航拍照片数量392张, 飞行高度121 m, 航向近南北, 飞行架次为3架次, 飞行航线12条, 平均纵向重叠度为61%, 旁向重叠度为31%, 镜头焦距3.61 mm, 连结点49 762, 太阳高度角大于45°。A矿山航拍相机位置和照片重叠度见图1、 典型照片及POS数据见图2, 依据技术规范对矿山外业主要工作进行评价, 结果见表1。由评价结果可知，外业工作均符合规范要求。

图1 A矿山航拍相机位置和照片重叠度

2.2.3 内业工作及评价 将照片导入三维影像模型软件, 导出照片POS数据, 将WGS84经纬度坐标换算成CGCS2000后重新导入替换, 坐标换算采用常用的坐标转换工具, 此矿山测算的坐标转换误差在5 cm范围内, 对于露天矿山的勘查和设计工作可以忽略。采用ContextCapture软件, 航拍照片拼接镶嵌采取的算法为相似性度量法(LACC), 通过数据导入、 排列对齐照片、 空三测量、 输出区块名称、 定位地理参考、 放置控制点、 优化相机对齐参数、 再次提交空三测量、 生成密集点云、 模型校正、建立网格和生成纹理等处理过程[24], 最后输出三维影像模型及正射影像图(DOM)和地面高程模型(DEM), 不同像对的正射影像经镶嵌、 图廊裁剪、色彩平衡处理、 图廊整饰等步骤, 完成矿区正射影像图DOM制作[25], 如图3、图4所示, 其中图4在截取照片时稍有不同。

图2 A矿山航拍照片(镜向西北)及 POS数据

表1 矿山航拍外业工作评价表

图3 A矿山三维影像模型

图4 A矿山正射影像图(a)及地面高程模型(b)

内业质量的基础是DEM和DOM, 首先评价DEM和DOM质量, 再评价其他质量。

(1)DEM(图3)质量评价。1∶1 000模型地面分辨率:18.10 cm/pix, 1∶1 000数字高程模型格网尺寸为1 m。

(2)DOM质量评价。1∶1 000模型地面分辨率: 4.53 cm/pix, 图幅内影像质量反差适中, 纹理清楚, 灰度直方图正态分布。内业工作质量评价见表2。

3 勘查设计

对A矿山进行资料收集, 明确矿山开发利用现状, 利用低空无人机遥感处理成果生成矿山地形图, 结合矿山三维影像成果开展野外实地调查, 利用ArcGIS软件对矿山环境信息(面积、 高度等)进行信息提取, 室内综合研究编制勘查设计成果。勘查设计主要流程图见图5。

(1)将地面高程模型和正射影像图在GIS软件中嵌套, 通过矢量化功能编绘矿山地形剖面图和地形图(图6), 也可利用其他工具软件将其编绘成指定比例尺的地形图。

地形剖面图可以进一步输出矢量格式, 比如.dwg, 在AutoCAD软件中根据地物地形特征进一步修饰, 制成指定纵横比例尺的地形剖面图, 用于野外地质剖面测量。

表2 A矿山航拍内业工作评价表

图5 勘查设计主要流程图

(2)现场对地层岩性、 构造、 植被、 掌子面、 渣堆、 采坑、 挖填方、 渣坡等进行初步调查, 掌握其特征即可, 界限范围圈定和几何特征数据统计可在GIS软件中完成[26], 如图7圈定的掌子面、 平台等范围, 图8统计选定范围的周长、 平面投影面积, 最低、最高高程的位置和数值, 高程平均值和中值, 坡度最大值、 平均值和三维表面积等信息。

(3)室内编制报告阶段, 技术人员随时可用三维浏览器打开三维点云模型观察矿山的细部特征, 如矿山各部分影像特征和查询测量面积、 长度、 高度等几何特征信息, 解决了信息丢失和外出再次作业的难题(图8)。

图6 A矿山纵切地形剖面图(a)及地形图(b)

图7 用CAD在影像图中圈定矿山特征(掌子面、 平台)区域

(4)利用其三维表面分析功能生成坡向图(图9a)。坡向图可以分析判断日照的阴坡、 阳坡, 用以辅助选择人工植被种类。掌子面坡向和坡度的统计数据实现了定量化评价掌子面的平整度, 为治理方案的选择提供技术依据。

(5)通过GIS 软件导入地面高程模型, 利用其三维表面分析功能生成坡度图(图9b), 坡度图各部分的特征内容较多不再一一描述, 列举一例。从图9可知,北掌子面北端坡度较陡,坡度均在80°以上,不宜选择植物恢复措施, 治理方案选择恢复植被的可能性小。

图8 用ArcGIS量测几何特征(投影面积等)及在影像图中圈定矿山特征(掌子面、 平台)区域

(6)利用其三维表面分析功能生成日照图(图10)。可判定矿山治理范围内的太阳辐射值较高, 植被选择应以喜阳植被为主。

(7)利用其三维表面分析功能生成视域图(图10)。将分析结果和矿山影像嵌套, 可判断出需要优先治理的可见部位。

(8)利用其三维表面分析功能生成汇流图(图11)。 可据此图布设排水设施。

(9)矿山设计阶段依据“能平则平、 能爆则爆、 宜地则地、 能简不繁”[27]的原则。三维影像模型由三角网格和表面纹理构成, 将其导入三维建模动画软件, 除了观察还能利用工具进行工程可视化, 即三维实体设计, 设定比例尺后按实物尺寸进行工程布置, 对设计效果能较为直观地看见, 微地貌是否可用于直接判别, 从而实现设计的精细化, 比二维线画图在技术和方法上有大的进步。 分项工程利用三维动画软件(如ContextCapture)都做成单体, 如种植的草灌乔等植被(图12), 每一种都制作成单体照片, 采用哪种栽植方法, 清晰地标注出坑的类型、 直径、 埋深, 灌乔木要标注出胸径、 高度、 间距等要素; 挂网客土喷播施工工艺为:坡面清理→锚杆施工→坡面挂网→喷清水清洗坡面→分层喷播基层客土→喷播种子层→喷播种子覆盖防冲刷层→养护; 用生动的影像图标注尺寸、 网格间距、 材料、 主次锚杆间隔、 直径、 种子覆盖防冲刷层厚度、 种子层、 营养基层等。大部分的实物工作量可利用对象的属性查询功能进行统计, 工程量的计算省事省力准确度高, 对其标注尺寸和增加说明就可以制作成三维设计图纸。评审时通过三维实体设计模型向专家解释治理设计意图, 专家容易理解, 是否符合技术要求也容易判断； 对施工人员, 其表达方式为实物图也比传统线划符号图纸易于理解。三维实体设计局部效果图见图12。

图10 A矿山日照图(a)及视域分析图(b)

图11 A矿山汇流图

图12 A矿山渣坡的局部设计效果图

4 结 论

(1)本技术方法集成了无人机航拍、 三维影像建模、 GIS和工程可视化4种技术, 通过露天矿山A的实际应用表明, 无人机航拍后处理成果应用于露天矿山勘查设计中, 能够快速高效地降低勘查设计费用和野外工作强度, 丰富勘查设计成果, 提高勘查设计精度和工作效率。

(2)基于矿山三维点云模型的三维影像模型、 地面高程模型(DEM)和正射影像图(DOM)成果。在软件中可直观观察矿山细部构造, 实现矿山治理的精细化设计。运用工具在三维模型上进行治理设计, 可以直接显示三维状态下治理效果, 用工程可视化方法实现了工程设计由二维向三维的转变。

(3)基于无人机航拍成果进行处理, 非量测相机、 飞行姿态不稳定、 像幅小等问题导致空三精度相应降低的缺点有待进一步研究。