本文摘要：摘要：結合露天礦山生態修復監測業務工作需求，本文充分利用實景三維技術快速靈活、低成本、高精度地構建三維場景模型的優勢，著重介紹了三維實景技術在露天礦山生態修復監測的應用技術方法與路線，通過分析闡述監測的具體實施流程，為露天礦山精細化管理和生態環境保
摘要：結合露天礦山生態修復監測業務工作需求，本文充分利用實景三維技術快速靈活、低成本、高精度地構建三維場景模型的優勢，著重介紹了三維實景技術在露天礦山生態修復監測的應用技術方法與路線，通過分析闡述監測的具體實施流程，為露天礦山精細化管理和生態環境保護與治理提供輔助決策支持。
關鍵詞：實景三維技術;三維場景模型;礦山生態修復
0 引言
作為世界上少有的礦產資源豐富、礦種比較齊全的國家之一，我國礦業資源的開采已經成為推動經濟發展的重要組成部分，由于開采礦山數量龐大，因而伴隨著礦業開采過程的生態環境問題也愈加突出。近年來，隨著我國生態文明建設進程的不斷推進，礦山的生態修復和環境保護治理工作，已經成為全社會關注的焦點問題[1-2]。
特別是2018年以來，經過國家機構改革調整新成立的自然資源部門也明確將生態修復工作納入自然資源部門行使“兩統一”職能職責，并成立了專門的自然資源部礦產資源保護監督司，專職負責礦山生態保護治理工作。2019年頒布實施的《綠色礦山建設評估指導手冊》也對綠色礦山建設和評估方法提出了明確的要求和考核評估指標，在國家的大力推動下，礦山生態修復工作取得了長足的發展，但是也存在一定的局限性，尤其礦山在設計、開采以及后期地質環境恢復治理過程中，都需要進行大量測繪工作。傳統測量方式是作業人員利用全站儀、RTK等傳統測繪設備采集礦區內高程數據信息，并借助衛星遙感影像地圖來獲取礦區及周邊土地利用現狀信息。
其中，人工現場勘測的方式采集高程信息耗費的人力物力財力較大，不僅效率低，同時還存在現場測量過程中存在因開采時的揚塵影響儀器的觀測效果，測量人員容易發生危險和安全隱患等風險[3-4]，而衛星遙感地圖的方式數據更新頻次較慢，獲取的數據僅為分辨率較低的礦山二維影像數據，難以準確地獲取礦區真實的三維空間信息的需求。
實景三維建設作為當前新型基礎測繪建設的主攻方向，是黨中央、國務院和自然資源部對測繪工作在新時期的新要求、新部署，同時也是履行自然資源“兩統一”管理服務的必要舉措，實景三維其產品形式多樣，具有直觀、可量、可算，兼具量化和具象特征，完全可以滿足露天礦山生態修復對其礦山監測“能看得清、能看得準、能看得對、能看得及時”的要求[5]。
實景三維技術主要是通過無人機航片級數據處理技術，具有影像實時傳輸、測量快速、方便靈活、低成本、高精度的優點，可創建完全真實、可量測的三維場景模型，用戶可以快速獲取場景內任意區域坐標、面積、高程等信息，而且可以更加直觀地瀏覽地形、植被、水系、交通、居民點等分布狀況，有效地彌補了RTK設備在山區信號不好、效率低、成本高和和衛星影像地圖更新慢、精度低的缺點[6-7]。實景三維技術的興起為露天礦山測繪、礦山生態環境調查與監測提供了新的途徑。
1 監測關鍵技術流程
根據露天礦山生態修復監測的業務要求，結合無人機數據獲取和處理的一般技術流程，露天礦山生態修復監測實施的技術環節主要包括礦區資料的收集準備、測區像控點測量和測區航線設計、無人機傾斜攝影影像數據采集、區域網空中三角測量、高精度三維數據建模、制作輸出礦區DOM、DSM、DEM、DLG和三維實景模型[8]，最后基于形成的三維數據成果開展礦區生態修復監測情況指標計算和應用評價。
2 三維實景數據采集及處理
2.1 測區航線設計規劃考慮測區礦山地形的地表起伏差異相對較小，無人機航攝過程中采用分區進行航攝的方法，航線設計主要按照東西方向來實現對航線的布設;地面分辨率在0.08m，設置航向重疊度在85%，旁向重疊度在65%，相對航高400m。
2.2 區域空中三角測量空中三角測量主要是在立體攝影測量環境中，利用像片內在的幾何特性，通過少量的野外控制點在室內進行控制點加密，以攝影測量方法建立同實地相對應的航線模型或區域網模型(光學的或數字的)，獲取加密點的平面坐標和高程。
本文主要利用無人機傾斜攝影過程中采集的POS數據，并結合外業測定的區域網控制點的成果，采用Smart3D應用軟件的空三加密處理模塊，通過光束法區域網整體平差得到加密點成果[9-10]，其中空三加密模塊主要經過ExtractingKeypoints(提取特征點)、SelectingPairs(提取同名像對)、InitializationOrientation(相對定向)、MatchingPoints(匹配連接點)、BundleAdjustment(區域網平差)等步驟的運算處理，得到攝區空中三角測量成果。為提高空中三角測量的成果精度，可以使用軟件對攝區進行二次空三運算，最終得到更精確的攝區空三結果，并生成傾斜航空攝影空中三角測量成果報告。
2.3 成果輸出與制作
本文針對礦區實景三維模型創建主要是利用空三加密的結果，采用全自動空三數據導入方式，在三維數字攝影測量工作站上采用批處理的方法完成各個立體模型的建立，在此基礎上利用數字攝影測量系統，首先自動匹配、濾波生成DSM，其次在立體模式下，同時顯示格網點和視差曲線，最后基于校正后的影像內、外方位元素和數字高程模型(DEM)成果，對原始航片進行自動微分糾正，生成數字正射影像圖(DOM)。
3 成果精度分析
為客觀準確地對礦山三維數據成果精度進行全面分析評價，按照CH/T9015—2012文件的三維地理信息模型數據產品規范中對實景三維模型及數據產品的精度要求，本文分別隨機選取一定數量的內業加密點、地物點、內業加密高程點，根據實景三維技術流程制作生成的DOM、DEM和三維模型成果，將實際測量野外點位與成圖后在圖上量取的點位進行對比分析，得出圖上量算的點位與實際測量野外點位的DOM平面中誤差、DEM的高程中誤差和三維實景模型的平面中誤差、高度中誤差等值，對比統計結果顯示，基于實景三維技術生成的礦山三維模型精度完全滿足1∶1000成圖比例尺的規范技術要求。
4 遙感解譯標志構建
遙感解譯是從遙感圖像上獲取目標地物信息的過程。解譯標志是指在遙感影像上區分不同地物影像特征，用來分辨不同地物的依據，解譯的基礎和關鍵環節是解譯標志的確定，影像解譯標志正確與否直接影響礦山遙感監測成果質量。由于三維實景影像具有超高分辨率特征，建立基于三維實景影像的礦山解譯標志，可以為三維實景影像信息提取和礦山測量提供參考，為礦山生態修復監測應用評價提供依據。本文根據礦山的一般要素內容，構建的解譯標志的類型主要包括開采面、中轉場、尾礦庫、礦山建筑邊坡等。
5 礦山生態修復監測應用評價
為更好地將實景三維技術應用在露天礦山生態修復監測中，本文基于生成的礦山實景三維模型進行應用分析：一是三維模型為帶真實地理信息坐標真實紋理的三維模型，本文利用三維模型場景中的量測工具進行坐標量取、距離量測、路徑分析等分析操作，同時根據礦區的渣土排放土方量、排土安全高度和安全坡度等進行分析;二是對礦山開采導致的坑洼，通過三維實景模型自有的高程和坐標信息，以可視化的方式對土石方邊界進行選區操作，并自動計算生成不同礦區的挖填方量;三是利用礦山實景三維模型對礦山生態修復的林地、草地和復墾土地等治理，在模型上進行面積、高度、坡度、面積、體積等相關指標進行量算分析，從而對比統計礦山開采前后的生態修復質量情況，為礦山生態環境治理提供客觀、準確的數據支撐。
6 結束語
無人機實景三維技術具有快速高效、影像實時傳輸、高危地區探測、成本低、靈活等特點，能快速準確生產正射影像(DOM)、數字表面模型(DSM)、地形圖以及三維點云和傾斜三維建模，形成的各類成果不僅精度高，而且支持用戶快速獲取礦區場景內任意區域坐標、面積、高程等信息，以及更加直觀地瀏覽目標區域地形、植被、水系、交通、居民點等分布狀況，同時可以通過無人機傾斜攝影系統采集、測量和計算礦區堆坑的等高線、橫剖面、挖方量等，在露天礦山測量和生態修復的監測中具有很大的應用價值。
作者：黃天進
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