无人机技术论文第六篇：矿山生态修复中无人机倾斜摄影技术的运用研究
摘要：矿山开采导致地质环境、生态环境发生变化，传统调查方法难以满足矿山复杂、危险的调查作业。随着无人机倾斜摄影技术的发展和应用，无人机已成为矿山生态修复调查评估、规划设计、治理实施和验收的重要手段。以广东惠州某露天矿生态修复为例，应用无人机倾斜摄影技术建立三维实景模型，制作高分辨率的正射影像。结合GIS软件，快速解译矿山地质灾害、地形地貌景观破坏、土地损毁及植被恢复等生态修复要素。该方法减少了野外调查工作量，且具有较高的精度，保障了调查工作的安全。
关键词：无人机; 倾斜摄影; 三维实景模型; 生态修复;
Application of UAV Oblique Photography in Ecological Restoration of the Mining Area
HUANG Xuandong
Nonferrous Mine Geological Disaster Prevention Center of Guangdong Province
Abstract：Mining cause the changes in geological environment and ecological environment. The traditional survey methods are difficult to fit the complex and dangerous survey operations in mines. With the development and application of UAV Oblique photography technology,it has becomed important means of investigation and evaluation,planning,design,implementation and acceptance in mine ecological restoration. Taking the ecological restoration of an open-pit mine in Huizhou,Guangdong as an example,a threedimensional real scene model was established by UAV tilt photography technology to produce high resolution orthophotos. Combined with GIS software,ecological restoration factors such as mine geological disasters,landscape damage,land damage and vegetation restoration were quickly interpreted. This method reduces the workload of field investigation,and has high accuracy,and ensures the safety of investigation.
矿山生态修复的调查、设计、监测涉及地质灾害调查、土地损毁调查、污染调查、水土流失、植被调查等方面，需要开展大量的野外工作。由于露天矿山开采形成了复杂地形条件，尤其是破碎边坡、高陡边坡、危岩边坡、排土场边坡等复杂地形，存在崩塌、落石、滑坡等地质灾害隐患，调查人员无法近距离测量和调查。无人机航摄，为矿山生态修复调查、监测提供了新技术。无人机航摄具有高危地区探测、影像实时传输、高分辨率、续航时间长、成本低、易推广、机动灵活等优点，不受云覆盖区的影响，已逐渐成为科学研究、农林植保、地理测绘、抢险救灾、执法督察等领域的重要手段之一。近年来，倾斜摄影技术在无人机航摄技术和三维实景建模技术的推动下得到广泛应用。
无人机倾斜摄影技术已成功应用在地质环境调查、测量、地质灾害调查、矿山执法、应急救援等方面[1,2,3,4,5,6,7,8]，极大提高了工作效率，取得了较好的效果。本研究通过应用小型的消费级无人机大疆精灵4 Pro V2.0对矿区进行倾斜摄影测量，建立三维实景模型，在三维实景模型及正射影像中进行地质环境和生态环境的遥感解译和分析研究，作为矿山生态修复调查、规划设计和治理效果展示的重要手段。
1 无人机倾斜摄影应用工作流程
无人机倾斜摄影技术通过在飞行平台上安装传感器，从垂直、倾斜等多个角度采集具有空间信息的照片，经过三维建模软件后期处理，建立三维实景模型，直观真实地反映被测对象。也可以生产出厘米级的测绘成果，如数字正射影像DOM、数字表面模型DSM、数字高程模型DEM等。
无人机倾斜摄影测量系统由无人机摄影平台、飞行控制系统和地面监控系统组成。工作流程分为像控点布设、数据采集、数据处理、测绘成果表达、遥感解译。无人机倾斜摄影应用工作流程见图1。
(1）像控点布设。像控点布设为后续三维建模提供控制点信息，用于提高三维实景模型的测绘成果精度。像控点的坐标可以通过传统的测量方法和GPS RTK方法测定，也可以使用CORS基准站用GPS-RTK测定。当模型的测绘精度要求不高时，可采用免像控点获取无人机影像建模。
(2）数据采集。倾斜摄影一般需要多个方向的影像，分为垂直地面角度拍摄的正片和与地面成一定夹角拍摄的斜片。固定翼无人机或大型多旋翼无人机一般搭载5镜头相机，数据获取效率高，但操作较复杂。小型多旋翼无人机搭载单镜头，通过飞行控制软件可以用单镜头模拟多镜头成像，规划5条航线分别从不同方向和角度进行航摄，航向重叠率一般为60%～80%，旁向重叠率为40%～60%。无人机拍摄影像地面分辨率直接影响矿山生态修复调查精度。
(3）数据处理。三维实景建模软件主要有欧洲的Street Factory、俄罗斯的Photo Scan、瑞士的Pix4D、美国Bentley公司的Context Capture（原Smart3D Capture）及国产的DP-Modeler、Altizure、大疆智图等软件。导入含有坐标及POS信息的照片，进行空间三角解算，然后生产三维实景模型。通过三维实景模型，可进行虚拟踏勘、遥感解译等，了解地形地貌、土地现状、植被覆盖、环境污染等基础信息。
(4）测绘成果表达。三维实景模型建立后，可进一步生产出高精度的测绘成果，如数字正射影像DOM、数字表面模型DSM、数字高程模型DEM等，为后续遥感解译、测算、工程设计、监测提供工作底图。
(5）遥感解译。将测绘成果导入GIS软件或Auto CAD软件，对地质灾害、地形地貌、土地现状、植被发育、环境污染、工程设施等地表特征进行遥感解译，也可直接通过三维实景模型进行体积、面积计算。
2 矿山生态修复应用实例
2.1 矿山生态环境问题现状
工作区域位于广东惠州北部，调查区域约2 km2，矿区位于丘陵地带，区域内海拔高差达200 m，地势起伏不平，建筑物较少，矿区周边无敏感点，飞行空域良好。矿山开采矿种为水泥用灰岩，开采方式为露天台阶开采，由山坡露天开采转为凹陷露天开采，表土剥离厚度2～20 m，采坑标高+243～-10 m，地表侵蚀面标高+80 m。露天剥离挖损土地和有林地，弃土堆积损毁有林地，压占土地资源，地表植被破坏严重，台阶坡陡，岩石松散破碎，易发生崩塌地质灾害。
2.2 无人机倾斜摄影应用技术方案
矿山生态环境调查方法采用地面调查和无人机遥感调查。先地面踏勘调查，了解矿山基本情况，建立解译标志，然后采用无人机倾斜摄影技术，建立三维实景模型；再室内遥感解译，最后补充调查。考虑到矿山范围较小，地形复杂，本次实践采用多旋翼无人机大疆精灵4 pro V2.0，该无人机起飞质量1 375 g,30 min续航，搭载1英寸2 000万像素CMOS传感器，采用机械快门相机，实现10 km的遥控信号传输，可承受最大风速10 m/s。无人机飞行控制应用采用大疆DJI Pilot，可以规划5条航线模拟多镜头成像。本次飞行高度400 m，获取了437张照片，地面添加5个控制点。三维实景建模软件采用Context Capture软件，采用CGCS2000坐标系，经过空三解算，生成后缀.s3c及OSGB的场景文件、DOM、DSM等，DOM地面分辨率达到0.2 m，可满足调查评估与规划设计要求。三维实景模型、纹理模型如图2、图3所示。数字正射影像DOM、数字表面模型DSM分别如图4、图5所示。
2.3 应用效果分析
矿山生态修复涉及地质灾害防治、地形地貌景观治理、土地复垦、矿山复绿、水土污染防治。需要调查的要素主要有地质矿产、矿山开采、地质灾害、水土保持、土地分类、土地损毁、土壤类型、土壤污染、植被类型、“三废”排放等。建立高精度倾斜摄影三维模型和正射影像图，可以在室内解译80%以上的矿山地质灾害、地形地貌景观破坏及土地损毁情况，用遥感解译的正射影像作为野外手图，有针对性地开展野外补充调查，大大减少了野外工作量，提高工作安全性。
无人机倾斜摄影生成的正射影像导入Autocad、Arc GIS等软件中作为设计分析底图，叠加数字线划地图（DLG）数据，根据地形变化修测DLG数据。针对矿山生态环境调查要素进行人机交互式解译，矢量化勾绘崩塌、地面塌陷、排土场、废石堆场、露天采坑、道路、水面、复垦治理区、污染水体、植被等调查要素的范围，直接统计面积。根据土地利用现状图与历史卫星遥感影像图进行对比分析，提取土地类型、植被类型，圈定已剥离与未剥离表土区域，分析原生植被覆盖与植被恢复情况，评估土地损毁范围和植被损毁，制作土地损毁现状图、损毁预测图和复垦规划图，并以正射影像图为底图进行复垦设计工作。
通过Context Capture Viewer浏览三维模型，可通过旋转、俯仰与缩放等功能进行多角度观测，清晰真实地反映复杂地表特征，如岩土体规模特征、植被生长发育特征、土地利用现状、工程设施等，可以随时查看调查区地物，如植被类型、农田、果园、林地、房屋、排水设施、管线等。通过露天台阶岩石边坡解译，圈定危岩崩塌地质灾害隐患点，解译其规模、形态特征，为地质灾害评估提供指导；通过对排土场、废石堆场、矿坑的几何要素（长度、面积、体积、坡度等）进行精准快速量取，用于矿山生态修复调查、设计的工程量估算；通过对排土场冲沟、植被生长及排水沟损毁现状调查，为排土场的稳定性分析提供依据。
本次实践通过露天采坑、排土场、废石堆场、工业场地、植被发育等方面的解译，建立了解译标志，如表1所示。在三维实景模型和正射影像中解译崩塌5处，地面塌陷2处，排土场冲沟3处，解译工业场地3处，矿山损毁道路1.8 km，了解粉尘污染范围、水体污染范围、植被覆盖、已复垦的植被生长情况，为评估矿山地质环境恢复治理、土地复垦效果及科学制定生态修复治理方案提供数据支撑。
后续在生态修复施工、验收环节，将采用无人机实景建模，生成正射影像，叠加到施工设计图，可以检查施工进度，对比施工效果与设计的差距，为生态修复工程验收提供参考依据。通过矿山三维实景建模可以作为治理效果展示以及作为验收资料进行存档。
3 结语
本次采用单镜头的消费级无人机倾斜摄影技术对矿山地表进行三维实景重建，对矿山地质环境和生态环境进行遥感解译分析，极大地减少了野外调查工作量，降低了劳动强度，降低了生产成本，提高了调查精度和作业效率，实现了露天台阶边坡高危地区崩塌滑坡的调查，保障了调查工作的安全。无人机三维实景模型和正射影像真实还原矿山开采地形地貌，直观获取矿山开采和生态恢复的现状数据，为矿山地质环境调查治理和生态修复设计提供丰富的基础资料。在设计阶段以无人机正射影像为工作底图，实现可视化设计，提高设计效率，更好地展示设计成果。无人机倾斜摄影技术将在生态修复调查、实施、监测、验收等方面发挥更大优势，将来监管部门通过建立三维实景数据库平台，获取各阶段无人机遥感监测数据并动态更新，衔接国土空间各类要素，对矿产资源开发与生态修复进行全过程监管，通过矿山开采前、开采中、闭坑、复垦、验收全过程的对比，分析矿产资源开发与生态环境前后变化，为政府决策、监管执法提供翔实可靠的第一手资料。
参考文献
[1]张登波，钱玉国.无人机航摄系统及其在矿山执法中的应用[J].江西测绘，2015(4):45-46.
[2]黄皓中，陈建平，郑彦威.基于无人机遥感的矿山地质灾害解译[J].地质学刊，2017,41(3):499-503.
[3]袁林山，王莉，赵海卫.基于无人机实景三维模型的矿区地形要素采集研究[J].现代矿业，2019(12):67-69.
[4]秦秀山，曹辉，王志修，等.无人机航测技术在露天矿边坡工程地质调查中的应用[J].有色金属：矿山部分，2020,72(2):77-80.
[5]王耿明，朱俊凤，陈捷，等.基于无人机的矿山地质环境监测与矿山实景三维建模[J].地矿测绘，2018,34(1):45-47,40.
[6]吕剑.无人机倾斜摄影测量在矿山地质环境调查中的应用[J].地矿测绘，2019,35(1):39-41.
[7]李磊，焦龙进，吴礼浩，等.无人机技术在高陡边坡地质调查中的应用[J].中国金属通报，2019(11):173-174.
[8]李俊.无人机三维建模在边坡地质调查中的应用[J].建材与装饰，2020(18):240-241.
