倾斜摄影技术在矿山生态修复试验区的应用

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郑秀丽

（山西省煤炭地质物探测绘院，山西　晋中　）

结合某矿山生态修复工程的实际需求，提出采用无人机倾斜摄影技术快速获取废弃矿山地理信息的技术流程和方法。经过实际生产验证，文中所述无人机倾斜摄影系统能够满足矿山生态修复所需1∶大比例尺地形测量的精度要求，所生产的真三维模型能够为矿山修复快速提供可靠详细的地表现状信息。

倾斜摄影技术；矿山生态修复；真三维模型；大比例尺地形测量；精度

P.5A-（）04--05

引文格式：郑秀丽.倾斜摄影技术在矿山生态修复试验区的应用[J].地理信息世界,,26(4):-.

正文

0　引　言

山西省作为能源大省，在为全国能源需求和经济建设做出巨大贡献的同时，也面临资源过度损耗、生态环境破环、挤占耕地等严重的社会问题。已经严重影响到当地居民的生存和发展，影响到全省生态环境建设和经济建设的可持续发展。因此，对矿山废弃地土地复垦和生态修复建设的研究也已成为我省当前一个必须突破的重大课题。

生态修复是指利用大自然的自我修复能力，在一定人工措施辅助下，恢复生态系统原有的生态功能和生产力状态，或者使得生态系统向良性循环发展，是一项复杂的系统工程。矿山生态修复建设需要充分调查和详细了解破坏区的人文地理、地形地势、地质构造、土壤植被等情况，以便针对不同矿山所在区域条件以及周边环境，因地制宜地编制修复设计方案、进行现场施工布置、修复区监测、效果评价等工作，达到矿山生态恢复、改善环境的目的。

本文以山西某废弃矿区为试验区，以矿山生态修复的实际需求为出发点，提出利用倾斜摄影技术，获取多度重叠、高分辨率的地表影像，进行矿区范围的精细化三维重建，通过地面精度验证，对构建模型进行精度评估；并通过与以往采用传统方法的比对，证明本系统可快速获取低成本、高精度的矿山生态修复基础信息，为矿山废弃土地复垦和生态修复建设快速提供可靠的技术和数据支持。

1　倾斜摄影测量技术简介

倾斜摄影测量技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术，它颠覆了以往摄影测量技术必须从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直、多个不同倾斜角度采集影像，通过一系列影像识别、解算、贴图等内业工作，建立真三维模型，快速还原真实世界，让用户从多个角度观察地物，更加真实地反映地物的实际情况，给人身临其境的感觉和体验。

在构建真三维模型的作业中，可以同时产生DOM、DEM等传统摄影测量成果，也可以直接基于模型进行各种量测，为用户提供更丰富多样的地理信息。

2　试验区倾斜摄影技术规划及数据处理

2.1试验区地貌概况

试验区位于晋西北黄土高原山区，地势崎岖不平，沟壑较多，山丘、山谷、山脊相见分布，相对高差较大；由于长期采石活动，地面破坏严重，面积约10.3，其中裸漏地面约5，还有1为采石厂，正在开采。试验区场景如图1所示。

图1　试验区概貌

Fig.1Overviewofthestudyarea

2.2技术规划

对于这种破碎的地貌，如果用传统的人工测图，外业工作量非常大，并且好多地段存在安全隐患，人员和仪器根本无法到达；而普通航测法又很难达到1∶地形图精度要求，不能满足生态修复试验的要求。因此，考虑采用倾斜摄影技术方法，获取高精度的真三维模型，进而绘制大比例尺工作底图，并获取该区域详细的地表地理信息特征。技术路线如图2所示。

图2　技术路线图

Fig.2Technologyroadmap

2.3多视角倾斜影像的获取

根据试验区的地理条件和实际需求，本次试验确定采用小型旋翼无人机为飞行平台，搭载五镜头（垂直镜头焦距35mm，倾斜镜头焦距50mm，像元大小4.88μm）消费级非量测数码相机，低空获取多视角、高重叠度的高分辨率可见光影像。

为确保影像分辨率与三维模型的可靠性能够满足后续矿山生态修复的需求，预设飞行相对航高为m，航向重叠度75%，间距92.1m，东西飞行32条行带，航带间重叠度85%，旁向间隔20m，航摄分辨率约为3cm。整个摄区共规划了19个架次，拍摄0张影像，覆盖面积约5.8。同时，在试验区内通过GPS地面差分测量的方式布设了9个像控点，测量精度优于0.10m。具体航线规划及地面像控点分布如图3所示。

图3　航线及控制点布设图

Fig.3Routesandlayoutofcontrolpoints

2.4数据处理方法

本文所采用的无人机倾斜摄影测量航摄系统具有分辨率较高、影像获取视场角较大以及同一地物在不同获取角度的影像具有多重分辨率的特点。针对这些特点，数据处理需要经过如图4所示的技术步骤。

图4　倾斜摄影测量基本处理流程

Fig.4Workflowofobliquephotogrammetry

2.4.1影像预处理

影像预处理过程主要是进行飞行器导航数据分析和影像质量检核。由于：①实验平台属于轻型无人机，且飞行高度较低，容易受气流影响，致使影像重叠率不规则，造成旁向重叠率相差较大；②由于试验区飞行架次较多，光照条件不一致导致了影像间明暗对比度不尽相同；③飞控系统GPS定位精度较低，导致航片偏离原设计线路；④航线转向时，弯道处有个别航片不满足要求。故需检查影像的清晰度、层次的丰富性、色彩反差、色调等，剔除掉明显模糊、重影、错位等不满足要求的影像。

2.4.2影像数据处理

本次试验选用PhotoMesh软件进行影像处理建模，根据导航辅助数据与影像匹配的方式进行像片连接点自动转点，通过行带模型链接条件的连续法相对定向并剔除误匹配点，然后构建三角格网，经过空三解算，在各种限差都满足规范要求的情况下，建立初模，再经过拼接、贴图等一系列处理，构建真三维模型。同时可以生产DOM、DEM、DLG等普通摄影测量产品。

2.4.3精度控制和验证

为了提高模型精度，本次野外实测了15个像片控制点，通过人工立体量测的方式将控制点转刺入立体模型，进行区域网整体平差解算。经统计：像点坐标总体量测精度为±1.个像素，空三解算报告见表1。

表1　空三解算精度报告

Tab.1Reportofthecalculationaccuracyofairtriangulation

最后，为了更加客观地评价本次实验区模型精度，我们再次采用GPS设备，野外均匀实测了21个检测点作为精度验证依据，其残差分布情况如图5所示。

图5　检查点残差分布图

Fig.5Residualdistributionofcheckpoints

根据表1的空三平差结果反映出：实地量测的检查点的平面/高程最大残差为0.m～0.m、中误差为0.m～0.m。按照我国现行航空摄影测量规范，就丘陵地1∶比例尺地形测图加密要求，检查点相对于野外控制点的平面位置误差应小于0.m，高程应小于0.m，本文实验结果能够满足要求。

再结合检查点的图5所示的残差分布图进一步分析，21个外业实地量测检查点的平面误差，在空间分布上并没有显示出明显规律，即对多条航带进行整体区域网平差处理的方式，能够通过倾斜摄影航带间多度重叠的模型连接条件和摄区内少量控制点来有效消除模型系统误差，以获得可靠的模型精度。

3　倾斜摄影成果的应用

通过倾斜摄影技术手段生成较高精度的数字正射影像图（DOM）、数字高程模型（DEM）、数字线划图（DLG）、真三维立体模型（3D-model）等数字成果，为矿山生态修复规划设计和施工建设以及修复成果监测和评价等工作快速提供了准确可靠的基础数据、工作底图和客观数据依据。

3.1生态修复规划

利用飞行器拍摄相片可以不受地形地势影响，尤其是五拼倾斜摄影相机，从5个不同角度，同时采集现场影像，生成如图6所示的三维模型后，通过放大、缩小、旋转、俯仰等操作，以不同角度和尺度观察浏览，全面地、详尽地把握现场地表情况，克服了因地势险峻人力无法到达而造成的“盲区”；由于模型精度较高，通过直接在模型上量测、计算、切割任意方向剖面图等功能操作，较精确地量测实际破坏程度，使绝大部分实地调查量测工作转为内业模型采集工作，在保证成果质量和精度的前提下，极大地降低了外业工作量，提高了效率，降低了作业成本。

图6　破坏区三维模型（局部）

Fig.6The3Dmodelofdestructionzone(atlocallevel)

以三维模型为基础进行方案设计，可对多种拟用方案效果进行模拟显示、比对，然后不断调整，择优选取。如通过如图7a所示的通视分析、如图7b所示的淹没分析、如图7c所示的日照效果模拟等功能，直观地看到所设计的修复方案产生的效果，如图8所示。再通过几种方案效果的叠加比较，轻松选出最优方案，避免人为因素造成的失误。

3.2生态修复施工及监测、管理

本试验区修复工程主要包括危岩清理、边坡防护、修筑截排水沟和挡土墙、覆土移运、绿植播种等。生态修复施工作业中，可以准确计算挖土量、填土量及填挖高度，使施工作业更精准，起到一定指导作用；还可以利用模型与实地的高度对应关系，使得好多施工作业变成了施工放样，作业更加便捷，质量更易把控。

通过多次航摄，采集到修复前后、修复过程中各个阶段的影像数据，经过现场实景对照，如图9所示，并进行数据分析监测，全面掌握地表变化情况、边坡、挡土墙稳定情况，植被成活率、生长情况，对危险源、生态修复效果给出客观评估，以便及时发现问题，并及时给出合理的处理办法。

以修复后的三维模型为基础框架，结合GIS技术，利用采集到的各类数据信息，建立本区域生态管理系统，通过数字化精细管理模式，逐步实现矿山开采破坏治理的良性循环，达到生态修复持续有效彻底的目的。

图7　n种模拟分案效果图

fig.7Renderingsofseveralsimulationschemes

图8　修复建设方案对比调整

Fig.8Comparisonandadjustmentofrehabilitationandconstructionplans

4　结束语

本文以实际废弃矿区的生态修复需求为试验区，采用倾斜摄影技术方法，利用无人机搭载多镜头相机获取多度重叠、高分辨率的地表影像，实现矿区范围内高精度大比例尺基础数据与精细化三维重建。

图9　破坏区修复前后对比图

Fig.9Comparisonofdestructionzonebeforeandafterrestoration

通过具体试验，结论如下：

1）利用无人机开展倾斜摄影测量获取矿区基础数据的方法，一方面有效克服小型和轻型无人机质量轻、高度低、姿态稳定性差，且像幅小、基高比小而造成高程精度不佳的情况，另一方面又充分发挥了无人机影像获取快速灵活、低成本的优势，大大提高了矿山生态修复所需基础数据的生产效率，同时减少了大量外业工作量，可在大规模矿山生态修复中推广应用。

2）经实际生产实验表明，本文的无人机倾斜摄影系统能够满足矿区修复所需的1∶大比例尺测量的精度要求。

3）倾斜摄影技术可以提供更丰富的数字成果，在矿山修复方案设计、修复施工建设以及修复后的监测和管理各个阶段都能起到重要作用，为矿山生态修复持续有效地达到良性循环的目的提供了有力的技术支持。

本期回顾

自然资源和国土空间规化

·生命共同体监评理论框架研究

·面向生命共同体健康的生态安全评价研究——以湖北省三峡库区为例

·国土空间规划辅助决策平台关键技术研究

·国土空间规划实施评估：概念框架与指标体系构建

·面向自然资源统一监管的地图产品设计

理论研究

·城市三元空间发展水平的特征及耦合关系研究——以广东省为例

·基于Landsat影像的雄安新区～年土地利用变化检测

·内陆水体叶绿素a浓度遥感监测方法研究进展

·基于最小累积阻力模型的土地生态安全控制区划定——以深圳市为例

·城市教育设施的可达性分析——以龙岗区小学为例

·面向微博签到数据的城市社区结构挖掘

·限制性因素约束下城市综合体空间配置潜力区挖掘

·基于TRMM和CMORPH的降雨数据对比分析研究

·海底水深变化分析方法研究

技术探讨

·第三次土地利用调查数据建库模式与方法研究

·基于基础地理信息数据的III级城市三维模型快速构建方法

·多源政务空间信息支撑下的城市建设智能化监管关键技术

·试析空间数据产品质量及其控制与评价

·“天地图?四川”数据协同采集更新系统设计与实现

·OpenStreetMap数据质量评估及适用性分析——以河南省铁路网为例

·基于实景三维模型的变电站应用研究

·地图信息的艺术表现与应用

·基于地理国情数据的河北省公共养老服务综合统计研究

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