无人机倾斜摄影测量在废弃矿山生态修复勘查中的应用

——以广西隆安县点灯山生态修复综合治理项目为例

朱骏灵广西地矿建设集团有限公司，广西    南宁    530023

摘   要

 文章研究了无人机倾斜测量的现状、技术难点及在废弃矿山生态修复勘查中的实际应用成果，以广西隆安县宝塔新区点灯山生态修复综合治理项目为例，利用无人机倾斜摄影测量技术构建废弃矿山三维实景模型,通过解译分析,获取地形地貌、植被发育程度、岩体结构面产状、地质灾害发育情况等信息。结果表明，相对于传统的调查方法而言，无人机倾斜摄影测量具有操作便捷、数据精度高等特点；可配合三维建模，在废弃矿山生态修复工作中，可降低调查的难度和成本。

关键词

无人机；倾斜摄影；生态修复；地质灾害；广西

无人机倾斜摄影测量技术作为国际测绘行业近年来一项新兴的测绘技术，打破了正射影像只能从垂直角度拍摄而导致测量精度不高的局限性。该技术通过1台无人机上搭载单台传感器从不同角度多条航线或多台传感器同一航线，从正射及4个倾斜角度获取影像数据（采集的数据包含正射、立面空间位置信息）[1]。经过三维建模软件处理后，该技术可以将以上数据生成三维实景模型及DEM、DOM、DSM等多种成果，以达到更高精度的测绘成果及更准确的生态修复调查效果。

无人机倾斜摄影技术的应用，降低了废弃矿山生态修复调查过程中的难度和成本，提高了精度、可信度和效率[2]，为生态修复项目后续的实施起到了较大的推动作用。

工作流程

目前的生态修复工程勘查，大多采用人工目视调查或高清数码相机拍照调查。这类调查方式受制于矿山的现场环境，遇到条件复杂的矿山，如具有高陡采坡的矿山或矿山生态修复调查面积较大，崩塌、危岩等地质灾害较发育时，无法准确获取废弃矿山岩体及地质灾害点的特征参数。目前广西许多矿山生态修复项目结构面产状、尺寸、体积等数据均由人工携带传统的测量工具测量估算，无法及时为生态修复工程提供有效的数据支撑。

无人机倾斜摄影测量技术，可以便捷地制作高精度的废弃矿山区域的三维实景模型，搭配相应辅助软件，技术人员在计算机上即可完成矿山生态修复勘查中的地形地貌调查、植被调查、岩体结构地质灾害点调查及大比例尺地形图的绘制等。具体流程主要包括以下几步：（1）数据获取；（2）数据成果生产；（3）数据成果应用（见图1）。

1.1 技术难点

无人机倾斜摄影测量技术为新的调查手段，目前仍存在一些难点尚未解决，其中最亟待解决的有以下2个问题：一是获取巨量数据后，需要计算机长时间进行空中三角测量运算及三维重建，需提高计算机处理数据的效率；二是倾斜摄影原先一般多用于房地产测绘、农村土地确权等相对高差较小、对立面纹理要求不高的项目，如何在高差大、坡度陡、对坡面纹理、结构面精细程度要求较高的废弃矿山生态修复勘查项目中需保证三维实景模型重建的精度。

笔者就这2个问题在实际项目中展开了探索。

（1）无人机倾斜摄影数据量巨大，处理数据的用时长，一般采用多节点高性能计算机共同作业，但成本高且效果并不理想。笔者在试验多个建模处理软件后，发现采用Photoscan软件进行解析空中三角测量的效率较高，之后再采用传统建模软件如ContextCapture Center进行三维重建，通过这一操作，数据处理效率可提升30%以上。

（2）传统的无人机倾斜摄影测量，虽比正射摄影测量多出4个获取数据的倾斜角度，但依然是从同一航高进行影像获取，对于垂直的立面或被突出岩块遮挡的下部影像的覆盖并不够，导致制作成三维实景模型后，立面纹理或三角网格模糊不清，棱角圆滑，不利于建模后进行产状测量、体积测量等工作。笔者通过试验发现，手动或自动规划航线，可使无人机在垂直航线上飞行，面向岩面进行立面影像采集；而后单独采集立面的影像数据，再结合上方位的五向倾斜影像数据一同制作三维实景模型，通过这一操作可获取更精细的纹理效果，从而能获取更精确的岩体结构面参数。

1.2 数据获取

无人机倾斜摄影规划航线重叠率一般设置如下：航向重叠率不低于80%，旁向重叠率不低于70%，立面补充影像重叠率不低于60%，相对航高的计算公式如下：

式（1）中，H为相对航高（单位为m），f为摄影镜头的焦距（单位为mm），GSD为影像的地面分辨率（单位为cm/pixel），a为像元尺寸的大小（单位为μm）。

无人机进行航飞后，应当经过不少于3个点的精度校核，平面及高程中误差在±5cm内，这样的采集结果方可被采用。

1.3 数据成果生产过程

数据获取成果后由Photoscan软件自动处理解析空中三角测量加密，影像导入软件后，设置坐标系为CGCS2000、1985国家高程基准高程、高斯3度带投影，即开始自动进行影像校准、平差、空中三角测量计算原始影像外方位元素等，最终获得高密度的点云数据；再将点云数据导入ContextCapture软件自动生成三维实景模型、DEM、DOM等成果；最后，将DEM及DOM导入EPS软件进行地形图绘制。

1.4 数据成果应用预期成果

笔者利用三维模型辅助软件ContextCapture Viewer打开三维实景模型进行量测及分析，得到以下调查成果。

（1）地形地貌调查成果：目视可得项目区地貌、微地貌类型，利用软件的距离量测功能可量测出山体标高、坡脚标高、高差、原始山体坡度、现状坡度等参数。

（2）植被调查成果：通过三维实景模型目视可得原始山体植被发育情况，利用面积量测进行覆盖率计算。

（3）岩体结构及地质灾害点调查成果：因额外补充了采坡立面的影像来制作三维实景模型，所以各立面的裂隙、岩层产状等清晰可见、棱角分明；通过软件的坐标功能读取岩体1个结构面上3个点，利用其拟合结构面的空间展布，得到平面方程参数，计算出结构面的产状及坡向坡度，再确认裂隙是否贯通，避免了因坡面高陡而无法实地使用罗盘、皮尺测量的问题；最后在模型中勾画对危岩体、危岩带或崩塌体的边界，利用体积或距离测量工具，获得每个灾害点、隐患点的长宽高、体积及与承灾对象间的精确距离。

实 例 

2.1 勘查区概况

广西南宁市隆安县宝塔新区点灯山生态修复综合治理项目的勘查面积约0.3km2，位于隆安县震东生态移民新村搬迁地东部，以规划道路相隔。点灯山原先为开采的石场，关停后现属无主矿山。矿山经多年开采，破坏程度较为严重，采坡及顶部残留数十处不稳定岩体，时常发生小型岩质崩塌，威胁山脚处道路行经车辆、行人的生命财产安全[3]。

废弃矿山山体走向大致呈SN向，山体原始植被多以灌木为主，边坡基岩基本裸露，西、南、东三面山脚紧邻道路及搬迁居民区。原先采石场分别位于山体东、西两侧，开采过程中山体东、西两面造成人为破坏，呈3处人工挖方的岩质边坡和1处原始边坡。笔者根据各边坡位置，将其划分为A区、B区、C区、D区共4个区（见图2）。A区、B区、C区内挖方边坡的坡壁陡峭，岩石裸露，岩面凹凸不平，部分岩体下部为悬空状，原始平均坡度约50°，石场开采后坡度达80°以上，局部为直立的陡崖。D区未受采石影响，但坡体岩石在风化及溶蚀作用下已发育有较多裂隙，岩体呈破碎状。地面调查时山坡中部、上部仍有多处危岩体分布，稳定性较差。该废弃矿山高差较大且无道路直通山顶及坡面，人工调查风险大、成本高，故采用无人机倾斜摄影测量技术进行调查。

2.2 数据获取及数据成果生产情况

此次倾斜摄影测量任务采用大疆精灵 Phantom 4 RTK无人机执飞。精灵 Phantom 4 RTK是为高精度建图与精准飞行设计的行业级无人机，具有高精度RTK定位导航系统，免像控理论可达到1cm+1ppm水平定位精度及1.5cm+1ppm垂直定位精度。

笔者将规划航线重叠率设置为航向85%，旁向75%。根据前文相对航高计算公式（1），该款无人机搭载的镜头像元大小为 2.41μm，相机焦距为8.8mm，代入公式得H≈36.5GSD，此次数据地面分辨率要求优于5 cm/pixel，故可得H=182m，设置相对航高182m。

此次作业面积约0.3km2，使用单镜头倾斜摄影模式，共飞行5个架次，耗时90min，获取影像数据约500张。另外，笔者对所有的采坡进行垂直立面影像采集，重叠率60%，采集影像约300张。

笔者分别对位于西侧山脚、东侧板房、南侧路口等3个检查点进行校核，发现平面及高程中误差在±5 cm内，数据采集结果可用。

笔者采集数据后使用Photoscan、ContextCapture、EPS软件进行三维实景建模及地形图绘制，累计耗时约24h，生成DEM、DOM、三维实景模型及1∶1000地形图约0.3km2，模型最大分辨率1cm/pixel，调查区范围内分辨率平均优于5cm/pixel。项目区三维实景模型如图3所示。

2.3 调查成果

（1）地形地貌调查成果：目视可见项目区地貌为岩溶峰丛谷（洼）地地貌，山体标高192～196m，坡脚标高125 ～141m，最大高差72 m，原始山体坡度36°～66°，现状坡度主要在36°～90°之间。矿山山体西南面的隆安县震东生态移民新村，距离危岩山脚约50m，山脚规划道路在南部山脚处相交，道路现状所处高程在122～127m。

（2）植被调查成果：目视可见原始山体植被发育甚好，植被覆盖率＞75%，主要生长有灌木、杂草等。采坡范围内被人工破坏，无植被覆盖，岩石裸露。

（3）岩体结构及地质灾害点调查成果：经统计，A、B、C、D4个区共划分危岩带48处，各区危岩带分布位置及主要特征如表1所示。

经现场复核，笔者发现地形地貌、植被、岩体结构、地质灾害点特征等信息、参数准确无误，利用无人机倾斜摄影调查获取的数据、信息、精度可以满足相关工作需求，为编写勘察报告及设计施工图提供了有力、可靠的依据。

3 结束语

（1）笔者认为，无人机倾斜摄影技术为废弃矿山生态修复调查数据资料的获取打开了新视角。采用无人机倾斜摄影测量技术进行具有高陡采坡的废弃矿山调查，不但能够避免复杂的地形条件的限制，而且有效地提高了生态修复调查的效率，具有更高的时效性和精确性，降低了成本，为进一步的生态修复勘查设计或实施方案提供了较好的数据支撑。

（2）待解决的问题：目前无人机倾斜摄影一般搭载的是可见光影像模块，调查岩体裸露废弃矿山的效果较好。但对于植被发育较好的山体，仅依靠可见光倾斜摄影无法准确发现隐藏在植被下的危岩和浮石。后续工作中，可引入无人机激光雷达扫描技术，利用激光雷达主动发射多回波激光束“穿透”地表植被，更快速、更高精度获取地面三维空间信息，获取地面真实地形特征，有效识别、提取隐蔽性矿山、隐蔽性灾害的的相关信息。

（3）在生态修复领域，无人机还可用于土壤污染调查、日照分析、施工过程控制、生态修复后监测及地质灾害监测等[4]。

[参 考 文 献]

[1] 薛跃明.无人机倾斜摄影技术在地质灾害调查监测中的应用[J].中国科技纵横，2016（15）：15-16，19.

[2] 吴森.无人机倾斜摄影在高位危岩体调查中的应用[J].四川地质学报，2019（3）：459-463.

[3] 广西地矿建设集团有限公司.南宁市隆安县宝塔新区点灯山生态修复综合治理项目详细勘查报告[R].南宁：广西地矿建设集团有限公司，2018.

[4] 谢金亮.无人机遥感在生态修复中的应用[J].有色冶金节能，2019（5）：40-43.

｜作者简介｜朱骏灵（1990-），男，2013年毕业于桂林理工大学博文管理学院，勘查技术与工程专业，主要从事生态修复、地质灾害防治工程技术工作，工程师。

来源：南方自然资源

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