基于CESIUM的露天礦山實景三維智能 監管技術研究

王金娜，焦學軍，宋會傳，高彥濤，汪永新

（1.河南省地質礦產勘查開發局測繪地理信息院，河南 鄭州 450000 ； 2.河南省天空地遙感智能監測工程技術研究中心，河南 鄭州 450000；3.河南省自然資源天空地遙感智能監測研究科技創新中心，河南 鄭州 450000）

為履行自然資源部門“兩統一”職責，構建自然資源調查監測體系，依法組織開展自然資源調查監測評價，查清工作區各類自然資源家底和變化情況，逐步實現山水林田湖草的整體保護、系統修復和綜合治理，保障生態安全，加快生態文明建設提供基礎支撐，推動河南省經濟高質量可持續發展提供服務保障[1-2]。本文依托CESIUM技術，利用接收的季度影像變化信息，根據監測監管需求，對全省范圍露天礦山、生產礦山、政策關閉礦山、到期關閉礦山等礦山開采區，工程活動區，自然資源保護地內的地形地貌景觀破壞、土地資源損毀、恢復治理等問題進行深度解譯，輔助“互聯網+”實地核查，反復完善室內解譯成果，最終形成基本準確的詳細遙感解譯成果，按照統一的技術標準，將變化信息整理為季度監測圖斑后，與省國土資源電子政務中心推送的“一張圖”等相關管理數據進行比照分析，形成初步分析評價結果，確定監測預警信息，為自然資源調查監測評價，查清工作區各類自然資源家底和變化情況提供重要的依據，為其他省份做類似工作提供參考。

1 CESIUM開源三維技術

CESIUM是一個跨平臺、跨瀏覽器的展示三維地球和地圖的、基于Apache2.0許可的開源程序，使用WebGL來進行硬件加速圖形，不需要任何插件支持。瀏覽器必須支持WebGL，支持2D，2.5D，3D形式的地圖展示，可以為繪制動態數據可視化提供良好的觸摸支持，支持絕大多數的瀏覽器和mobile，支持基于時間軸的動態數據展示和多種瀏覽器，IE，chrome， 火狐等，可以免費用于商業和非商業用途，目前最新版本的Cesium版本為4.8。WebGL 的出現使得在瀏覽器上面實現顯示3D圖像成為可能，WebGL本質是基于光柵化的API，而不是基于 3D 的API[3-5]。WebGL只關注兩個方面，即投影矩陣的坐標和投影矩陣的顏色，主要實現具有投影矩陣坐標和顏色的WebGL對象。頂點著色器可以提供投影矩陣的坐標，片段著色器可以提供投影矩陣的顏色，其投影矩陣的坐標范圍始終是從-1到1。WebGL使得它能夠直接與圖形處理單位（GPU）進行通信，向GPU輸入數據進行圖形繪制，充分利用顯卡，渲染Web Browser 展示的3D場景和模型，WebGL為HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染[6-7]。因此，CESIUM具有強大的GIS功能，并且具有較高可擴展性的三維開發框架。

2 實景三維監管技術流程

2.1 準備工作

收集河南省范圍內露天礦山高分衛星影像數據，利用礦區高分辨衛星影像并結合外業實地勘查，建立礦區遙感解譯標志體系。研究基于海量遙感影像、深度學習算法，并配合大規模云計算能力，構建集基礎算力、樣本訓練、影像解譯一體化的高精準，快響應，自動化的影像智能解譯方案。將礦區解譯成果入庫，構建礦區基礎地理信息庫。利用無人機搭載多鏡頭、激光雷達等設備對重點監測礦區進行多期實景三維數據、點云數據、DOM、DEM數據采集制作，強化對重點礦區開采活動、開采量情況監測。研發管理礦區各類二、三維地理數據的智能平臺，實現對礦區地理信息數據的綜合管理、分析及利用。

2.2 技術路線

將高分衛星影像、無人機傾斜攝影測量、實景三維模型及激光雷達點云數據等多源數據采集手段進行綜合使用，同時結合大數據技術、云計算技術對全省露天礦山海量遙感數據進行深度學習，實現礦區要素的自動化智能解譯，最后再研發管理礦區各類數據的實景三維管理平臺，實現對全省露天礦山的信息化、智能化監管，技術路線見圖1。

圖1 技術路線圖

2.3 工藝方法

采用區域網布點法，布設航線，逐條航線布設平高像片控制點的原則進行布點。利用河南省CORS系統，采用RTK測量模式快速靜態方式施測。采用無人機搭載進行傾斜攝影測量，并用專業軟件完成航測的后期GIS數據處理，生成實景三維模型數據和正射影像數據及DEM數據,通過雙屏模式同時加載實景三維模型數據和正射影像數據，二三維聯動一體化進行地形圖測繪生成DLG[8]。

3 礦山核查與動態監測系統

基于實景三維的露天礦山智能監管示范研究項目情況，將露天礦山智能監管平臺劃分為10個主要部分，每個部分有各自的功能模塊。系統總體功能結構圖見圖2。

圖2 系統功能結構

3.1 系統管理

系統管理提供系統的常用操作，包括用戶管理、數據備份、數據恢復和系統日志。系統管理通過角色分配、權限管理，實現差異化的前臺瀏覽機制。提供日常的數據維護功能和數據字典設置功能。

3.2 礦山圖層管理

系統底圖基于遙感影像、DEM數據構建三維地表模型，可疊加不同時期的矢量數據、傾斜攝影數據；傾斜圖層是系統的核心圖層，數據量大，系統采用模型庫遍歷加載所有的露天礦山模型，并根據選擇框切換顯隱，如圖3所示。

圖3 礦山圖層管理

3.3 動態監測分析設計

3.3.1 礦山超采分析

根據采礦證范圍中限采的最低與最高高程，采用綠色棱柱表示允許開采的范圍，紅色棱柱表示禁止開采的范圍。二者共同生成開采控制柱狀體，并與傾斜模型進行疊加，根據視覺效果，從頂部看顯示綠色表示沒有超過開采范圍，如果出現紅色區域表示存在超采，其中超層開采的面積就是紅色區域的面積。超采體積就是紅色區域圈定的傾斜模型表面高程對于紅色棱柱頂面高差的積分。如圖4所示。

圖4 開采控制柱狀體

3.3.2 礦山核查分析

系統接收加載礦山人員機械活動位置信息，并顯示標識在礦山三維模型中，以核查礦山開采活動的位置、范圍，對礦山的開采活動進行定位、定期、定量核查監測。信息采用三維坐標實時導入，生成點線面圖，并與露天礦山模型，采礦證模型進行三維空間疊加分析，算法如下：

3.3.3 空間分析

如果用戶對場景不熟悉，要瀏覽某個指定模型可能要花費很多時間，定位功能可方便用戶快速查找定位到想要瀏覽的模型，可進行空間分析，算法如下：

4 結 語

本文介紹了露天礦山監管的目的和意義，分析了CESIUM開源三維技術，基于CESIUM設計了一套實景三維監管技術流程，針對礦山動態監測系統中的礦山圖層管理，礦山超采，礦山核查、礦山空間進行了算法分析，并建立了一套礦山核查動態監測系統，使得露天礦山監管更加直觀、形象，為露天礦山生態恢復、地質環境與地質災害動態智能監管提供技術示范，為決策者提供全方位、立體化、動態化的露天礦山綜合監管。