無人機傾斜攝影測量在廢棄礦山生態修復勘查中的應用
——以廣西隆安縣點燈山生態修復綜合治理項目為例

◎朱駿靈

廣西地礦建設集團有限公司，廣西 南寧 530023

無人機傾斜攝影測量技術作為國際測繪行業近年來一項新興的測繪技術，打破了正射影像只能從垂直角度拍攝而導致測量精度不高的局限性。該技術通過1 臺無人機上搭載單臺傳感器從不同角度多條航線或多臺傳感器同一航線，從正射及4 個傾斜角度獲取影像數據（采集的數據包含正射、立面空間位置信息）[1]。經過三維建模軟件處理后，該技術可以將以上數據生成三維實景模型及DEM、DOM、DSM 等多種成果，以達到更高精度的測繪成果及更準確的生態修復調查效果。

無人機傾斜攝影技術的應用，降低了廢棄礦山生態修復調查過程中的難度和成本，提高了精度、可信度和效率[2]，為生態修復項目后續的實施起到了較大的推動作用。

1 工作流程

目前的生態修復工程勘查，大多采用人工目視調查或高清數碼相機拍照調查。這類調查方式受制于礦山的現場環境，遇到條件復雜的礦山，如具有高陡采坡的礦山或礦山生態修復調查面積較大，崩塌、危巖等地質災害較發育時，無法準確獲取廢棄礦山巖體及地質災害點的特征參數。目前廣西許多礦山生態修復項目結構面產狀、尺寸、體積等數據均由人工攜帶傳統的測量工具測量估算，無法及時為生態修復工程提供有效的數據支撐。

無人機傾斜攝影測量技術，可以便捷地制作高精度的廢棄礦山區域的三維實景模型，搭配相應輔助軟件，技術人員在計算機上即可完成礦山生態修復勘查中的地形地貌調查、植被調查、巖體結構地質災害點調查及大比例尺地形圖的繪制等。具體流程主要包括以下幾步：（1）數據獲??；（2）數據成果生產；（3）數據成果應用（見圖1）。

圖1 無人機傾斜攝影測量工作流程圖

1.1 技術難點

無人機傾斜攝影測量技術為新的調查手段，目前仍存在一些難點尚未解決，其中最亟待解決的有以下2 個問題：一是獲取巨量數據后，需要計算機長時間進行空中三角測量運算及三維重建，需提高計算機處理數據的效率；二是傾斜攝影原先一般多用于房地產測繪、農村土地確權等相對高差較小、對立面紋理要求不高的項目，如何在高差大、坡度陡、對坡面紋理、結構面精細程度要求較高的廢棄礦山生態修復勘查項目中需保證三維實景模型重建的精度。

筆者就這2 個問題在實際項目中展開了探索。（1）無人機傾斜攝影數據量巨大，處理數據的用時長，一般采用多節點高性能計算機共同作業，但成本高且效果并不理想。筆者在試驗多個建模處理軟件后，發現采用Photoscan軟件進行解析空中三角測量的效率較高，之后再采用傳統建模軟件如ContextCapture Center 進行三維重建，通過這一操作，數據處理效率可提升30%以上。（2）傳統的無人機傾斜攝影測量，雖比正射攝影測量多出4 個獲取數據的傾斜角度，但依然是從同一航高進行影像獲取，對于垂直的立面或被突出巖塊遮擋的下部影像的覆蓋并不夠，導致制作成三維實景模型后，立面紋理或三角網格模糊不清，棱角圓滑，不利于建模后進行產狀測量、體積測量等工作。筆者通過試驗發現，手動或自動規劃航線，可使無人機在垂直航線上飛行，面向巖面進行立面影像采集；而后單獨采集立面的影像數據，再結合上方位的五向傾斜影像數據一同制作三維實景模型，通過這一操作可獲取更精細的紋理效果，從而能獲取更精確的巖體結構面參數。

1.2 數據獲取

無人機傾斜攝影規劃航線重疊率一般設置如下：航向重疊率不低于80%，旁向重疊率不低于70%，立面補充影像重疊率不低于60%，相對航高的計算公式如下：

式（1）中，H為相對航高（單位為m），f為攝影鏡頭的焦距（單位為mm），GSD為影像的地面分辨率（單位為cm/pixel），a為像元尺寸的大小（單位為μm）。

無人機進行航飛后，應當經過不少于3 個點的精度校核，平面及高程中誤差在±5 cm內，這樣的采集結果方可被采用。

1.3 數據成果生產過程

數據獲取成果后由Photoscan 軟件自動處理解析空中三角測量加密，影像導入軟件后，設置坐標系為CGCS2000、1985 國家高程基準高程、高斯3 度帶投影，即開始自動進行影像校準、平差、空中三角測量計算原始影像外方位元素等，最終獲得高密度的點云數據；再將點云數據導入ContextCapture 軟件自動生成三維實景模型、DEM、DOM 等成果；最后，將DEM 及DOM 導入EPS 軟件進行地形圖繪制。

1.4 數據成果應用預期成果

筆者利用三維模型輔助軟件ContextCapture Viewer 打開三維實景模型進行量測及分析，得到以下調查成果。

（1）地形地貌調查成果：目視可得項目區地貌、微地貌類型，利用軟件的距離量測功能可量測出山體標高、坡腳標高、高差、原始山體坡度、現狀坡度等參數。

（2）植被調查成果：通過三維實景模型目視可得原始山體植被發育情況，利用面積量測進行覆蓋率計算。

（3）巖體結構及地質災害點調查成果：因額外補充了采坡立面的影像來制作三維實景模型，所以各立面的裂隙、巖層產狀等清晰可見、棱角分明；通過軟件的坐標功能讀取巖體1 個結構面上3 個點，利用其擬合結構面的空間展布，得到平面方程參數，計算出結構面的產狀及坡向坡度，再確認裂隙是否貫通，避免了因坡面高陡而無法實地使用羅盤、皮尺測量的問題；最后在模型中勾畫對危巖體、危巖帶或崩塌體的邊界，利用體積或距離測量工具，獲得每個災害點、隱患點的長寬高、體積及與承災對象間的精確距離。

2 實例

2.1 勘查區概況

廣西南寧市隆安縣寶塔新區點燈山生態修復綜合治理項目的勘查面積約0.3 km2，位于隆安縣震東生態移民新村搬遷地東部，以規劃道路相隔。點燈山原先為開采的石場，關停后現屬無主礦山。礦山經多年開采，破壞程度較為嚴重，采坡及頂部殘留數十處不穩定巖體，時常發生小型巖質崩塌，威脅山腳處道路行經車輛、行人的生命財產安全[3]。

廢棄礦山山體走向大致呈SN 向，山體原始植被多以灌木為主，邊坡基巖基本裸露，西、南、東三面山腳緊鄰道路及搬遷居民區。原先采石場分別位于山體東、西兩側，開采過程中山體東、西兩面造成人為破壞，呈3 處人工挖方的巖質邊坡和1 處原始邊坡。筆者根據各邊坡位置，將其劃分為A 區、B 區、C 區、D 區共4 個區（見圖2）。A 區、B 區、C 區內挖方邊坡的坡壁陡峭，巖石裸露，巖面凹凸不平，部分巖體下部為懸空狀，原始平均坡度約50°，石場開采后坡度達80°以上，局部為直立的陡崖。D 區未受采石影響，但坡體巖石在風化及溶蝕作用下已發育有較多裂隙，巖體呈破碎狀。地面調查時山坡中部、上部仍有多處危巖體分布，穩定性較差。該廢棄礦山高差較大且無道路直通山頂及坡面，人工調查風險大、成本高，故采用無人機傾斜攝影測量技術進行調查。

圖2 點燈山治理分區圖

2.2 數據獲取及數據成果生產情況

此次傾斜攝影測量任務采用大疆精靈Phantom 4 RTK 無人機執飛。精靈 Phantom 4 RTK 是為高精度建圖與精準飛行設計的行業級無人機，具有高精度RTK 定位導航系統，免像控理論可達到1 cm+1 ppm 水平定位精度及1.5 cm+1 ppm 垂直定位精度。

筆者將規劃航線重疊率設置為航向85%，旁向75%。根據前文相對航高計算公式（1），該款無人機搭載的鏡頭像元大小為 2.41 μm，相機焦距為8.8 mm，代入公式得H≈36.5GSD，此次數據地面分辨率要求優于5 cm/pixel，故可得H=182 m，設置相對航高182 m。

此次作業面積約0.3 km2，使用單鏡頭傾斜攝影模式，共飛行5 個架次，耗時90 min，獲取影像數據約500 張。另外，筆者對所有的采坡進行垂直立面影像采集，重疊率60%，采集影像約300 張。

筆者分別對位于西側山腳、東側板房、南側路口等3 個檢查點進行校核，發現平面及高程中誤差在±5 cm 內，數據采集結果可用。

筆者采集數據后使用Photoscan、ContextCapture、EPS 軟件進行三維實景建模及地形圖繪制，累計耗時約24 h，生成DEM、DOM、三維實景模型及1∶1 000 地形圖約0.3 km2，模型最大分辨率1 cm/pixel，調查區范圍內分辨率平均優于5 cm/pixel。項目區三維實景模型如圖3 所示。

圖3 點燈山三維實景模型截圖

2.3 調查成果

（1）地形地貌調查成果：目視可見項目區地貌為巖溶峰叢谷（洼）地地貌，山體標高192～196 m，坡腳標高125～141 m，最大高差72 m，原始山體坡度36°～66°，現狀坡度主要在36°～90°之間。礦山山體西南面的隆安縣震東生態移民新村，距離危巖山腳約50 m，山腳規劃道路在南部山腳處相交，道路現狀所處高程在122～127 m。

（2）植被調查成果：目視可見原始山體植被發育甚好，植被覆蓋率＞75%，主要生長有灌木、雜草等。采坡范圍內被人工破壞，無植被覆蓋，巖石裸露。

（3）巖體結構及地質災害點調查成果：經統計，A、B、C、D4 個區共劃分危巖帶48 處，各區危巖帶分布位置及主要特征如表1 所示。

表1 研究區域各區危巖帶分布位置及主要特征總覽表

經現場復核，筆者發現地形地貌、植被、巖體結構、地質災害點特征等信息、參數準確無誤，利用無人機傾斜攝影調查獲取的數據、信息、精度可以滿足相關工作需求，為編寫勘察報告及設計施工圖提供了有力、可靠的依據。

3 結語

（1）筆者認為，無人機傾斜攝影技術為廢棄礦山生態修復調查數據資料的獲取打開了新視角。采用無人機傾斜攝影測量技術進行具有高陡采坡的廢棄礦山調查，不但能夠避免復雜的地形條件的限制，而且有效地提高了生態修復調查的效率，具有更高的時效性和精確性，降低了成本，為進一步的生態修復勘查設計或實施方案提供了較好的數據支撐。

（2）待解決的問題：目前無人機傾斜攝影一般搭載的是可見光影像模塊，調查巖體裸露廢棄礦山的效果較好。但對于植被發育較好的山體，僅依靠可見光傾斜攝影無法準確發現隱藏在植被下的危巖和浮石。后續工作中，可引入無人機激光雷達掃描技術，利用激光雷達主動發射多回波激光束“穿透”地表植被，更快速、更高精度獲取地面三維空間信息，獲取地面真實地形特征，有效識別、提取隱蔽性礦山、隱蔽性災害的的相關信息。

（3）在生態修復領域，無人機還可用于土壤污染調查、日照分析、施工過程控制、生態修復后監測及地質災害監測等[4]。