基于ArcGIS的三維航測成果在露天采坑生態修復與礦山生產中的應用研究

張啟慧，王程松，衛石印，董玉芬，馮英明

(山東省煤田地質局第一勘探隊，山東 青島 266400)

0 引言

近年來，隨著人們生態修復理念的增強，越來越多生態修復項目得以實施，生態修復理論也日趨完善[1-5]。隨著無人機傾斜攝影技術的快速發展，無人機航測技術在生態修復項目中的應用越來越廣泛，逐漸顯現出其高效、靈活的優勢。相較于傳統測量技術，無人機航測具有成本低、精度高的優勢，并能采集地表的各種紋理信息[6-12]。此外，通過無人機的應用進行多期測量，更可實現土石方量的準確計算[13]。目前李小光[14]、白曉慧[15]等在分析傳統基于CASS的各類方法弊端基礎上，研究了新的基于ArcGIS的露天礦山土石方量測算方法。王勇[16]等研究和實踐了ArcGIS在小流域水土保持規劃設計中的應用。任玉雪[17]、劉彥[18]等則關注ArcGIS在生態修復適宜性評價中的作用，從而實現生態修復分區；李小光、岳境、丁玉龍等對ArcGIS在露天礦山三維可視化等方面的應用進行了研究[19-21]。本次工作以日照市某露天礦區為例，使用多旋翼無人機傾斜攝影技術進行影像采集、RTK控制點測量，通過ContextCapture軟件進行數據處理，建立礦區的三維實景模型和DSM模型。基于ArcGIS的相關功能，進行地質環境治理設計與礦山生產設計，重點解決礦區現狀的快速獲取；基于ArcGIS的地質環境治理設計；土石方量計算與露天礦山的動態儲量監測；設計效果三維可視化展示。

1 研究區概況及研究方案

研究區位于日照市丘陵區，屬北溫帶季風區，原始地形起伏，中部為原始山體，最高標高165m，坡角標高30～60m，山頂植被稀疏，山體西北部為遺留廢棄采坑，早期礦山開采遺留的開采立面，經切坡、開挖形成宕口，呈現為陡崖懸壁，基巖出現裸露。局部基巖經卸荷產生大量張開性拉張裂縫，使區內高陡巖質邊坡整體穩定性變差，地質環境破損嚴重，有浮石等地質災害安全隱患；采坑周邊渣石隨意堆棄，造成水土流失、地形地貌景觀嚴重破壞，視覺污染嚴重。山體東南側為另一采礦權，已編開發利用方案并準備實施露天開采。

研究區內地層不發育，主要為第四紀山前組，分布于山前及坡麓地帶，巖性為灰黃色含礫砂質黏土、黏土質粉砂、含礫砂等。山體巖性為新元古代晉寧期鐵山序列官山單元中細粒含黑云二長花崗質片麻巖。采坑內構造不發育，主要為巖體內的小裂隙，巖體內節理較發育。含水層主要為碎屑巖類基巖裂隙含水巖組，富水性弱，水文地質條件簡單。為消除地質災害隱患，改善周邊生態環境，我們將結合采坑現狀及周邊采礦權的設立情況，統籌考慮，對本區進行綜合地質環境治理設計。研究擬使用ArcGIS對西北側山體進行地質環境治理設計、東南側山體依據開發利用方案進行礦山生產設計。借助ArcGIS相關功能，同時實現治理設計與礦山生產的三維可視化與土石方余量計算、生產監管。在采用無人機傾斜攝影測量獲取原始地形數據、影像紋理數據基礎上，使用ContextCapture軟件進行三維建模及生產DSM，獲取設計所需的基礎、原始數據；利用ArcGIS的地理信息管理與設計功能進行研究區規劃設計；使用ArcGIS生成設計后的TIN網格；將TIN轉化成DEM柵格數據；使用Sketchup進行紋理貼合；利用ArcScens軟件的三維功能進行三維可視化展示；將設計后的DEM柵格與航測取得的DSM數據進行比對，計算治理產生的土石方余量；通過多期無人機航測，獲取項目實施過程中的多期DSM數據，從而進一步實現生態修復全過程、礦山生產過程的監理、動態儲量監測服務，促進當地生態環境和諧發展。

2 數據獲取與處理

2.1 數據采集

采用無人機對研究區進行傾斜攝影測量，研究區標高30～165m，地形起伏較大。通過對航高、重疊率、像控點布設、航線等進行優化[22]，采用分層航飛的方式，設置不同的航高以保障地形低處的分辨率及高處的重疊率，像控點按照均勻分布、高低錯落布置的原則，整體保證測量結果的精度，完成原始影像數據的采集(圖1)。

(a)—1S型航線示意圖；(b)—高程優化示意圖；(c)—控制點布設圖圖1 無人機數據采集

2.2 數據處理

對航空攝影測量采集到的照片，采用ContextCapture軟件進行三維建模：平面坐標采用2000國家大地坐標系，高斯—克呂格(Gauss-Kruger)投影，中央經線120°，按3°分帶；高程基準采用1985國家高程基準。經過空中三角測量計算—像控點測量—空中三角測量計算—實景三維模型生產[23]→DSM、DOM生產，我們可以獲取到治理設計與土石方量計算所需的全部原始數據。在三維測圖軟件Acute3D Viewer中測量出三維模型中控制點的坐標，并與RTK實測坐標進行對比，認為得到的航測成果精度滿足設計需要。

取得的主要成果包括實景三維模型，OSGB格式；DOM(數字正射影像)，TIF格式；DSM(數字表面模型)，TIF格式。

3 應用研究

3.1 使用ArcGIS進行設計

首先建立GDB格式的數據庫，將航測的DOM正射影像圖與三調成果、生態紅線、基本農田、公益林、權屬、規劃等數據進行套合，以確定礦坑治理的范圍。使用ArcGIS工具箱中的Arctoolbox→3D Analyst Tools→柵格表面→坡度工具創建研究區全區的坡度模型。依據坡度模型、參考三維實景模型與DOM，將研究區以圖斑的方式分為削坡區、續坡區、平整區等各個區塊，并建立平臺標高字段，錄入設計的平臺標高值，完成主要工程布置(圖2)。

1—0.01°～5.8°；2—5.81°～13.1°；3—13.11°～20.1°；4—20.11°～26.8°；5—26.81°～33.8°；6—33.81°～41.7°；7—41.71°～50.6°；8—50.61°～60.9°；9—60.91°～77.6°圖2 研究區坡度圖

依據治理設計思路，使用ArcGIS繪制治理分區(圖3)。

(a)—基于ArcGIS的分區設計；(b)—TIN網格模型1—132～145m；2—119～132m；3—106～119m；4—93～106m；5—80～93m；6—67～80m；7—54～67m；8—41～54m；9—27.5～41m圖3 基于ArcGIS的分區設計與生成的TIN網格模型

添加字段：平臺標高，填入設計的平臺標高值(表1)。依據設計的不同分區與平臺標高，生成設計區的TIN網。

表1 基于ArcGIS的設計分區統計

TIN(不規則三角網)是基于矢量的一種數字地理數據存儲形式。它通過構建一系列的折點(點)來組成三角形網，通常用于較小區域的高精度建模等工作。使用ArcGIS工具箱中的Arctoolbox→3D Analyst Tools→數據管理→TIN→創建TIN工具，依據設計的分塊標高字段，創建設計的TIN網格模型，實現對前期設計的三維化。DEM(Digital Elevation Model)數字高程模型則為構建連續變化的曲面，將表面以數字的形式按照一定的組織結構確切的表現出來，可更方便的與航測的DSM模型進行比對。使用Arctoolbox→3D Analyst Tools→轉換→TIN轉柵格工具，創建設計后的DEM模型，用于后續的土石方量計算。

傳統的治理設計一般借助于MapGIS、Auto CAD等設計軟件進行設計。傳統基于二維的地質環境恢復治理設計，無法將治理后的主體形象展示出來，也無法滿足快速發展的需要，本次研究使用ArcGIS相關功能對研究區進行三維立體設計，從而最終達到三維展示的功能。ArcGIS作為目前較為主流的一款地理信息系統軟件，具有嚴格的地理信息管理功能，圖件具有嚴格的空間參考與拓撲關系，其在空間分析、數據管理、數據發布等方面具有明顯優勢[24]。目前，第三次國土調查及各類規劃均基于ArcGIS進行建庫，因此研究基于ArcGIS的生態修復設計，對于后期數據共享、空間分析等都具有重要意義。

3.2 使用ArcGIS對設計產生的土石方余量計算

ArcGIS填挖方工具，可以計算兩表面間體積的變化，通常用于執行填挖操作。其具體原理為計算每個像素元前后的體積，并累積得到整體的填/挖方量。

對于單個像元，其體積公式為：

Vol=(cell_area)×ΔZ

(1)

ΔZ=Z_Before-Z_After

(2)

面積計算:將區域內的像元數量(計數)與柵格像元大小相乘即可求出面積。累積整個區域內，所有挖/填方像素單元的體積，使用ArcGIS工具箱中的Arctoolbox→3D Analyst Tools→柵格表面→填挖方工具，依據航測生成的DSM數據與設計的DEM柵格進行計算，得出設計治理施工產生的土石方余量。

本次依據航測DSM數據與設計的DEM柵格進行填挖方計算，得出設計治理施工產生的土石方余量。

Ⅰ區礦區范圍內主要為挖方區，總挖方區面積為78744.79m2，總挖方體積282.26萬m3，總填方區面積為1228.68m2，總填方體積0.42萬m3。Ⅱ區治理區范圍內主要為挖方區，總挖方區面積為116403.35m2，總挖方體積300.82萬m3，總填方區面積為12206.45m2，總填方體積5.31萬m3(表2)。

表2 挖填方量統計表

采用ArcGIS填挖方工具進行土石方量的計算，同傳統儲量計算常采用的地質塊段法相比，采用了相同的原理，但該方法根據航測像元的大小，將需要計算儲量的區域分割成像元大小的塊段，從而極大提高計算結果的精度。傳統塊段法要達到更高的精度，只能通過拆分更多塊段的方式來達到，但無法達到像元大小的塊段級別。傳統塊段法計算土石方量，隨著塊段數量的增加，人工計算量也隨之迅增，且易引入主觀誤差，采用ArcGIS填挖方工具，可極大降低計算難度與計算量，并減少主觀誤差(圖4)。

1—挖方區；2—填方區圖4 研究區土石方余量計算

3.3 多期航測以實現動態儲量監測

項目實施過程中以及露天礦山生產過程中，通過多期無人機航測，獲取生產過程中的多期DSM數據，計算每個階段的土石料動用情況，進一步實現生態修復全過程、礦山生產過程的監理、動態儲量監測服務。

從表3可知，經過一個階段的生產，可以準確計算治理區累計挖方量。傳統方法計算項目實施過程中的土石料開采情況，需投入大量的測繪成本，投入大量的物力、時間成本，由專業測繪人員，計算得到每個階段的生產、治理情況，且計算結果不直觀，對于每個區域的超層、越界情況無法起到實時監控的效果。使用多期航測配合ArcGIS方法，可有效實現動態監測的目的。

表3 挖填方量統計表

3.4 設計成果三維可視化

使用Sketchup進行快速、精確地構建治理后的紋理效果；ArcGIS系列軟件中的ArcScene具有管理3D GIS數據、進行3D分析、編輯3D要素、創建3D圖層以及把二維數據生成3D要素等功能[25]。因此使用ArcScene可以進行三維效果展示與應用發布[20]。在ArcScens軟件中導入設計后的紋理影像，在圖層屬性中設置其在設計的DEM模型表面上浮動，將設計的紋理影像與設計的高程模型進行疊合。能夠得到直觀的三維可視化模型，從而實現基于ArcGIS的三維效果展示，這在第三方監理、行政主管部門視察、動態監管等工作中具有重要意義，可有效直觀展示項目實施過程及項目實施產生的生態效益。

4 結論

本次工作通過實際案例，根據無人機航測優勢，分析研究了基于ArcGIS的三維航測在生態修復與露天礦山生產中的應用，在采用無人機傾斜攝影測量獲取原始地形數據、影像紋理數據基礎上，使用ContextCapture軟件進行快速三維建模及生產DSM，從而進一步實現生態修復全過程、礦山生產過程的監理、動態儲量監測服務，最后運用Sketchup軟件得到直觀的三維可視化模型，并實現基于ArcGIS的三維效果的可視化展示，精準、高效的服務露天采坑生態修復與生產礦山，促進生態環境和諧發展。

(1)無人機可快速、便捷、低成本地實現復雜礦區的高質量現狀影像獲取，后期可通過Context Capture軟件實現快速建模。

(2)ArcGIS可實現地質環境治理的設計任務，且可實現三維設計，便于后續設計效果的可視化展示。

(3)基于航測DSM和設計DSM，ArcGIS可方便快捷準確地完成土石方量計算。土石方量的計算會直接影響施工成本與收益，新方法相較于傳統土石方量計算方法，不僅更加簡單、高效，而且準確、直觀，數據來源可溯。

(4)基于多期航測數據比對，可實現露天礦山動態儲量監測工作，為進一步實現生態修復、礦山生產全過程的監理、動態儲量監測提供支持。

(5)ArcScens可簡單快捷地實現礦山地質環境治理設計效果的三維可視化展示。