三維建模軟件在露天礦山生態修復中的應用

段偉 ，鄭國龍，李卿，蘇成銳，秦正雄，毛成以

(云南省有色地質局三〇六隊，云南 昆明 650216)

歷史遺留廢棄露天礦山開采造成地形地貌景觀破壞以及大面積邊坡裸露地表，如不及時修復治理，邊坡長期處于裸露狀態，在雨水沖刷浸泡下，容易造成水土流失和引發滑坡、垮塌等地質災害。利用三維軟件構建相應修復模型，對已損毀的礦區地質環境現狀進行綜合分析。將三維模型與地形模型進行相嵌融合，能更準確、直觀、高效的進行工程治理設計。

1 三維軟件構建基礎模型的優勢

1.1 三維基礎模型

三維基礎模型主要為露天礦山地形模型及露天礦終了境界模型。其目的主要有：

(1)完整準確地展示露天礦山開采現狀的地質空間形態，為生態修復工作提前消除礦山采礦活動形成的地質災害提供數據；

(2)為露天礦山生態修復景觀改造提供現狀模型。通過工程治理+綠化修復的設計方案，對邊坡、平臺、露天采場底坑修復，生態修復模型的建立便于現場設計施工；

(3)便于修復過程中土石方量計算，減少人工圖切剖面工作量，估算結果比剖面法計算結果更準確，速度更快。

1.2 三維實景模型

(1)作業流程

①測區范圍：為礦山生態修復現狀測量范圍，包括露天渣土、采坑、道路、斜坡等，根據已有坐標范圍線導入飛馬無人機管家中。

②現場踏勘：現場踏勘詳細了解測區內交通情況、起降位置、高壓線、海拔高度、地形等情況，方便航線設計。

③航線設計：通過現場踏勘，了解測區現狀情況，設計飛行航線，包括航線方向、飛行高度等，設計比例尺1：500，航向重疊度80%，旁向重疊度65%，飛行高度147m，在保證飛行安全、高精度的情況下，采用五鏡頭對修復范圍進行傾斜攝影測量，如圖1所示。

圖1 航線設計

④像控點布設與施測：采用無人機傾斜攝影測量時需要現場布設像控點，其精度、數量影響數據后處理的精度，所以像控點布設和選擇要規范，目標位置清晰易判別，一般選在現狀地物交點或地物拐點處，地物稀少地區，弧形地物和陰影不能作為選擇目標。像控點一般選擇白色易于辨別的膩子粉進行“L”型布設，測量外角，以便內業刺點。

⑤無人機外業采集：像控點布設和施測完成之后，根據測區天氣情況，進行航飛準備工作。在智航線模塊設計好航線，然后在無人機管家智飛行模塊進行航飛，進行飛機組裝、連接網絡RTK、起飛前檢查、飛行監控，飛行完成后進行POS數據、照片下載檢查。

⑥內業數據處理：內業處理前需檢查POS數據、照片數量是否對應，內業主要使用無人機管家圖像數據處理下的智理圖、智拼圖兩個模塊，具體的流程：原始數據、GPS處理(GPS格式轉換、GPS結算)、圖像處理EXIF融合，智拼圖里新建工程，導入融合照片，進行數據處理，導出xml。通過無人機管家、ContextCapture(CC)處理之后得到TDOM、地表數字模型。

光合指標 采用便攜式光合儀(LI-6400、LI-COR,Inc.,USA)對甘薯的光合特性進行測定,測定指標主要為:葉片光合速率(Pn)、氣孔導度(Gn)、葉片周圍大氣CO2濃度(Ca)和胞間CO2濃度(Ci)．每次測定均在日照良好(無云或接近無云的天氣)的條件下于上午9點至11點之間采用2 cm×3 cm的透明葉室,在自然日光條件下完成,測定的葉片為該生育期最近完全伸展葉片,每次測定約需30 s，達到穩定后讀數,每棵作物讀取3～5片,最后取平均值．

⑦地形圖繪制：地形圖繪制利用ContextCapture處理的地表數字模型進行數字化立體測圖，利用軟件Cass10.1進行地物、地貌全要素數據采集，最終獲取1：500地形圖。

(2)精度分析

外業施測的像控點與模型貼合較好的情況下，傾斜模型本身的精度決定地形圖的精度，所以考慮分析生成的三維模型為主，接下來分別對外業施測像控點與模型提取像控點對比，外業施測檢查點與模型提取檢查點對比，如表1、表2所示。

表1 像控點對比表

表2 檢查點對比表

本項目以生態修復為主，無人機傾斜航測技術與傳統測量技術對比如下：①準確反映地表紋理信息；②真實性高，準確反映測區全部真實情況；③無人機具備成本低、機動性強、節約時間、效率高的優點；④成果精度高；⑤受場地影響小，靈活多變。

1.2.2 實景三維模型構建

(1)檢查數據完整性及傾斜影像質量是否可以用于三維建模。

(2)結合傾斜影像初始粗略的外方位元素，進行空中三角測量，獲得傾斜影像高精度外方位元素，利用空三解算后精確地外方位元素進行影像自動匹配，生成高質量點云模型，構建矢量TIN模型。

(3)選擇最佳紋理信息對由點云模型構建的TIN模型進行自動紋理映射。

(4)最終形成實景三維模型。基于無人機傾斜攝影測量技術實景三維模型快速構建技術路線如圖2，實景三維模型如圖3所示。

圖2 技術路線圖

圖3 實景三維模型圖

1.2.3 三維基礎模型二次處理

三維基礎模型采用3Dmine軟件設計完成。3Dmine軟件主要服務于礦山工程設計、地質、測量、采礦等方面，三維基礎模型的構建主要應用3Dmine軟件把二維圖件轉換為三維圖件。露天礦山的生態修復工程設計需要在三維基礎模型上按工程治理+綠化修復設計進行削坡放臺(邊坡角、邊坡高度、平臺寬度)，種植喬木、灌草、扦插爬藤等操作。為了實現三維修復模型與實景地形模型鑲嵌融合，3Dmine軟件構建的三維模型已不能滿足以上要求，利用3dmax和sketchup軟件對三維基礎模型進行二次處理(輔助建模及渲染)。處理過的模型可以被其他軟件兼容使用。見圖4、圖5。

圖4 二維工程部署圖

圖5 二次處理后的三維模型

2 三維模型剝離量計算

傳統的廢石料剝離量計算方法主要為不等距平行剖面法，能較好反映礦體厚度分布、自然變化特征等，是目前認可的計算方法。但存在變更的可能性，重復計算工作量大，導致平行剖面法計算時圖切剖面數量多，且代表性難亦反映全區的微地貌，廢石剝離量準確性不夠。

以華寧縣某露天石灰巖礦山為例，平行剖面法首先測量每條勘探線剖面上礦體面積，計算兩相鄰勘探剖面間礦體體積。圖6。而利用傾斜攝影測量成果，通過3Dmine軟件建立終了露天采場三維模型及剝離量三維模型，圖7、圖8所示。通過兩個DTM之間體積計算功能，選擇生成實體，按臺階分類匯報計算閉合線內的量，最終生成3Dmine塊體模型報告，如圖9所示。

圖6 傳統剝離量估算圖

圖7 終了露天采場三維模型圖

圖8 剝離量三維模型圖

圖9 3Dmine體積估算功能模塊

兩種計算方法結果對比，平行剖面法采用剖面共計7條，共計劃分8個塊段，剖面間距約50m，計算結果322034.04t，3DMine塊體模型計算結果330155.87t，計算的礦石體積相對誤差2.46%，說明3DMine軟件估算功能模塊計算剝離量是較為準確可信的，可靠程度較高。表3。

表3 露天礦山剝離量估算對比表

隨著信息化，智能化的不斷推進和加快三維可視化模型計算不斷涌現且逐步取代傳統平剖面法。利用三維建模技術進行剝離量計算，體現了三維可視化特點，將二維圖件轉變為三維圖件，以三維模型的形式展現給施工單位，大大提高了工作效率。

3 建立三維生態修復模型

露天礦山生態修復是指對露天礦山采礦活動引起的地質環境問題進行綜合治理，使地質環境達到穩定、生態得到恢復、景觀得到美化的過程。主要分兩類歷史遺留廢棄露天礦山，無修復責任主體，及生產露天礦山，有修復責任主體。修復中主要有兩個難點：

(1)廢棄露天礦山沒有專項修復資金，投入遠大于產出，引入社會資本參與積極性不高；

(2)生產礦山企業雖編制了地質環境保護與土地復墾方案，但真正能按方案履行修復責任的企業很少。部分企業對二維工程部署圖不清楚，對施工過程比較模糊，不能達到修復的預期效果。三維修復模型可以直觀的反映工程治理措施及綠化修復措施的位置、數量及修復的最終形態。有利于施工方進行施工。并且以露天礦山生態修復三維模型為依據，引導露天礦山的開采。

以華寧縣某露天石灰巖礦山生態修復設計為例，按照三維設計要求施工，(1)開展削坡分臺、消除現有地質災害隱患。大部分礦山開采存在“一面坡”式的高陡邊坡，采用削坡減載方式治理，留設安全平臺并覆土；(2)安全平臺采用“喬+灌+草”修復方式修復，邊坡采用掛網，底部種植爬藤。(3)露天采坑底部修復為耕地。礦區地貌今后將得到極大改善，消除了地質災害隱患，礦山生態環境得到修復。工程治理三維修復模型見圖10、綠化修復三維修復模型見圖11。

圖10 工程治理三維修復模型

圖11 綠化修復三維修復模型

4 結論

隨著社會和經濟的發展，人類對各類資源的需求越來越大，對各類礦產資源的大量開采，導致開采礦產的同時也破壞了礦區生態環境。特別是露天礦開采，需要剝離大量巖石，造成地貌及大量植被遭受破壞，對礦山周邊生態造成影響，因此露天礦山生態修復勢在必行。通過建立三維修復模型，可以精準化的對礦山進行生態修復，減少礦山在修復過程中二次對生態環境造成破壞。露天礦山生態修復中合理利用好三維建模軟件具有重要的現實意義。