無人機傾斜攝影測繪在礦山生態修復中的應用

王雪峰，劉 奔，李 者，顏 旭，趙 鵬

（1.撫順礦業集團有限責任公司，遼寧 撫順 113008；2.東北大學 巖石破裂與失穩研究所，遼寧 沈陽 110819；3.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；4.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

廢棄礦山的生態環境修復對于保護環境、合理利用資源、促進可持續發展具有重要的意義[1-3]。礦山開采后往往會形成大量的廢棄物，破壞了土壤、水源和生態系統。通過生態修復可以恢復礦山周邊的植被、水體和土壤質量，減少對生態環境的破壞，還能推動資源循環利用和社會經濟的可持續發展。因此，政府、企業和社會各界應當共同努力，加大對廢棄礦山生態修復的關注和投入，推動礦山資源合理開發和生態環境保護的良性循環[4-5]。

在實施廢棄礦山的生態環境修復方案之前，結合現場生態環境調查，合理確定礦山復綠區域是首要解決的關鍵問題。

而目前，針對生態修復工程的勘察工作，多數采用人工現場勘察或利用高清數碼相機拍攝調研等方式[6]。但這類調查的方式常常因礦山現場環境的因素而受限制，遇到現場條件復雜的礦山，如礦山具有高陡邊坡，危巖、坍塌等災害頻發時，難以準確地獲取礦山現場條件的具體特征參數[7]?，F今，仍有許多礦山生態修復項目的勘察工作采用人工測量并估算的方式，難以為生態修復工程提供可靠的數據支撐。而隨著科學技術的發展，利用無人機進行數據采集、地質測繪已經成為一種更為便捷和效率更高的方式[8-10]。綜上，基于撫順西露天礦復綠項目，結合無人機傾斜攝影測繪技術，在西露天礦生態修復中快速完成了區域內生態環境的調研并結合生態環境的調查結果完成了生態修復單元的劃分，取得了良好的效果。

1 無人機傾斜攝影測繪技術

1.1 技術原理

無人機傾斜測量系統主要由無人機飛行平臺、飛行控制系統、航空拍攝儀以及地面控制系統等構成。其中無人機（Unmanned Aerial Vehicle）是一種由無線電遙控設備和自備程序控制裝置操作的無人航空器。相比于有人駕駛的飛機，無人機具有體積小、成本低、使用方便等優點。隨著科學技術的快速發展，無人機從最初的軍事領域到民用領域，已廣泛應用于農業城市管理、地質勘測、救援救災、視頻拍攝等行業，并保持著快速發展的趨勢。

目前，用于攝影測量的無人機通?？梢苑侄嘈硇蜔o人機和固定翼型無人機。它們在不同的方面具有各自的優缺點。在選擇用于攝影測量的無人機時，需要根據具體任務需求和條件綜合考慮這些優缺點。

多旋翼型無人機優點在于：①能夠垂直起降和懸停，靈活性高；②具有相對較低的成本和易用性；③可以獲得穩定的圖像和視頻等。其缺點在于：①由于采用螺旋槳推進，其續航時間有限；②通常攜帶載荷的能力較小、高空的飛行能力有限，只適合近距離或低空測量任務。

固定翼無人機優點在于：①具有較長的續航能力、高速飛行能力，適合大范圍的地理測繪和測量任務；②能攜帶高分辨率相機和其他傳感器，承擔較大載荷。其缺點在于：①需要較長的起降跑道和額外的設備支持；②需要較為專業的技術訓練和操作技巧。

一般而言，無人機飛行平臺將配備數碼相機的5 個攝像鏡頭，其中1 個為垂直鏡頭，用于獲取底部區域的正射影像，另外4 個鏡頭分別用于獲取前、后、左、右方向的斜向圖像，可以快速高效地獲取多角度圖像，獲得更豐富的紋理圖像信息，真實反映地面物體的實際情況。該系統不僅可以準確顯示監測區域地表情況，而且綜合利用先進的區域定位、信息整合和數據建模技術，可以將數據生成高精度三維模型，以取得精準的生態修復調查效果。

無人機傾斜攝影測量有以下特點：①能較為真實地反映周邊環境的真實狀況，傾斜影像能讓用戶從多個角度觀察地形地貌，真實地反映地物的實際情況；②傾斜影像能夠量測單張的影像，結合配套軟件的使用，可以基于所攝影像進行地物高度、長度、坡度等參數的量測；③傾斜影像能夠采集地表建筑物的側面紋理，能有效降低城市三維建模的成本；④與傳統的三維GIS 技術需要采集龐大的數據量相比，應用傾斜攝影技術采集的影像數據量要少很多，并且影像的數據格式可以快速地進行網絡發布，實現數據共享等。

1.2 技術流程

無人機傾斜測量攝影測繪技術可以便捷地制作較高精度的礦山區域的三維實景模型，輔之以相應的輔助軟件，技術操作人員在計算機上便可以輕松完成礦山生態修復勘察中的地質情況調查、巖體結構地質災害點調查及地形圖繪制等工作。

無人機傾斜攝影技術的技術流程主要分為外業采集和內業處理2 部分。外業采集主要由無人機系統與多角度傾斜攝影相機等按照一定的作業流程采集航攝影像及數據；而內業處理離不開專業的制圖軟件，常見的制圖軟件有：Context Capture（CC）、PIX4D、大疆智圖、瞰景Smart3D 等軟件?？傮w技術流程如圖1。

圖1 總體技術流程

2 區域概況與生態環境問題

撫順西露天礦位于遼寧省撫順市望花區，礦坑東北部邊緣距撫順南站約2 km，西距沈陽北站45 km。行政隸屬于撫順市望花區所轄。礦山周邊公路網密集，交通條件十分便利。礦區附近主要分布著棕壤，土壤有機質較高、氮含量、磷含量、鉀含量富足。正在開采的東露天礦表層土壤由于露天開采而被剝離，可作為良好的土源，為植被恢復提供了良好的條件。

在多模態聽力教學方面,Wagner(2010)認為聽力材料可以通過符號模態,如音質、目光、手勢、表情、動畫等,補全語言符號表征的信息,提高學習者正確全面理解材料的概率[5]。Guichon多模態聽力學習除了利用符號模態,還能使用認知系統的雙通道特點,多種模態的綜合運用更有助于提升學習者聽力理解能力[6]。除此之外,多模態學習還能提高學習者的口語水平,展開多模態符號的交互研究,主張在口譯教學中引入多種符號模態,從感官上調動學習者的積極性[7-8],促進語言知識的內化和詞匯習得[10-9],以及對學習態度和自信心產生積極的沖擊力[11-12]。

為充分認識開展礦山生態環境修復治理的重大意義，西露天礦在統籌西露天礦綜合治理與整合利用的基礎上，全力推進礦山復綠工作。以礦山復綠為核心目標，在西露天礦邊坡穩定等安全條件下，能綠盡綠，利用兩年時間，基本實現礦坑復綠。而推進礦山復綠工作的首要任務是要調查明確礦區生態環境情況及面臨的生態環境問題，無人機傾斜攝影測繪技術則可以快速準確地獲取相關信息。

在地形地貌、土地資源的影響方面，由于撫順西露天礦露天采坑東西長6.6 km，南北寬2.2 km，垂直深度420 m（海拔－340 m），占地面積廣，區域大，使原有的地表狀態受到改變，間接導致了生態系統的退化，造成生態系統生產力降低，對礦坑內植被、土壤造成了不同程度的影響。

在礦坑現狀方面，利用無人機傾斜攝影測繪技術對礦坑現狀進行了調研。西露天礦坑水的補給源主要有地下水補給和地表水補給。據實測統計，2018—2022 年礦坑匯水量年均約2 500 萬m3左右。一旦防排水系統失效，將造成嚴重的安全問題。此外，在邊坡穩定性方面，西內排區邊坡穩定性狀況較好；南幫老地質變形區變形較大，但經采取一系列治理措施后，通過監測數據分析，南幫老滑坡區已基本達到穩定狀態；北幫東區為高陡邊坡，亟需整治。

3 技術應用及分析

3.1 無人機航飛方案及建模方法

3.1.1 無人機航飛方案設計

航攝區域為西露天礦坑全域，無人機飛行高度為430 m，航線重疊度70%，旁向重疊度65%，地面分辨率0.06 m，拍照間距88.4 m，航線間距154.6 m，平均高程面85～136 m。此次攝影獲取的影像用于制作成圖比例尺為1∶2 000 比例尺的數字產品（DEM、DOM），要求航空影像的地面分辨率（GSD）不大于0.2 m。根據測圖等高距基高比，綜合考慮飛行設備、成本、效率、效果等因素，研究采用地面分辨率（GSD）為0.06 m。航攝平臺選用迪奧普SV360 型固定翼無人機，搭載SONY－ILCE－7R 相機。

根據航測范圍，像控點的布設采用區域網法。使用全球定位系統GPS－RTK 實時定位技術，在城市C級控制點控制網下，以圖跟點的精度直接布設，作為測區首級控制，共布設像控點262 個。本次航測設置相對航高430 m，地面分辨率可達0.06 m，航向重疊度70%，旁向重疊度均65%。分6 個區域航攝，共飛行16 個架次，飛行時間約16 h，拍攝12 426 張影像。要求像片的重疊度最小不低于60%；像片傾斜角不大于12°，旋偏角不大于12°；航高保持，同一航線航高差不大于30 m，實際航高與設計航高之差不大于20 m；攝區邊界覆蓋要保證航向覆蓋超出攝區至少2 條攝影基線，旁向覆蓋超出邊界至少1 張像幅。航測過程中需及時對獲取的圖像進行影像質量檢查，并根據成像效果決定是否在測區進行航攝補拍。

3.1.2 三維模型建立方法

在利用無人機獲得現場影像資料后，根據已有的控制資料和外業控制點，采用全數字攝影測量工作站（PIX4D mapper 4.1），對傾斜影像進行空中三角測量，獲得所有影像的高精度外方位元素。后處理軟件采用PIX4D mapper 專業版可自動完成空三、光束法局域網平差，鑲嵌、生成密集點云、生成紋理以及生成高精度的正射影像圖（DOM）、3D 點云和數字表面模型（DSM）等成果數據。地形圖要素的采集，采用先內后外的方法，采用山維科技EPS2016 或南方數碼iData 地理信息工作站，利用DOM 和DSM 模型建立三維立體模型，在三維模型上進行數字線劃圖要素采集，獲取地物地貌平面及高程數據。最后，利用南方cass.7.1 成圖系統軟件，進行數字線劃圖編輯等處理，最終生成較高精度的三維立體模型。

3.2 生態環境調查分析

無人機傾斜攝影測繪技術在露天礦生態修復單元的劃分中發揮著不可或缺的作用。以撫順西露天礦無人機航測影像為基礎數據，劃分礦坑平臺及坡面等類型，對礦坑內非綠區域進行圈定，共劃分非綠圖斑583 個，共采集圖斑面積4.5 km2，根據采集的圖斑信息同現場生態調查結果進行調查比對，結合邊坡巖性、邊坡坡度、植被覆蓋程度等特征，明確非綠圖斑相關屬性（地表物質組成、邊坡坡度、植被覆蓋程度等）；然后對非綠圖斑進行分類匯總，劃定礦山復綠區域。撫順西露天礦生態環境調查情況如圖2。

圖2 撫順西露天礦生態環境調查情況

對生態修復區域范圍的各采集圖斑進行賦值，匯總各地塊需要礦山復綠面積?，F場調查將整個西露天礦劃分為西端幫、南幫、東端幫、北幫4 個區，各區生態環境現狀如下：

1）西端幫。全區為回填排土區，回填物以綠色泥巖為主。排土由西向東逐步推進到界，到界區已完成生態修復，剩余區域分為2023 年28－5 綠化區、2024年28－5 綠化區。2023 年28－5 復綠區，已客土0.6 m厚度，地形坡度1°～5°，無植被覆蓋，具備立即復綠條件；2024 年28－5 復綠區，平盤地形坡度1°～5°，坡面坡度15°～18°，無植被覆蓋，實施客土覆蓋工程后具備復綠條件；根據該區生態環境調查結果，西端幫需復綠面積178.5 hm2，西端幫待復綠區如圖2（a）。

2）南幫。南幫在歷史采礦活動中為煤層底板，經長期開采早已到界，坡面出露巖性以凝灰巖、玄武巖層為主，具有一定的植被覆蓋，現狀植被以白榆、刺槐等喬木為主，草本植物以狗尾草、野蕎麥、沙打旺、豚草為主；原地質變形治理工程區基巖裸露，原地質變形區邊界（F5斷層破碎帶）基巖裸露，植被覆蓋率較低。根據該區生態環境調查結果，南幫需復綠面積165.7 hm2，南幫待復綠區如圖2（b）。

3）東端幫。東端幫＋43 m 水平及以下區域為動態排土場，地表物質組成為排土回填物，以古近系綠色泥巖為主，為湖相沉積，半膠結。平盤坡度1°～5°，坡面坡度控制在25°～35°。該區植被稀少，局部可見荒草叢生，以狗尾草、野蕎麥等為主。＋43 m 水平以上區域生態修復模式以輔助再生為主，在植被稀疏區域進行補植。根據該區生態環境調查結果，東端幫需復綠面積38.4 hm2，東端幫待復綠區如圖2（c）。

4）北幫。北幫經長期開采早已到界，需復綠區域主要以第四系沖積層、綠色泥巖出露，＋10 m 水平以上巖體風化較發育，邊坡坡度30°～35°，上覆0.1～0.3 m 表土層，有一定的植被覆蓋，主要植被為刺槐、火炬樹等喬木。根據該區生態環境調查結果，該區域需復綠面積66.4 hm2，北幫待復綠區如圖2（d）。

通過上述利用無人機傾斜測繪攝影技術對西露天礦現場生態環境的全面調查結果，根據：露天礦東、西幫內排土場是否到界及施工進度，區域植被覆蓋程度及植被類型，地表物質組成、地形坡度，具體生態修復單元復綠面積、施工難度、施工推進時間等原則，綜合考慮施工難度及現場空間規劃，對復綠區域劃分不同的單元。最終將撫順西露天礦劃分出需要復綠區域16 處，總面積449 hm2。其中：東端幫復綠區域2 處，西端幫復綠區域3 處，南幫復綠區域8處，北幫復綠區域3 處；以便于結合不同區域單元的特點，針對性的制定不同的生態修復工程方案。

4 結語

1）基于撫順西露天礦復綠項目，詳細闡述了無人機傾斜攝影測量外業數據獲取及內業數據處理的流程。利用PIX4D 軟件實現了研究區域的三維模型的建立，為廢棄礦山的生態修復現場調研工作提供了助力。

2）以撫順西露天礦無人機航測影像為基礎數據，對礦坑內非綠區域進行圈定，共劃分非綠圖斑583個，并確定了采集圖斑的面積，結合現場多類特征條件對礦山復綠區域進行了劃定。

3）通過對生態修復區域范圍的各采集圖斑進行賦值，匯總得到各地塊需要礦山復綠面積，最終確定復綠區域16 處，復綠區總面積449 hm2。此外，綜合考慮施工難度及現場空間規劃，對復綠區域劃分了不同的單元，以便于結合不同區域單元的特點，針對性的制定不同的生態修復工程方案，加快了復綠項目工作進程。