本文摘要：摘要：结合露天矿山生态修复监测业务工作需求，本文充分利用实景三维技术快速灵活、低成本、高精度地构建三维场景模型的优势，着重介绍了三维实景技术在露天矿山生态修复监测的应用技术方法与路线，通过分析阐述监测的具体实施流程，为露天矿山精细化管理和生态环境保
摘要：结合露天矿山生态修复监测业务工作需求，本文充分利用实景三维技术快速灵活、低成本、高精度地构建三维场景模型的优势，着重介绍了三维实景技术在露天矿山生态修复监测的应用技术方法与路线，通过分析阐述监测的具体实施流程，为露天矿山精细化管理和生态环境保护与治理提供辅助决策支持。
关键词：实景三维技术;三维场景模型;矿山生态修复
0 引言
作为世界上少有的矿产资源丰富、矿种比较齐全的国家之一，我国矿业资源的开采已经成为推动经济发展的重要组成部分，由于开采矿山数量庞大，因而伴随着矿业开采过程的生态环境问题也愈加突出。近年来，随着我国生态文明建设进程的不断推进，矿山的生态修复和环境保护治理工作，已经成为全社会关注的焦点问题[1-2]。
特别是2018年以来，经过国家机构改革调整新成立的自然资源部门也明确将生态修复工作纳入自然资源部门行使“两统一”职能职责，并成立了专门的自然资源部矿产资源保护监督司，专职负责矿山生态保护治理工作。2019年颁布实施的《绿色矿山建设评估指导手册》也对绿色矿山建设和评估方法提出了明确的要求和考核评估指标，在国家的大力推动下，矿山生态修复工作取得了长足的发展，但是也存在一定的局限性，尤其矿山在设计、开采以及后期地质环境恢复治理过程中，都需要进行大量测绘工作。传统测量方式是作业人员利用全站仪、RTK等传统测绘设备采集矿区内高程数据信息，并借助卫星遥感影像地图来获取矿区及周边土地利用现状信息。
其中，人工现场勘测的方式采集高程信息耗费的人力物力财力较大，不仅效率低，同时还存在现场测量过程中存在因开采时的扬尘影响仪器的观测效果，测量人员容易发生危险和安全隐患等风险[3-4]，而卫星遥感地图的方式数据更新频次较慢，获取的数据仅为分辨率较低的矿山二维影像数据，难以准确地获取矿区真实的三维空间信息的需求。
实景三维建设作为当前新型基础测绘建设的主攻方向，是党中央、国务院和自然资源部对测绘工作在新时期的新要求、新部署，同时也是履行自然资源“两统一”管理服务的必要举措，实景三维其产品形式多样，具有直观、可量、可算，兼具量化和具象特征，完全可以满足露天矿山生态修复对其矿山监测“能看得清、能看得准、能看得对、能看得及时”的要求[5]。
实景三维技术主要是通过无人机航片级数据处理技术，具有影像实时传输、测量快速、方便灵活、低成本、高精度的优点，可创建完全真实、可量测的三维场景模型，用户可以快速获取场景内任意区域坐标、面积、高程等信息，而且可以更加直观地浏览地形、植被、水系、交通、居民点等分布状况，有效地弥补了RTK设备在山区信号不好、效率低、成本高和和卫星影像地图更新慢、精度低的缺点[6-7]。实景三维技术的兴起为露天矿山测绘、矿山生态环境调查与监测提供了新的途径。
1 监测关键技术流程
根据露天矿山生态修复监测的业务要求，结合无人机数据获取和处理的一般技术流程，露天矿山生态修复监测实施的技术环节主要包括矿区资料的收集准备、测区像控点测量和测区航线设计、无人机倾斜摄影影像数据采集、区域网空中三角测量、高精度三维数据建模、制作输出矿区DOM、DSM、DEM、DLG和三维实景模型[8]，最后基于形成的三维数据成果开展矿区生态修复监测情况指标计算和应用评价。
2 三维实景数据采集及处理
2.1 测区航线设计规划考虑测区矿山地形的地表起伏差异相对较小，无人机航摄过程中采用分区进行航摄的方法，航线设计主要按照东西方向来实现对航线的布设;地面分辨率在0.08m，设置航向重叠度在85%，旁向重叠度在65%，相对航高400m。
2.2 区域空中三角测量空中三角测量主要是在立体摄影测量环境中，利用像片内在的几何特性，通过少量的野外控制点在室内进行控制点加密，以摄影测量方法建立同实地相对应的航线模型或区域网模型(光学的或数字的)，获取加密点的平面坐标和高程。
本文主要利用无人机倾斜摄影过程中采集的POS数据，并结合外业测定的区域网控制点的成果，采用Smart3D应用软件的空三加密处理模块，通过光束法区域网整体平差得到加密点成果[9-10]，其中空三加密模块主要经过ExtractingKeypoints(提取特征点)、SelectingPairs(提取同名像对)、InitializationOrientation(相对定向)、MatchingPoints(匹配连接点)、BundleAdjustment(区域网平差)等步骤的运算处理，得到摄区空中三角测量成果。为提高空中三角测量的成果精度，可以使用软件对摄区进行二次空三运算，最终得到更精确的摄区空三结果，并生成倾斜航空摄影空中三角测量成果报告。
2.3 成果输出与制作
本文针对矿区实景三维模型创建主要是利用空三加密的结果，采用全自动空三数据导入方式，在三维数字摄影测量工作站上采用批处理的方法完成各个立体模型的建立，在此基础上利用数字摄影测量系统，首先自动匹配、滤波生成DSM，其次在立体模式下，同时显示格网点和视差曲线，最后基于校正后的影像内、外方位元素和数字高程模型(DEM)成果，对原始航片进行自动微分纠正，生成数字正射影像图(DOM)。
3 成果精度分析
为客观准确地对矿山三维数据成果精度进行全面分析评价，按照CH/T9015—2012文件的三维地理信息模型数据产品规范中对实景三维模型及数据产品的精度要求，本文分别随机选取一定数量的内业加密点、地物点、内业加密高程点，根据实景三维技术流程制作生成的DOM、DEM和三维模型成果，将实际测量野外点位与成图后在图上量取的点位进行对比分析，得出图上量算的点位与实际测量野外点位的DOM平面中误差、DEM的高程中误差和三维实景模型的平面中误差、高度中误差等值，对比统计结果显示，基于实景三维技术生成的矿山三维模型精度完全满足1∶1000成图比例尺的规范技术要求。
4 遥感解译标志构建
遥感解译是从遥感图像上获取目标地物信息的过程。解译标志是指在遥感影像上区分不同地物影像特征，用来分辨不同地物的依据，解译的基础和关键环节是解译标志的确定，影像解译标志正确与否直接影响矿山遥感监测成果质量。由于三维实景影像具有超高分辨率特征，建立基于三维实景影像的矿山解译标志，可以为三维实景影像信息提取和矿山测量提供参考，为矿山生态修复监测应用评价提供依据。本文根据矿山的一般要素内容，构建的解译标志的类型主要包括开采面、中转场、尾矿库、矿山建筑边坡等。
5 矿山生态修复监测应用评价
为更好地将实景三维技术应用在露天矿山生态修复监测中，本文基于生成的矿山实景三维模型进行应用分析：一是三维模型为带真实地理信息坐标真实纹理的三维模型，本文利用三维模型场景中的量测工具进行坐标量取、距离量测、路径分析等分析操作，同时根据矿区的渣土排放土方量、排土安全高度和安全坡度等进行分析;二是对矿山开采导致的坑洼，通过三维实景模型自有的高程和坐标信息，以可视化的方式对土石方边界进行选区操作，并自动计算生成不同矿区的挖填方量;三是利用矿山实景三维模型对矿山生态修复的林地、草地和复垦土地等治理，在模型上进行面积、高度、坡度、面积、体积等相关指标进行量算分析，从而对比统计矿山开采前后的生态修复质量情况，为矿山生态环境治理提供客观、准确的数据支撑。
6 结束语
无人机实景三维技术具有快速高效、影像实时传输、高危地区探测、成本低、灵活等特点，能快速准确生产正射影像(DOM)、数字表面模型(DSM)、地形图以及三维点云和倾斜三维建模，形成的各类成果不仅精度高，而且支持用户快速获取矿区场景内任意区域坐标、面积、高程等信息，以及更加直观地浏览目标区域地形、植被、水系、交通、居民点等分布状况，同时可以通过无人机倾斜摄影系统采集、测量和计算矿区堆坑的等高线、横剖面、挖方量等，在露天矿山测量和生态修复的监测中具有很大的应用价值。
作者：黄天进
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