于立民 楊晶晶

（河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)大隊（河北省礦山環(huán)境修復(fù)治理技術(shù)中心），河北 唐山 063000）

隨著我國生態(tài)文明建設(shè)的不斷發(fā)展，礦山生態(tài)修復(fù)治理達(dá)到了前所未有的高度。由于對礦山資源的開采和利用不合理，嚴(yán)重破壞了生態(tài)環(huán)境。尤其對露天礦山的開采，造成高陡邊坡、危巖破碎邊坡等復(fù)雜地形，存在崩塌、滑坡很多地質(zhì)災(zāi)害隱患，野外調(diào)查人員無法近距離測量和調(diào)查。隨著高新科技的出現(xiàn)，三維激光掃描和無人機航攝獨特的優(yōu)勢，被行業(yè)人士廣泛應(yīng)用，也成為礦山生態(tài)修復(fù)治理工作的高效技術(shù)手段。

國內(nèi)外有許多學(xué)者針對三維激光掃描或傾斜攝影測量單一技術(shù)在測繪領(lǐng)域做了大量的研究，取得了一定的成效。例如張開坤應(yīng)用地面三維激光掃描儀在城市住宅區(qū)域進(jìn)行大比例尺地形圖測量；曹正響將傾斜攝影與地面激光掃描技術(shù)融合起來構(gòu)建三維建模應(yīng)用于建筑物房頂?shù)难芯?；黃宣東利用單一無人機傾斜攝影技術(shù)對礦山進(jìn)行生態(tài)修復(fù)治理。然而將三維激光掃描和傾斜攝影測量技術(shù)兩者融合起來，在礦山生態(tài)修復(fù)治理中的應(yīng)用研究則相對較少。

因此該文以唐山市某露天礦山為研究試驗區(qū)，利用三維激光掃描和傾斜攝影測量融合技術(shù)，對其進(jìn)行三維重建，獲得露天礦山三維實景模型和三維激光點云，將其成果應(yīng)用于生態(tài)修復(fù)工作。

1 基本技術(shù)思路

三維激光掃描儀可以對測區(qū)進(jìn)行360°全景掃描，并且點云精度高，真實還原地形現(xiàn)狀。對地形復(fù)雜、地形起伏變化程度大的礦山，由于無人機作業(yè)模式的限制，采用單一的無人機傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行三維重建時，容易造成三維模型產(chǎn)生紋理缺失、模糊、空洞問題，且采集到的點云數(shù)據(jù)精度相對較低；因此采用三維激光點云與無人機傾斜攝影進(jìn)行融合建模，取長補短，彌補了常規(guī)單一數(shù)據(jù)源的不足，提高了模型成果質(zhì)量和精度。

該文研究區(qū)為地形條件復(fù)雜的露天礦山，采用Trimble SX10三維掃描儀對露天礦山進(jìn)行遠(yuǎn)距離掃描，獲得三維點云數(shù)據(jù)，應(yīng)用無人機系統(tǒng)對研究區(qū)進(jìn)行東、南、西、北、及頂部五個方位的低空數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過Smart3D平臺處理得到空三結(jié)果，將三維點云與空三結(jié)果融合處理，得到三維實景融合模型，可以精準(zhǔn)高效地用于礦山地形圖繪制以及后續(xù)礦山生態(tài)修復(fù)規(guī)劃工作。技術(shù)路線圖如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

2 研究實施過程

2.1 地面三維激光掃描

該研究區(qū)采用Trimble SX10三維掃描儀，可提供600m掃描測程，360度全域掃描，達(dá)到1mm高精度的掃描效果并具有全站儀和高清影像儀的功能。通過定向方式架站后，可實現(xiàn)站與站之間的點云自動拼接，拼接后的精度為定向精度。根據(jù)礦山地形起伏現(xiàn)狀，將該設(shè)備放置研究區(qū)合適的位置（圖2）。

圖2 三維掃描現(xiàn)場圖

將照相機調(diào)節(jié)到合適的曝光度，開始工作后，先自動拍照1min，并自動存儲照片和點云數(shù)據(jù)，每站掃描時間大概3min完成，再將其換到下一站，繼續(xù)進(jìn)行掃描工作。

在進(jìn)行三維掃描作業(yè)時，由于人、車流以及不可避免的外界因素會對掃描結(jié)果數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾，為提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行點云預(yù)處理。點云預(yù)處理直接影響到三維點云的精度，不少學(xué)者對點云預(yù)處理方法做了大量研究，大概分為數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、基于先驗信息、基于坡度和半自動的濾波方法。這幾種方法有各自的適應(yīng)范圍和局限性，根據(jù)三維激光掃描對象所特有的結(jié)構(gòu)，選擇半自動濾波方法。首先統(tǒng)計點云數(shù)據(jù)的范圍值，然后再設(shè)定閾值，將懸空的噪聲點、人以及障礙物遮擋所產(chǎn)生的離群點加以剔除（圖3）；不能自動剔除的噪點需要手動建立圍柵，加以剔除。

圖3 去噪過程圖

基于多判別參數(shù)為基礎(chǔ)的點云特征提取算法，確定特征判別參數(shù)和特征閾值，提取出點云特征點。對點云進(jìn)行基于八叉樹的K-means聚類操作，將礦山地形地貌數(shù)據(jù)分成植被與非植被，然后在不包括特征點的聚類中以距離聚類中心最近的數(shù)據(jù)點代替整個聚類，保證點云完整的同時達(dá)到抽稀的目的，在此基礎(chǔ)上剔除地表覆蓋的植被。

2.2 傾斜攝影建模

該研究區(qū)采用飛馬無人機對露天礦山進(jìn)行航拍，航拍技術(shù)參數(shù)見表1。為保證傾斜攝影測量成果與研究區(qū)的坐標(biāo)系一致，需要對研究區(qū)布設(shè)控制點，像控點形狀為“L”形，檢查點為十字型。

表1 傾斜攝影測量主要技術(shù)參數(shù)

原始數(shù)據(jù)合格后，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括影像勻色、POS數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等。運用ContextCapture平臺對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行集群計算處理，基于嚴(yán)格的光束法區(qū)域網(wǎng)平差解算模型，通過計算導(dǎo)入的控制點和判刺的控制點之間的偏差，統(tǒng)計點位殘差，進(jìn)行嚴(yán)格的空三加密處理。空三處理結(jié)束后，查看空三解算結(jié)果。該試驗空三精度滿足生產(chǎn)的質(zhì)量要求。

2.3 融合建模

將三維激光點云轉(zhuǎn)成*.las格式，在ContextCapture平臺中，選擇 pointcloud模式，參數(shù)設(shè)置成靜態(tài)三維激光掃描數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一坐標(biāo)系，確保三維點云與空三成果正確套合，并運行項目重建模塊，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建三角網(wǎng)并自動映射紋理，最終生成高精度三維實景模型。在研究區(qū)選取7個特征點，將實測控制點添加到三維模型中，并將兩者進(jìn)行比較，結(jié)果見表2。

表2 檢核點平面與高程誤差（單位：m）

中誤差是評價研究區(qū)三維模型的水平精度和垂直精度的有效指標(biāo)。利用中誤差公式計算該研究區(qū)的平面的中誤差為1.88cm和高程中誤差為1.67cm。精度符合《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》（CH/Z 9015-2012）。且三維模型紋理、色彩和質(zhì)量更加優(yōu)化（圖4和圖5）。

圖4 融合后模型近景圖（一）

圖5 融合后模型遠(yuǎn)景圖（二）

3 應(yīng)用分析

礦山生態(tài)修復(fù)治理是踐行綠色發(fā)展的體現(xiàn)。涉及土地復(fù)墾、高陡邊坡精準(zhǔn)防治、地形地貌治理等?；谌S激光掃描和傾斜攝影測量融合技術(shù)獲取的實景三維模型、三維點云數(shù)據(jù)、正射影像，可快速提取生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵要素，為礦山生態(tài)修復(fù)規(guī)劃設(shè)計工作提供數(shù)據(jù)支撐。

3.1 復(fù)墾設(shè)計應(yīng)用分析

該文將礦區(qū)DOM和三維模型導(dǎo)入EPS軟件中作為設(shè)計底圖并進(jìn)行人機交互解譯。將采坑、道路、植被、復(fù)墾治理區(qū)等生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵要素矢量化勾繪出來，形成礦區(qū)地形圖。在此基礎(chǔ)上疊加土地利用現(xiàn)狀圖，提取礦區(qū)范圍內(nèi)植被和土地類型，判定表土區(qū)域剝離情況，評估土地?fù)p毀范圍，制作土地?fù)p毀現(xiàn)狀圖、預(yù)測圖以及土地復(fù)墾規(guī)劃圖，疊加底圖DOM，推進(jìn)土地復(fù)墾設(shè)計工作。

3.2 高陡邊坡防治應(yīng)用

礦山地形坡度代表了地面高程變化率。在對露天礦山進(jìn)行生態(tài)修復(fù)工程中，需要對邊坡進(jìn)行消坡，放緩邊坡的坡率，以增加坡體的穩(wěn)定性，可消除存在的地質(zhì)災(zāi)害隱患。將礦山三維激光點云數(shù)據(jù)加載到Arcgis軟件，使用3D Analyst工具將三維點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成柵格數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上利用坡度分析和重分類工具，將坡度分為四類，可直觀地看到各類坡度的分布情況（圖6），結(jié)合高質(zhì)量的三維模型判定邊坡高度，依據(jù)邊坡治理技術(shù)形成安全邊坡，改善區(qū)域邊坡景觀。

圖6 坡度重分類局部圖

3.3 土石方測算

土石方測算是露天礦山生態(tài)修復(fù)工程中的一項重要內(nèi)容，對工程預(yù)算、工程項目規(guī)劃設(shè)計等方面起關(guān)鍵作用。利用土石方大師軟件，基于處理后的三維激光掃描點云數(shù)據(jù)和實景三維模型，設(shè)定參數(shù)，通過創(chuàng)建TIN模型（圖7），可以快速計算、統(tǒng)計和匯總土石方量，用于土地整治設(shè)計和指導(dǎo)施工。

圖7 土石方測算三維圖

4 結(jié)語

結(jié)果表明，將三維激光掃描和傾斜攝影測量進(jìn)行融合，生成實景三維模型成果，有效改善了模型質(zhì)量。基于高精度的三維實景模型和三維點云，制作礦區(qū)地形現(xiàn)狀圖、坡度圖和測算填挖方量，可直觀地了解礦區(qū)地形地貌，為土地?fù)p毀防治、高陡邊坡防治和土地整治工作，提供了豐富的基礎(chǔ)資料，為礦山生態(tài)修復(fù)提供了有力的決策支持，大大減少了外業(yè)工作量和野外工作隱患，提高了工作效率。