0 引 言
我国矿产资源开发活动由来已久，其长期、高强度、大规模的开采，严重影响了区域生态系统。党的十八大以来，习近平总书记提出“绿水青山就是金山银山”重要指导思想。近年来，通过矿产资源整合，小、散、乱矿山的治理和关停等，遗留废弃的矿山数量逐渐增多，对水、土地、大气等环境造成了严重破坏。
针对废弃露天矿山，自然资源部出台了《关于加快推进露天矿山综合整治工作实施意见》、《关于探索利用市场化方式推进矿山的生态修复的意见》等一系列政策推进矿山生态恢复治理。河北省陆续出台了《关于改革和完善矿产资源管理制度加强矿山环境综合治理的意见》、《露天矿山综合治理支持政策》，加快推进全省范围内废弃矿山生态修复工作，利用矿山综合治理(EPC,Engineering Procurement Construction)模式，加快恢复进程，提高治理水平。EPC模式，即勘查、设计、施工一体化模式。实施全过程需要进行勘查、设计、施工、评价、测绘、监测、三维效果制作等各项工作协同进行。
传统勘查测绘技术进行露天矿山生态修复具有强度大、周期长、成本高、精度低，以及滑坡和坍塌等诸多问题带来的安全隐患等特点，且传统的测绘成果为2维成果，地形地貌和地质灾害信息不直观，给生态修复方案的设计带来不便。
近年来，随着无人机的普及，倾斜摄影测量技术的快速发展，无人机倾斜摄影测量技术越来越广泛应用到了矿山监测[1-4]、矿山地质[5-9]、矿山建模[10-12]、矿山地形测量中[13-15]。文献[16-19]利用无人机倾斜摄影测量技术进行了矿山环境治理应用，然而，针对矿山生态修复全过程，尤其是EPC生态修复模式，并没有详细的、全面的应用。因此，笔者提出在露天矿山生态修复EPC模式全过程中利用无人机倾斜摄影测量技术开展勘查测绘、方案设计、施工管理工作，从而达到数字化、定量化管理，并将此技术应用于河北省某废弃露天矿山生态修复。
1 无人机倾斜摄影测量技术
1.1 无人机
无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。与载人飞机相比，无人机具有体积小、造价低、使用方便、环境要求低、生存能力强等优点。随着技术的飞速发展，无人机从最初的军用领域逐渐扩展到民用领域，被广泛应用于城市管理、农业、地质、气象、电力、抢险救灾、视频拍摄等行业，并持续保持较快的发展态势。
无人机可分为固定翼无人机、旋翼无人机等。多旋翼无人机可以便携起降、飞行高度低、操作灵活、结构简单、技术成熟、拆卸方便、易于维护。目前，在测绘领域，尤其是小区域、特殊地形等区域，多旋翼无人机得到了广泛应用。
1.2 无人机倾斜摄影测量
无人机飞行平台搭载5个相机镜头的数码相机，其中1个垂直镜头，获取底部区域的正射影像，其余4个镜头分别获取前、后、左、右方向的倾斜影像，可以快速高效获取多角度影像，获取更丰富的地物纹理影像信息，真实地反映地物的实际情况，克服了垂直摄影测量的局限性，弥补了正射影像的不足[21] ，如图1所示。通过POS (Positon,POS)定位定向技术和GNSS(Global Navigation Satellite System,GNSS)差分技术，获取空间信息，采用数据快速处理系统生成实景三维模型。
图1 无人机倾斜摄影[21]
Fig.1 Unmanned aerial vehicle oblique photogrammetry
1.3 无人机倾斜摄影测量关键技术
无人机倾斜摄影测量技术通常包括像控点布设和测量、多视影像联合平差、多视影像密集匹配、三维建模、信息采集等。
1)像控点布设和测量。像控点布设和测量对成果的精度影响很大。因此，在野外进行像控点选择时，应遵从控制点的布设原则，选择合适的外业控制点布设和测量方案。像控点布设原则：像控点宜布设为平高点；选择没有遮挡的、影像清晰的目标；尽量是平整、水平的，不要选在有高差的斜坡上；易于识别的细小线状地物交点、明显地物拐角点，如道路交角；与周围环境色差小、与地面有高差、成像不清晰等可能引起刺点误差的，均不能作为像控点；远离有大片水域、电视塔、通信线路等的区域，以免被电磁干扰；在地面上设置较为明显的标记或者利用制作好的标志作为控制点，提高内业刺点精度。像控点布设方案：无人机倾斜摄影测量像控点布设通常采用区域网布网方案，根据不同成图比例尺对平面点和高程点的精度要求，得出像控点航向和旁向的基线数间隔进行布点。像控点测量方案：传统像控点测量采用分级控制的方式。通过像控点与已有控制点组成控制网，平差解算完成。随着GNSS(Global Navigation Satellite System)定位技术的不断发展和成熟，利用GNSS 定位方法进行像控点测量，完全满足需求。尤其是GNSS RTK(Real Time Kinematic，RTK)技术，能够快速、高精度获取像控点坐标。
2)多视影像联合平差。多视影像包括垂直摄影影像和倾斜摄影影像。传统的平差方法主要处理垂直摄影影像，对倾斜摄影影像之间的遮挡和几何变形不能实现较好处理。因此，需要多视影像联合平差处理方法处理。多视影像联合平差中，特征提取是1项基础工作，提取的精度与特征点的分布，决定了平差精度。通过特征提取算法进行特征点提取后，结合POS初始外方位元素，采用金字塔匹配策略，在每级像片上进行同名点匹配，得到匹配信息。通过联合平差解算由连接点、控制点坐标等数据，与多视影像自检校区域网平差的误差方程，获得每张像片内外方位元素和所有加密点的地面坐标[22-23]。
3)多视影像密集匹配。多视影像匹配是数字摄影测量的基本问题之一，相对于单一立体影像匹配，多视影像匹配可以充分利用影像中的冗余信息进行匹配纠正，补充盲区的地物特征。同1区域，倾斜摄影获取的影像数量多，会产生大量的多余观测，而且具有重叠度高、覆盖范围大、分辨率高的特点。因此，多视影像密集匹配的关键是如何更好地使用冗余信息，采用多视匹配算法准确获取同名点坐标，从而得到三维空间信息[24-25]。密集影像匹配后得到密集点云，对密集点云进行物体表面三维网格重建、纹理映射，最终生成倾斜影像模型。
2 技术流程
矿山生态修复技术流程如图2所示，包括准备工作、勘查测绘、方案设计、施工管理4个阶段。
图2 技术流程
Fig.2 Techniqueflow chart
2.1 准备工作
收集矿山基本信息，包括矿山位置信息和周边情况等。收集地质资料和采矿资料，包括矿山地质灾害报告、土地利用规划图、土地利用现状图、生态红线及数据库等资料。同时，进行空域申请。
2.2 勘查测绘
1)航线设计。在倾斜摄影开展前，做好航线设计工作，包括：航摄分区、航线设计、敷设航线、设计航高、确定航摄重叠度。
2)像控点布设与测量。采用航摄前的主动布设方式，按照一定的网格间距,选择合适的位置，利用制作好的标志实施布控。利用GNSS RTK技术开展像控点测量，观测2个测回，测回间时间间隔超过60 s，每测回观测值在得到RTK固定解且收敛稳定后开始记录。测回间的平面坐标分量较差不大于2 cm，垂直坐标分量较差不大于3 cm。2个测回结果取平均值作为像控点测量最终成果。
3)实景三维建模。利用ContextCapture软件进行多视影像联合平差，通过特征点提取、初始化外方位元素、连接点匹配，利用光束法区域网整体平差进行空中三角测量。为提高精度，首先计算出小区域内每个相机的内方位元素，然后导入到工程中进行相对定向，能达到提高相对定向精度的作用。像控点量测环节，每个像控点分布在不同视角，每个视角至少3个以上像片，像控点所在像片清晰，像控点位置接近于像片中心。通过控制点量测环节的优化、调整，控制点中误差控制在1个像元以内，从而提高空中三角测量精度。在空中三角测量的基础上，通过倾斜影像的密集匹配,获取大量高密度的点云数据，构建不规则三维网格模型，优化、简化网格模型进行自动纹理映射，最后生成纹理清晰、逼真的三维模型。为提高建模效率，利用多台服务器进行集群处理、三维模型建设。
4)数据采集。基于实景三维模型，自动化分块输出高精度的正射影像，为最大程度保存影像信息，设置分辨率为最高分辨率。在此基础上，利用遥感影像处理软件对分块影像进行镶嵌，再按照生产要求的网格尺寸进行重采样，生成大比例尺DOM(Digital Orthophoto Map)。利用EPS 3DSurvey三维测图系统调用三维模型OSGB瓦片数据，利用实景三维模型和正射影像联动模式进行数字化测图，采集房屋、道路、河流、地貌等地物要素信息采集，完成DLG(Digital Line Graphic)制作。矿山生态修复EPC模式，土石方开挖工作量很大，而且也是生态修复资金来源的重要组成部分。土石方的精确计算必须借助于矿区高精度DEM(Digital Elevation Model)数据。采用EPS 3DSurvey三维测图系统根据实景三维模型数据进行特征点、线采集。利用所有的特征点和特征线构建三角网，完成DEM生产工作。
5)精度检验。对实景三维建模和3D产品进行精度验证，满足精度要求即可进入方案设计环节。
2.3 方案设计
1)以实景三维模型为基础，同时结合DLG、DOM、DEM数据，根据不同地质灾害信息，进行生态修复方案设计，形成不同分项工程。
2)生态修复治理分项工程，包括土石方工程、绿化工程、灌溉工程等，结合实景三维模型及3D数字产品统计工程量，并根据定额标准进行经费预算。
3)根据生态修复方案，利用三维平台进行效果设计，生成效果模型。实景三维模型与效果模型对比、决策、分析，提交主管部门审批。
2.4 施工管理
根据生态修复设计方案进行工程施工，施工过程中，利用无人机倾斜摄影测量技术生成三维模型，实景三维模型与设计效果模型进行对比、动态监测。
3 应用与分析
3.1 研究区域简介
研究区域为河北省某县区域内某露天矿山，矿山面积为0.224 km2，目前处于关停、废弃状态。矿山经多年开采，造成土地压占、山体破损、岩石裸露、植被破坏，造成水、土壤、大气环境污染。地势起伏较大，整体地势南高北低，最大相对高差近150 m。同时，该矿山具有陡峭的开采面、岩石裸露，随时会产生崩塌等地质灾害，因此，采用传统的测绘方法存在严重的安全隐患。
3.2 勘查测绘应用
采用搭载5台4 240万像素传感器倾斜相机的多旋翼无人机进行倾斜摄影。根据区域的形状和范围，分为1个分区，航线按南北方向敷设。航向重叠80%，旁向重叠80%。根据测区范围最高山体情况，飞行高度230 m。
利用GNSS-RTK技术进行像控点测量。共计完成像控点10个，坐标系为CGCS2000，中央经线为117°。获取多角度影像数量3 010张。分辨率为3.4 cm。对多角度影像进行联合平差，像控点的最大重投影差为0.72个像素，控制点的最大平面位置中误差为0.012 m，最大高程中误差为0.018 m。
利用10个节点集群计算，瓦片大小为100 m，用时0.5 d。基于实景三维模型，进行3D产品的生产，生成该区域内DLG、DEM、DOM。三维模型产品色彩真实，纹理清晰。DLG控制点符合精度检查，平面点位中误差为6 cm，高程中误差为3 cm。对DEM进行散点检查，共检查高程点20个，高程中误差为11.4 cm。DOM未发现变形和偏移。
3.3 方案设计应用
经实地勘查，该矿山存在工作面、开采平台、渣坡、台阶等地质灾害信息，存在道路、废弃房屋等地形地物信息。结合实景三维模型和外业踏勘信息，绘制矿山地质环境图，如图3所示。
图3 矿山地质环境模型
Fig.3 Geological environment model of mine
针对不同地质环境，结合实景三维模型、3D数字产品进行多种生态修复方案设计，设计效果模型与实景三维模型进行前后对比，辅助方案设计的科学性、合理性。矿山生态修复效果模型如图4所示。
图4 矿山生态修复效果模型
Fig.4 Effect model of mine ecological restoration
同时，对不同方案分项工程进行工程量汇总。土石方工程，借助三维模型、高精度DEM计算填挖方工程量。绿化工程、灌溉工程、砌筑工程分别借助三维模型、DOM产品、DLG产品统计工程量。并在工程量基础上，进行投资预算，计算总投资金额。从生态环境效果、投资金额、施工周期、产业开发等不同角度考核方案的可行性。
目前该矿山生态修复工作正在方案报批中。方案报批后，进入施工阶段。施工过程中，将会利用无人机倾斜摄影测量技术对分部分项工程的施工进度、工程量、施工效果进行动态跟踪、实时监测，从而达到数字化、定量化监管。
3.4 应用分析
利用无人机倾斜摄影测量进行勘查测绘，布设像控点和航空摄影，投入人员3人，用时1 d。内业数据处理和生成实景三维模型，投入人员1人，用时1 d。3D产品采集，投入人员2人，用时1.5 d。共计投入7 d工时，即获取了三维模型和高精度3D产品。保证了矿山生态修复的高效率、可视化。
结合实景三维模型和3D产品进行方案设计，对不同地质环境信息制定分项治理工程，并利用三维平台生成效果模型，与实景模型进行卷帘比较，直观、形象展示生态修复效果，保证了矿山生态修复方案设计的合理化。
不同分项治理工程结合实景三维模型、3D产品，能够统计精确的工程量，同时统计精确的预算金额，保证了矿山生态修复的精准化。
4 结 论
1)勘查测绘更加高效。基于无人机倾斜摄影测量技术开展测绘工作，能够保障技术人员安全，节约人力、财力等成本投入，效率高，周期短。
2)方案设计更加直观。实景三维模型使矿山环境信息更直观、生动、形象，有利于生态修复方案的制定。同时，方案效果模型与实景三维模型形成鲜明对比，使生态修复方案更加科学合理。
3)管理施工更加全面。施工过程中，利用无人机倾斜摄影技术获取实景三维模型进行动态监测，并与设计效果对比，可以起到掌握施工进度、监督施工与设计的符合度作用，使管理人员全面掌握信息。
4)矿山生态修复更加精准。从勘查测绘中的二、三维模型建立、产品制造，到方案设计中的分项治理工程量统计、预算金额计算，到施工管理中的施工进度和工程量量化，都保证了矿山生态修复的精准化。
5)留存矿山历史档案。建立的废弃露天矿山二维、三维模型、数据、生态修复效果模型等，都可以作为矿山历史档案中的重要组成部分，对宣传开展矿山生态修复和发挥带动作用具有重要意义。
致谢:感谢河北省地矿局科技项目提供的资助，感谢河北省地质测绘院勘查工程分院、航测遥感分院提供的影像资料和中肯的意见和建议。
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