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摘要:利用傾斜攝影技術(shù)，采用SWDC－5航攝儀獲取濟(jì)南市監(jiān)測(cè)礦山范圍內(nèi)2019年傾斜影像，制作濟(jì)南市監(jiān)測(cè)礦山范圍實(shí)景三維模型。疊加年度監(jiān)測(cè)圖斑，對(duì)比2014—2018年監(jiān)測(cè)成果，在Skyline平臺(tái)的礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查系統(tǒng)下進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和屬性掛接，通過(guò)內(nèi)外業(yè)協(xié)同作業(yè)，對(duì)濟(jì)南市2018年礦山破壞性開(kāi)采、超層越界等現(xiàn)象進(jìn)行了調(diào)查，查明了礦山地質(zhì)環(huán)境破壞、地質(zhì)災(zāi)害隱患等情況。結(jié)果表明:基于傾斜攝影技術(shù)開(kāi)展礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度高、人員投入少，滿足了礦山地質(zhì)環(huán)境管理需求的數(shù)據(jù)成果，生產(chǎn)周期較傳統(tǒng)方式縮短一半以上。

關(guān)鍵詞:傾斜攝影技術(shù);實(shí)景三維;礦山監(jiān)測(cè);SWDC－5航攝儀;濟(jì)南市

0引言

濟(jì)南北部臨黃河，南部山區(qū)綿延起伏，海拔500—900m;中部丘陵海拔200—500m;北部沖積平原海拔25—50m。山地丘陵約3000km2，平原約5000km2，南北高差大于1100m。濟(jì)南市四面環(huán)山，山體土層瘠薄，形成植被難度較大，經(jīng)過(guò)多年無(wú)序開(kāi)采后，部分山體已是遍體鱗傷，形成許多破損立面、山體缺口，同時(shí)濟(jì)南市散布的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)也存在著巨大的安全隱患。濟(jì)南礦山的無(wú)序開(kāi)發(fā)不僅造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，而且礦山周邊山體的亂采亂挖，也是滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的重要誘因，給國(guó)家財(cái)產(chǎn)帶來(lái)重大損失，也會(huì)對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。如何有效地監(jiān)測(cè)礦山地質(zhì)環(huán)境，特別是加強(qiáng)重點(diǎn)礦山開(kāi)采區(qū)的監(jiān)測(cè)與管理，是濟(jì)南市國(guó)土部門亟待解決的問(wèn)題。礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)有多種方法［1］，有的在礦山里嵌入監(jiān)測(cè)設(shè)備，有的在礦山周邊設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，但是均不能很好地監(jiān)測(cè)礦山開(kāi)采邊界和礦山開(kāi)采面現(xiàn)狀。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，隨著國(guó)內(nèi)外遙感衛(wèi)星的不斷發(fā)射和對(duì)外提供高分辨率影像，遙感和GIS技術(shù)［2－3］在資源環(huán)境監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著不可替代的作用，遙感、航空攝影技術(shù)被大量用于礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)。常規(guī)礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)主要依靠群眾舉報(bào)的被動(dòng)方式，通過(guò)二維航空航天遙感影像進(jìn)行日常監(jiān)管，不能及時(shí)、直觀地展示礦山開(kāi)挖現(xiàn)狀，一些較小規(guī)模的偷采亂挖現(xiàn)象，在平面影像上不易辨識(shí)，丟漏現(xiàn)象嚴(yán)重。近年來(lái)傾斜攝影技術(shù)日益成熟，可以獲取多視角航空影像，快速制作高分辨率的實(shí)景三維地形模型［4］，紋理真實(shí)細(xì)膩，能夠真實(shí)還原現(xiàn)實(shí)世界，更加直觀地反映礦山開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀，管理及技術(shù)人員可以以“鷹眼”視角觀察和量測(cè)礦山開(kāi)采、地質(zhì)災(zāi)害隱患現(xiàn)狀，足不出戶便可了解礦種、范圍分布等特征，減輕了外業(yè)核查勞動(dòng)強(qiáng)度，應(yīng)用于礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)取得了良好效果。本文以濟(jì)南市礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)為例，介紹了一種基于傾斜攝影技術(shù)的影像獲取、數(shù)據(jù)處理、三維監(jiān)管平臺(tái)［5－6］開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的全流程技術(shù)路線，為其他地區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

1監(jiān)測(cè)區(qū)及影像數(shù)據(jù)源

1．1監(jiān)測(cè)區(qū)范圍

監(jiān)測(cè)區(qū)包含濟(jì)南市下轄的歷下區(qū)、市中區(qū)、槐蔭區(qū)、天橋區(qū)、長(zhǎng)清區(qū)、平陰縣，總面積為2716．16km2，地表礦山開(kāi)采平面面積33．24km2，占比為1．2%。其中平陰縣、長(zhǎng)清市、市中區(qū)、南部山區(qū)等礦山開(kāi)采分布集中且密度大于4%的區(qū)域列為重點(diǎn)航測(cè)調(diào)查區(qū)，面積約為500km2，監(jiān)測(cè)區(qū)范圍如圖1所示。

1．2影像數(shù)據(jù)源

一般監(jiān)測(cè)區(qū)采用最新衛(wèi)星影像進(jìn)行調(diào)查，影像現(xiàn)勢(shì)性為2019年5月，影像分辨率為2m。重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)利用SWDC－5傾斜攝影航攝儀，獲取歷下區(qū)、市中區(qū)、槐蔭區(qū)、天橋區(qū)、長(zhǎng)清區(qū)、平陰縣地表礦山開(kāi)采重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)航空影像，影像分辨率為0．1m。SWDC－5是中國(guó)測(cè)繪科學(xué)院下屬的北京四維遠(yuǎn)見(jiàn)信息技術(shù)有限公司率先自主研發(fā)的傾斜攝影設(shè)備，基于SWDC－5傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行影像獲取與數(shù)據(jù)處理具有以下特點(diǎn):一是信息豐富，紋理真實(shí)細(xì)膩，傳統(tǒng)方式獲取的正射影像制作的三維地形模型由于高程模型格網(wǎng)間距較大，紋理粗糙易失真，SWDC－5除有一個(gè)子相機(jī)獲取正下方影像外，還可同時(shí)從前后左右4個(gè)方向以45°傾斜角對(duì)地面進(jìn)行航攝，獲取被拍攝物的多視角影像。二是生產(chǎn)周期短，自動(dòng)化程度高，常規(guī)DEM、DOM生產(chǎn)方式需要采集大量外業(yè)像控?cái)?shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)特征邊線采集、DEM人工編輯、正射糾正等大量工序，人工參與量大，采用傾斜攝影技術(shù)，利用少量像控成果，基于實(shí)景三維成果可自動(dòng)提取滿足礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查需求的真正射影像，人工參與少，生產(chǎn)周期短。

2濟(jì)南市礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)特點(diǎn)及成果展示

2．1技術(shù)流程

濟(jì)南市礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目采用運(yùn)－5B飛機(jī)配備SWDC－5傾斜相機(jī)，獲取礦山重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)傾斜航空影像，經(jīng)過(guò)像控測(cè)量、空三加密生產(chǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)DEM和DOM，利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)三維地貌真實(shí)重建，一般監(jiān)測(cè)區(qū)采用2019年年初衛(wèi)星影像進(jìn)行解譯，利用數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)加數(shù)字高程模型方法建立三維地形模型。通過(guò)影像解譯，結(jié)合歷史礦山開(kāi)采信息，開(kāi)展監(jiān)測(cè)區(qū)2014—2018年礦山開(kāi)采現(xiàn)狀圖斑提取及拓?fù)涮幚?，并進(jìn)行2018年礦山信息地面調(diào)查，查明礦山地質(zhì)環(huán)境破壞、地質(zhì)災(zāi)害隱患等情況，建立2018年礦山地質(zhì)環(huán)境航測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、破損和地質(zhì)災(zāi)害隱患情況數(shù)據(jù)庫(kù)，最后在Skyline平臺(tái)［7－9］下進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和屬性掛接，開(kāi)發(fā)監(jiān)測(cè)調(diào)查信息管理系統(tǒng)，開(kāi)展日常監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析。濟(jì)南市礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總體技術(shù)流程如圖2所示。

2．2傾斜影像獲取與處理

采用運(yùn)－5B飛機(jī)進(jìn)行航攝，為滿足IMU誤差累計(jì)限差指標(biāo)要求，每條航線最大平飛時(shí)間不超過(guò)20min，航線長(zhǎng)度不超過(guò)80km，每架次至少飛行一條構(gòu)架線。地面基站GPS接收機(jī)的性能應(yīng)與機(jī)載GPS接收機(jī)性能匹配，采樣間隔不大于1s，GPS信號(hào)接收天線應(yīng)帶抑徑板或抑徑圈，攝區(qū)內(nèi)任意位置與最近地面基站或SDCORS站點(diǎn)的距離不大于50km。航攝完成后，采用INPHO軟件進(jìn)行自動(dòng)數(shù)字空三加密，在此基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)DSM提取、DSM濾波、DEM鑲嵌、人工編輯等，制作用于DOM生產(chǎn)的DEM數(shù)據(jù)。利用Smart3D軟件，基于傾斜攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行真正射影像的提取，經(jīng)過(guò)勻光勻色、數(shù)據(jù)分幅等工序，完成數(shù)字正射影像圖的制作。

2．3真實(shí)紋理實(shí)景三維模型實(shí)現(xiàn)

采用SWDC－5相機(jī)進(jìn)行傾斜攝影，使用Smart3D自動(dòng)完成影像配準(zhǔn)、空三加密，利用空三成果自動(dòng)三維建模及紋理映射，從而獲取調(diào)查區(qū)真實(shí)紋理的實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)。相比于傳統(tǒng)的三維建模［10－11］，利用該技術(shù)生產(chǎn)的實(shí)景三維模型是航攝時(shí)的地物地貌真實(shí)重建，攝影范圍內(nèi)的三維模型為無(wú)差別建模，模型紋理更加真實(shí)，分辨率更高。

2．4監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)核查與成果分析

利用2018年獲取的礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查區(qū)影像數(shù)據(jù)，結(jié)合歷史礦山開(kāi)采圖斑資料，提取2018年礦山開(kāi)采現(xiàn)狀圖斑(重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)礦山開(kāi)采現(xiàn)狀圖斑面積≥200m2，一般監(jiān)測(cè)區(qū)礦山開(kāi)采現(xiàn)狀圖斑面積≥400m2)，外業(yè)核實(shí)新增礦山開(kāi)采圖斑的編號(hào)、轄區(qū)位置、面積、輪次、開(kāi)采主礦、照片、調(diào)查單位及人員信息、備注等信息。在ArcGIS下建立礦山監(jiān)測(cè)文件地理數(shù)據(jù)庫(kù)，導(dǎo)入2014—2018年礦山解譯及破損與隱患圖斑數(shù)據(jù)，對(duì)歷年礦山解譯及破損與隱患圖斑數(shù)據(jù)進(jìn)行拓?fù)潢P(guān)系處理，建立礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)及破損和地質(zhì)災(zāi)害隱患情況數(shù)據(jù)庫(kù)?；赟kyline平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，搭建起濟(jì)南市礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，包含資源瀏覽、查詢檢索、決策分析和統(tǒng)計(jì)分析四大模塊，實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維展示、空間量測(cè)、查詢檢索、統(tǒng)計(jì)分析等功能，把傳統(tǒng)的礦山信息二維展現(xiàn)和管理模式轉(zhuǎn)變成更加直觀的三維展現(xiàn)和管理模式，將實(shí)景三維、DOM、DEM、屬性信息等數(shù)據(jù)納入一張圖，更加便于礦山地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)的維護(hù)更新。其中資源瀏覽功能能夠快速瀏覽濟(jì)南市的各年度影像、監(jiān)測(cè)圖斑和地質(zhì)災(zāi)害隱患數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了地圖水平、垂直、空間距離量算和面積量算;查詢檢索功能包括地名查詢和專題查詢，用戶可以通過(guò)POI信息和監(jiān)測(cè)圖斑任意屬性進(jìn)行圖斑查詢定位與信息顯示;決策分析功能是基于三維GIS高性能空間數(shù)據(jù)引擎，實(shí)現(xiàn)了飛行路線、地圖標(biāo)繪和剖面、淹沒(méi)、挖填方、陰影、通視等空間分析;統(tǒng)計(jì)分析功能是通過(guò)Highcharts技術(shù)以一定統(tǒng)計(jì)單元統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)圖斑在不同區(qū)域的面積分布和數(shù)量，并以圖表形式顯示和輸出。

3結(jié)束語(yǔ)

1)濟(jì)南市將基于國(guó)產(chǎn)SWDC－5設(shè)備的傾斜航空攝影技術(shù)引入到礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查領(lǐng)域，改變了全市傳統(tǒng)的礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)模式，由原來(lái)被動(dòng)式的舉報(bào)監(jiān)測(cè)及二維管理模式轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)景三維下的主動(dòng)分析監(jiān)測(cè)，首次為濟(jì)南市礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查提供了基礎(chǔ)實(shí)景數(shù)據(jù)，也為該領(lǐng)域后續(xù)數(shù)據(jù)更新和科學(xué)管理建設(shè)了全新的數(shù)據(jù)平臺(tái)。

2)通過(guò)實(shí)景可視化三維建模，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)非法開(kāi)采活動(dòng)，可以對(duì)高陡的礦山工業(yè)場(chǎng)地邊坡、山區(qū)道路邊坡、露天采礦場(chǎng)邊坡、采空區(qū)山體邊部、高陡廢渣石堆及排土場(chǎng)等可能產(chǎn)生滑坡的斜坡體進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

3)基于Skyline創(chuàng)新性的開(kāi)發(fā)了實(shí)景三維管理系統(tǒng)，具有高度兼容性和拓展延伸特性，不僅兼容傳統(tǒng)4D數(shù)據(jù)，還可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定點(diǎn)監(jiān)控視頻、全景影像等數(shù)據(jù)的融入，進(jìn)一步提高濟(jì)南市礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)管理水平。

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作者：凌曉春  單位：山東省國(guó)土測(cè)繪院