王婷韻，翟星宇，馮梓軒，孫志威，韋雅瑜，汪 煜

（南京大學(xué)金陵學(xué)院，江蘇 南京 210089）

由于礦產(chǎn)資源的不斷開采與不合理的利用，生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻，礦山生態(tài)修復(fù)已刻不容緩。礦山生態(tài)修復(fù)是指將因礦山開采而受損的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)到接近于采礦前的自然狀態(tài)，或重建成符合人類所期望狀態(tài)，或恢復(fù)成與其周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)的其他狀態(tài)[1]。地形勘測(cè)是礦山生態(tài)修復(fù)的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的礦山地形勘測(cè)不僅需要耗費(fèi)較高人力物力，且有一定安全隱患。無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速，且無(wú)人機(jī)本身具有機(jī)動(dòng)性和安全性等特點(diǎn)，同時(shí)可快速獲得高分辨率影像。目前無(wú)人機(jī)在礦山生態(tài)修復(fù)已廣泛應(yīng)用，王耿明等[2]在廣東省廣州市太珍石場(chǎng)利用無(wú)人機(jī)開展綠色礦山檢測(cè)工作，最終礦區(qū)綠化與周邊自然景觀相協(xié)調(diào)，礦山復(fù)綠達(dá)到90%以上，白洋等[3]通過(guò)無(wú)人機(jī)分析河北省保定市淶源縣某露天礦區(qū)，實(shí)現(xiàn)露天礦場(chǎng)三維可視化，為礦山修復(fù)提供了有力的參考。

1 研究區(qū)概況

本次研究以南京市湯山青林礦山為對(duì)象，該礦山位于南京市江寧區(qū)東北部，屬低山地形地貌，由山前斜地、低丘兩個(gè)微地貌組成，處在生態(tài)紅線管控區(qū)內(nèi)，山體植被遭到破壞，巖石裸露與周邊茂密的山體格格不入。研究區(qū)停采后大片裸露的巖石邊坡、高陡聳立的殘壁等形成較多的崩塌等地質(zhì)災(zāi)害隱患。區(qū)內(nèi)巖體受節(jié)理、后期風(fēng)化及人類活動(dòng)影響時(shí)常發(fā)生巖石崩落現(xiàn)象，宕底高低不平，露采面坡高壁陡，基巖裸露，廢土堆任意堆放，地質(zhì)環(huán)境惡化，植被破壞、發(fā)育較差，水土流失，土地退化等生態(tài)問(wèn)題十分突出。山體及周邊生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，自然景觀的觀賞性嚴(yán)重下降，大面積土地難以利用并且礦區(qū)與周邊自然生態(tài)環(huán)境相悖。

2019年礦山完成了生態(tài)環(huán)境治理，治理工作主要結(jié)合原礦區(qū)地形進(jìn)行削坡減裁、挖高填低和場(chǎng)地平整覆土等修復(fù)工作。對(duì)比礦山生態(tài)修復(fù)前后地形要素變化，修復(fù)后礦區(qū)邊坡平整、坡度平緩穩(wěn)定，既消除了地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，又為下一步生態(tài)綠化打下基礎(chǔ)。

2 研究過(guò)程

2.1 設(shè)計(jì)流程

無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)獲取與數(shù)字地面模型（DSM）方案流程包括：設(shè)計(jì)航線、無(wú)人機(jī)飛行、影像預(yù)處理、地形提取分析、三維建模。

2.2 數(shù)據(jù)采集

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集在中午進(jìn)行，采用大疆御2無(wú)人機(jī),續(xù)航時(shí)間約31分鐘,最大速度72km每小時(shí),攜帶的航攝儀像素是2000萬(wàn)有效像素,最大飛行海拔高度6000m。采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)方法，從五個(gè)不同角度方向飛行。共飛行航線17條，最終拍攝影像319張。無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)采集過(guò)程：制定技術(shù)路線、規(guī)劃無(wú)人機(jī)航拍路徑、布置像控點(diǎn)，對(duì)成圖的范圍進(jìn)行控制，確保接頭位置不出現(xiàn)漏洞。生成航拍照片內(nèi)含WGS1984位置坐標(biāo)信息，具有高重疊率，高精度等特點(diǎn)[3，4]。

2.3 空中三角測(cè)量

將無(wú)人機(jī)航拍的319張影像導(dǎo)入后進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理。通過(guò)加載影像數(shù)據(jù)、相機(jī)影像數(shù)據(jù)、構(gòu)建測(cè)區(qū)航線進(jìn)行運(yùn)算，完成自由網(wǎng)空中三角測(cè)量。通過(guò)測(cè)量解算每張影像的外方位元素信息，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性分析以及誤差值的分析[5]。由于原始拍攝的影像數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系為WGS1984，在不同場(chǎng)景模式下可以根據(jù)實(shí)際需要轉(zhuǎn)換成其他的坐標(biāo)系。本次共處理7個(gè)進(jìn)程，并得出了小面積地形地貌圖。

2.4 數(shù)據(jù)提取

獲取到的影像數(shù)據(jù)需利用軟件進(jìn)行技術(shù)處理，轉(zhuǎn)化為可以和第三方軟件兼容的地理信息文件供進(jìn)一步建模與分析。與其他無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相比較，本次研究選擇系統(tǒng)自動(dòng)化水平高，人工干預(yù)過(guò)程少的Pix4Dmapper軟件進(jìn)行影像數(shù)據(jù)處理。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取中進(jìn)行了多次多光束法局域網(wǎng)平差以及相機(jī)自檢校計(jì)算[6]，通過(guò)優(yōu)化外部參數(shù)以及主要內(nèi)部參數(shù)，重新匹配影像，得到更好的匹配效果，使數(shù)據(jù)更為精確。將原始數(shù)據(jù)通過(guò)處理生成DSM數(shù)據(jù)，為后期相關(guān)數(shù)據(jù)處理與有效信息提取打下基礎(chǔ)[7,8]。

2.5 三維建模

為了更加清晰、直觀的對(duì)礦山進(jìn)行觀測(cè)與分析，使用ContextCapture軟件的三維建模功能實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山實(shí)景、地形地貌、生態(tài)環(huán)境及其布局等的三維場(chǎng)景再現(xiàn)?；趫D形運(yùn)算單元GPU的快速三維場(chǎng)景運(yùn)算軟件制作出研究區(qū)的三維模型，利用生成的空中三角測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)礦山進(jìn)行建模，無(wú)需人工干預(yù)，可以直接從簡(jiǎn)單連續(xù)的影像中生成逼真的實(shí)景三維場(chǎng)景模型[9]。生成的模型可以進(jìn)行全方位觀測(cè)，最大程度的還原研究區(qū)實(shí)況。

3 數(shù)據(jù)分析

基于無(wú)人機(jī)獲取的DSM數(shù)據(jù)可提取各類地形要素?cái)?shù)據(jù)，對(duì)比分析不同時(shí)期礦山地形數(shù)據(jù)可動(dòng)態(tài)回溯礦山生態(tài)修復(fù)過(guò)程，為修復(fù)工程提供數(shù)據(jù)支撐。本文參照礦山生態(tài)修復(fù)的設(shè)計(jì)方案所劃定四個(gè)分區(qū)（清坡減裁區(qū)、回填壓腳區(qū)、填方區(qū)和挖方區(qū)），分區(qū)對(duì)比分析生態(tài)修復(fù)前后地形變化狀況。

DSM數(shù)據(jù)能直觀表現(xiàn)出礦區(qū)地表覆蓋高程起伏狀況，由于目前礦山修復(fù)工程剛初步完成，修復(fù)前后地表植被較少，所以DSM可代替DEM進(jìn)行各類地形要素提取分析[10]。提取要素包括等高線、坡度分布、坡向分布和地表粗糙度分布。

3.1 高程變化分析

通過(guò)將修復(fù)后DSM減去修復(fù)前DSM得到差值圖，差值圖可直觀反映地形高程變化情況，填挖方區(qū)和回填壓腳區(qū)高程總體是增加的，而清坡減裁區(qū)總體高程是下降的。從高程絕對(duì)值上填方區(qū)平均高程由修復(fù)前101.46m增加為103.26m；修復(fù)前位于坡腳底高度區(qū)的殘丘為主要的挖方區(qū)，挖方區(qū)平均高程由修復(fù)前98.85m增加為102.17m；清坡減裁區(qū)平均高程由修復(fù)前119.68m減為117.94m；回填壓腳區(qū)平均高程由修復(fù)前107.32m增加為111.10m。從高程相對(duì)變化范圍看各分區(qū)的高程變化范圍和標(biāo)準(zhǔn)差都有一定減少，可以看出修復(fù)后各分區(qū)地形起伏變化更小，地形穩(wěn)定性增強(qiáng)。

圖1 修復(fù)前DSM分布

圖2 修復(fù)后DSM分布

圖3 修復(fù)前后DSM差值

3.2 坡度變化分析

地形坡度體現(xiàn)了地面高程變化率，通過(guò)對(duì)露采高陡邊坡自上而下進(jìn)行清坡減裁和回填壓腳，放緩邊坡的坡率，挖去部分滑體巖土以減小滑體重量和滑坡推力，坡面危巖、孤石得到清理；將土石等材料堆填在滑坡體前緣及其以外，增加抗滑力、提高滑坡體穩(wěn)定性，消除了坡面存在的地質(zhì)災(zāi)害隱患。使削坡坡面的最終邊坡角總體控制在50度以內(nèi)，形成安全邊坡，改善了區(qū)域景觀可視度[11]。對(duì)比修復(fù)前后坡度變化圖，可清楚看出修復(fù)前礦山坡度變化大，分布散亂；修復(fù)后坡度變化緩，各分區(qū)坡度單一。

圖4 修復(fù)前坡度

圖5 修復(fù)后坡度

圖6 各分區(qū)坡度分布

3.3 地表粗糙度變化分析

地表粗糙度是地表表面積與投影面積的比值，地表粗糙度越高地形起伏變化就越大，穩(wěn)定性越低。

相反地表粗糙度越低地形越平整，最小值為1。通過(guò)計(jì)算修復(fù)前后礦山地表粗糙度并對(duì)比分析，可發(fā)現(xiàn)修復(fù)后的地表粗糙度在各分區(qū)都低于修復(fù)前地表粗糙度[12]。

圖7 修復(fù)前地表粗糙度

圖8 修復(fù)后地表粗糙度

圖9 修復(fù)后各區(qū)地表粗糙度

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以南京市湯山青林礦山生態(tài)修復(fù)工程為例，通過(guò)無(wú)人機(jī)快速實(shí)現(xiàn)修復(fù)區(qū)地形數(shù)據(jù)采集，并基于無(wú)人機(jī)勘測(cè)數(shù)據(jù)成果進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)比分析不同時(shí)期地形數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的礦山生態(tài)修復(fù)工程監(jiān)測(cè)，為礦山生態(tài)修復(fù)工程提供決策支持。

結(jié)果表明無(wú)人機(jī)在礦山生態(tài)修復(fù)中具有減少外業(yè)工作量，提高工作效率，降低外業(yè)工作安全隱患等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)測(cè)量精度較高，數(shù)據(jù)較為直觀，能夠?yàn)榈V山生態(tài)修復(fù)中的地形勘測(cè)提供有力依據(jù)。