礦山環(huán)境治理設計中三維模型的應用

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摘要：傳統(tǒng)礦山治理設計以平面圖為主，礦山地質環(huán)境現(xiàn)狀不直觀。采用無人機航空攝影技術構建三維可視模型，實現(xiàn)了礦山地質環(huán)境治理設計數(shù)據(jù)的可視化，可以簡化面積、體積計算、工程模擬等工作，尤其對于面積較大的礦山，可大大提高工作效率、提高精度、節(jié)約成本。

關鍵詞：三維模型；無人機航攝；礦山地質環(huán)境；治理設計

1引言

近年來，伴隨中國生態(tài)文明建設的力度加大，礦山開發(fā)引起的地質環(huán)境問題得到前所未有的關注[1]。截至2013年底，全河北省共有礦山5225個[2]，其中廊坊市三河東部礦區(qū)治理示范工程（二期）總治理面積2.3km2，總治理資金約3.3億，省政府要求在2018年底治理完成，工期緊、任務重。傳統(tǒng)依靠相機、GPS、指北針和卷尺等進行勘查設計的方式已經(jīng)不再適合新的需求。在此方面，新型的無人機和3D建模等技術為改變傳統(tǒng)方式提供了可能[3]，三河示范工程在治理設計前、中、后三個階段全面采用真三維模型技術，快速完成了高質量的施工設計方案。目前，隨著我國電子信息的快速發(fā)展，數(shù)字航拍儀在質量和尺寸方面得到了極大的改進，尤其是數(shù)碼航拍器的分辨率，得到了極大的提高[4]，同時，航空攝影測繪的三維影像技術也在高速發(fā)展，相比于之前的三維影像技術，三維影像技術具有精度高、效果真實、數(shù)據(jù)可靠的優(yōu)點。使用GPS差分定位技術和三維點云技術可以生成矢量化三維影像模型，將此技術應用于礦山地質環(huán)境治理設計工作中，可以簡化面積、體積計算、工程模擬等工作，提高工作效率。

2三維模型構建

航空攝影影像空三加密技術采用POS輔助的垂直影像和傾斜影像相聯(lián)合平差方式，從而實現(xiàn)傾斜POS輔助光束法平差，建立工程需要導入的傾斜攝影影像、相機文件、POS數(shù)據(jù)及控制點數(shù)據(jù)，最終輸出垂直與傾斜影像精確的外方位元素，加密點，根據(jù)求解出的外方位元素[5]，在所有影像間進行密集匹配。自動化空三加密，采用光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差，以中心投影的共線方程作為平差單元的的基礎方程，通過各光線束在空間的旋轉和平移，使模型之間的公共光線實現(xiàn)最佳交會，將整體區(qū)域最佳地納入到控制點坐標系中，從而確定加密點的地面坐標及相片的外方位元素，恢復地物間的空間位置關系?？?a href="http://www.baojiexiang.com/lunwen/hjzllw/146849.html" target="_blank">中三角測量是傾斜攝影的關鍵環(huán)節(jié)，而其中的核心又在于解決傾斜影像的可靠高效同名點匹配問題，系統(tǒng)根據(jù)高精度的影像匹配算法，自動匹配出所有影像中的同名點，并從影像中抽取更多的特征點構成密集點云，從而更精確的表達地物細節(jié)。由空三和影像密集匹配后建立的影像之間的三角關系構成不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN），再由TIN構成白模，軟件從影像中計算對應的紋理，并自動將紋理映射到對應的白模上，最終形成真實三維模型。通過疊加矢量底面，在渲染層面實現(xiàn)單體化，以實現(xiàn)GIS功能，實現(xiàn)三維模型的動態(tài)性和靈活性管理。對所獲取的航空攝影影像數(shù)據(jù)進行處理，使用專業(yè)軟件進行三維影像模型、數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字正射影像（DOM）建設。三維模型的構建流程為：航拍數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)、控制點—區(qū)域網(wǎng)連接點匹配—相差剔除—相控點測量—空三解算—空三測量結果—三維紋理模型構建—實景三維影像成果。

3三維模型在礦山治理設計中的應用

3.1三維模型在設計前期工作中的應用

礦山治理設計前期首先要充分掌握治理區(qū)的地質環(huán)境現(xiàn)狀，對于治理面積較大的礦山，治理區(qū)信息多而雜，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的調(diào)查手段費時、費力、人員投入較大，高陡的殘山無法上去，另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的地形圖對微地貌、空間相對位置、各礦山地質環(huán)境問題的細節(jié)特征反映不直觀。通過無人機航空攝影測繪生成三維模型，在室內(nèi)可以解譯90%以上的礦山環(huán)境問題，在三維影像基礎上制定補充勘查路線，利用數(shù)據(jù)處理生成DOM數(shù)字正射影像圖并與矢量化的基礎地理數(shù)據(jù)進行套合作為手圖，對解譯不充分的地方進行野外補勘，大大減少人力物力。

3.2三維模型在土石方計算中的應用

土石方工程占施工費用的80%以上，土石方工程量計算的精確度影響整個設計及施工驗收。傳統(tǒng)的土石方計算最常用的方法是CASS疊加計算，導入原始地面高程，對設計高程賦值后兩期數(shù)據(jù)疊加計算。由于治理面積大，挖填區(qū)塊多，采用CASS計算非常繁瑣，且原始采樣點間距一般為2~5m，計算存在偏差。高分辨率的真三維模型高程點密集、精度高，可手動輸入高程采樣點間距，采樣點間距可精確至0.1m，采用LocaSpaceViewer、Acute3DViewer等三維模型軟件中的體積量算功能，可快速獲取挖填區(qū)的周長、面積、切割體積、填充體積等參數(shù)，并且有兩種模式可以選擇，均值平面法和自定義平面法。均值平面法可自動識別周邊高程，計算出挖填量。自定義平面法可手動賦值治理后高程，自動計算出設計標高的挖填方量。通過與CASS、HTCAD等土石方計算專業(yè)軟件進行對比驗證，計算精度高、速度快。

3.3三維模型在地質災害設計中的應用

消除地質災害是礦山治理的第一要務，但由于歷史以來不規(guī)范的開采，治理區(qū)內(nèi)形成100m以上的陡壁、殘山、巖墻等，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的測量手段無法到達殘山頂部，另一方面二維地形圖無法反映出裂隙等細部特征。采用真三維模型可360°無死角查看地質災害特征，掌子面及殘山頂部崩塌后緣裂縫、滑坡兩側沖溝及后緣錯臺等，可以直接量取裂隙的長寬、危巖體體積等參數(shù)，然后利用CAD中的赤平投影cpty功能對邊坡穩(wěn)定性進行分析。另外，高分辨率的影像紋理能夠直觀反映崩落體距離坡腳的位置，為礦山地質災害治理設計提供詳實可靠的依據(jù)。

3.4三維模型在線性工程設計中的應用

礦山設計中道路、供排水等線性工程對地形起伏要求比較嚴，道路地形起伏不超過8%，排水工程要求地形全部為下坡，且大型治理項目線性工程橫穿整個治理區(qū)，涉及的地物較多。通過實景真三維模型，可隨時查看穿越區(qū)域的植被類型、農(nóng)田、果園、水井、變壓器、房屋等地物類型，根據(jù)道路墊層和面層寬度、排水渠開挖斷面等，在實景三維模型上調(diào)整穿越路線，達到壓占地物少、補償費用少、地形坡度合理、設計方案最優(yōu)的目的。

3.5三維模型在景觀設計中的應用

最大限度恢復生態(tài)和地形地貌景觀是礦山治理的最終目的，尤其對于風景名勝區(qū)、城市規(guī)劃區(qū)、公路、鐵路、湖泊、水庫等“三區(qū)兩線”范圍內(nèi)的礦山，省政府對礦山地貌景觀恢復要求較高。利用三維模型，可以將模型與線性區(qū)域所處的高程拉在同一平面內(nèi)，全方位察看礦山破壞的可視區(qū)域，LocaSpaceViewer分析界面中的高度測量功能，可截取任意高程界面以上的區(qū)域，圈定重點治理范圍，做到有重點、不遺漏、高精度的工程設計。

3.6三維模型在設計效果圖制作中的應用

以往礦山治理效果圖的制作常采用Photoshop簡單處理方式為平面效果，實景三維模型可以利用真三維建模渲染軟件Acute3D、SketchUP、3DSMAX、Lumion等進行處理，達到真三維模擬治理效果，全方位展示治理成效。三維效果制作流程為：SketchUP建模—Lumion調(diào)參—渲染—調(diào)色。SketchUP是一款簡單易操作的三維建模軟件，效果圖制作一般以構建的真三維模型為基礎，然后利用SketchUP建立亭臺樓閣、庫壩、擋墻、蓄水池、公路等模塊，另外可結合Lumion強大的植物、人物等模型庫，構建不同的治理效果場景。Lumion材質庫對普通材質有很好的展示效果，另外可在材質面板中直接調(diào)整材質的風化程度、類型等，最終形成的礦山治理效果圖接近于自然，對指導礦山施工具有很大的意義。施工完成后再進行一次航攝建模，與治理效果進行對比可作為后期驗收的直觀依據(jù)。

4結語

經(jīng)過實踐應用驗證，高分辨率的三維模型在礦山治理施工設計的補充勘查、土石方計算、地質災害設計、線性工程設計、景觀設計、效果圖設計等方面均有獨特的優(yōu)勢，達到準確的參數(shù)設計、良好的治理效果。另外，可借助三維模型與施工管理有機結合，模擬施工現(xiàn)場布置、優(yōu)化材料儲存和運輸路徑、避免大型吊裝機械的潛在碰撞，提高效率、節(jié)約成本?？傊ㄟ^本項目三維模型在治理工程設計中的實踐經(jīng)驗，以期為其它礦山治理工程提供借鑒。

參考文獻

[1]王耿明,朱俊鳳,陳捷,王佳紅.基于無人機的礦山地質環(huán)境監(jiān)測與礦山實景三維建模[B].地礦測繪,2018,34(1):45-47

[2]郜洪強、南貴軍等.河北省礦山地質環(huán)境治理模式[M].北京:地質出版社,2016.

[3]曹輝、何建勛.無人機航拍、VR全景和三維重建在基站查勘中的應用[B].通信世界,2017:54-55

[4]劉洋.無人機航空攝影測量技術在礦山地質環(huán)境治理中的應用分析[B].工程建設與設計,2018:267-268

[5]武泳串.傾斜攝影實景三維建模技術探討與實踐.基層建設,2018(11)

作者：張兆長 楊立宅 單位：河北省地礦局國土資源勘查中心