論傾斜攝影技術的濟南市地質環境監測

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摘要:利用傾斜攝影技術，采用SWDC－5航攝儀獲取濟南市監測礦山范圍內2019年傾斜影像，制作濟南市監測礦山范圍實景三維模型。疊加年度監測圖斑，對比2014—2018年監測成果，在Skyline平臺的礦山地質環境調查系統下進行數據融合和屬性掛接，通過內外業協同作業，對濟南市2018年礦山破壞性開采、超層越界等現象進行了調查，查明了礦山地質環境破壞、地質災害隱患等情況。結果表明:基于傾斜攝影技術開展礦山地質環境監測，數據處理自動化程度高、人員投入少，滿足了礦山地質環境管理需求的數據成果，生產周期較傳統方式縮短一半以上。

關鍵詞:傾斜攝影技術;實景三維;礦山監測;SWDC－5航攝儀;濟南市

0引言

濟南北部臨黃河，南部山區綿延起伏，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。濟南市四面環山，山體土層瘠薄，形成植被難度較大，經過多年無序開采后，部分山體已是遍體鱗傷，形成許多破損立面、山體缺口，同時濟南市散布的地質災害點也存在著巨大的安全隱患。濟南礦山的無序開發不僅造成了嚴重的環境污染問題，而且礦山周邊山體的亂采亂挖，也是滑坡、崩塌等地質災害頻發的重要誘因，給國家財產帶來重大損失，也會對人民的生命財產構成嚴重威脅。如何有效地監測礦山地質環境，特別是加強重點礦山開采區的監測與管理，是濟南市國土部門亟待解決的問題。礦山地質環境監測有多種方法［1］，有的在礦山里嵌入監測設備，有的在礦山周邊設置監測點，但是均不能很好地監測礦山開采邊界和礦山開采面現狀。從20世紀80年代開始，隨著國內外遙感衛星的不斷發射和對外提供高分辨率影像，遙感和GIS技術［2－3］在資源環境監測中發揮著不可替代的作用，遙感、航空攝影技術被大量用于礦山地質環境監測。常規礦山地質環境監測主要依靠群眾舉報的被動方式，通過二維航空航天遙感影像進行日常監管，不能及時、直觀地展示礦山開挖現狀，一些較小規模的偷采亂挖現象，在平面影像上不易辨識，丟漏現象嚴重。近年來傾斜攝影技術日益成熟，可以獲取多視角航空影像，快速制作高分辨率的實景三維地形模型［4］，紋理真實細膩，能夠真實還原現實世界，更加直觀地反映礦山開發現狀，管理及技術人員可以以“鷹眼”視角觀察和量測礦山開采、地質災害隱患現狀，足不出戶便可了解礦種、范圍分布等特征，減輕了外業核查勞動強度，應用于礦山地質環境監測取得了良好效果。本文以濟南市礦山地質環境監測為例，介紹了一種基于傾斜攝影技術的影像獲取、數據處理、三維監管平臺［5－6］開發與應用的全流程技術路線，為其他地區礦山地質環境監測提供了可借鑒的經驗。

1監測區及影像數據源

1．1監測區范圍

監測區包含濟南市下轄的歷下區、市中區、槐蔭區、天橋區、長清區、平陰縣，總面積為2716．16km2，地表礦山開采平面面積33．24km2，占比為1．2%。其中平陰縣、長清市、市中區、南部山區等礦山開采分布集中且密度大于4%的區域列為重點航測調查區，面積約為500km2，監測區范圍如圖1所示。

1．2影像數據源

一般監測區采用最新衛星影像進行調查，影像現勢性為2019年5月，影像分辨率為2m。重點監測區利用SWDC－5傾斜攝影航攝儀，獲取歷下區、市中區、槐蔭區、天橋區、長清區、平陰縣地表礦山開采重點監測區航空影像，影像分辨率為0．1m。SWDC－5是中國測繪科學院下屬的北京四維遠見信息技術有限公司率先自主研發的傾斜攝影設備，基于SWDC－5傾斜攝影技術進行影像獲取與數據處理具有以下特點:一是信息豐富，紋理真實細膩，傳統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間距較大，紋理粗糙易失真，SWDC－5除有一個子相機獲取正下方影像外，還可同時從前后左右4個方向以45°傾斜角對地面進行航攝，獲取被拍攝物的多視角影像。二是生產周期短，自動化程度高，常規DEM、DOM生產方式需要采集大量外業像控數據，經過特征邊線采集、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，利用少量像控成果，基于實景三維成果可自動提取滿足礦山地質環境調查需求的真正射影像，人工參與少，生產周期短。

2濟南市礦山地質環境監測技術特點及成果展示

2．1技術流程

濟南市礦山地質環境監測項目采用運－5B飛機配備SWDC－5傾斜相機，獲取礦山重點監測區傾斜航空影像，經過像控測量、空三加密生產監測區DEM和DOM，利用傾斜攝影測量技術進行重點監測區三維地貌真實重建，一般監測區采用2019年年初衛星影像進行解譯，利用數字正射影像數據加數字高程模型方法建立三維地形模型。通過影像解譯，結合歷史礦山開采信息，開展監測區2014—2018年礦山開采現狀圖斑提取及拓撲處理，并進行2018年礦山信息地面調查，查明礦山地質環境破壞、地質災害隱患等情況，建立2018年礦山地質環境航測監測數據庫、破損和地質災害隱患情況數據庫，最后在Skyline平臺［7－9］下進行數據融合和屬性掛接，開發監測調查信息管理系統，開展日常監測和統計分析。濟南市礦山地質環境監測總體技術流程如圖2所示。

2．2傾斜影像獲取與處理

采用運－5B飛機進行航攝，為滿足IMU誤差累計限差指標要求，每條航線最大平飛時間不超過20min，航線長度不超過80km，每架次至少飛行一條構架線。地面基站GPS接收機的性能應與機載GPS接收機性能匹配，采樣間隔不大于1s，GPS信號接收天線應帶抑徑板或抑徑圈，攝區內任意位置與最近地面基站或SDCORS站點的距離不大于50km。航攝完成后，采用INPHO軟件進行自動數字空三加密，在此基礎上經過DSM提取、DSM濾波、DEM鑲嵌、人工編輯等，制作用于DOM生產的DEM數據。利用Smart3D軟件，基于傾斜攝影數據進行真正射影像的提取，經過勻光勻色、數據分幅等工序，完成數字正射影像圖的制作。

2．3真實紋理實景三維模型實現

采用SWDC－5相機進行傾斜攝影，使用Smart3D自動完成影像配準、空三加密，利用空三成果自動三維建模及紋理映射，從而獲取調查區真實紋理的實景三維模型數據。相比于傳統的三維建模［10－11］，利用該技術生產的實景三維模型是航攝時的地物地貌真實重建，攝影范圍內的三維模型為無差別建模，模型紋理更加真實，分辨率更高。

2．4監測數據核查與成果分析

利用2018年獲取的礦山地質環境調查區影像數據，結合歷史礦山開采圖斑資料，提取2018年礦山開采現狀圖斑(重點監測區礦山開采現狀圖斑面積≥200m2，一般監測區礦山開采現狀圖斑面積≥400m2)，外業核實新增礦山開采圖斑的編號、轄區位置、面積、輪次、開采主礦、照片、調查單位及人員信息、備注等信息。在ArcGIS下建立礦山監測文件地理數據庫，導入2014—2018年礦山解譯及破損與隱患圖斑數據，對歷年礦山解譯及破損與隱患圖斑數據進行拓撲關系處理，建立礦山地質環境監測數據庫及破損和地質災害隱患情況數據庫。基于Skyline平臺進行二次開發，搭建起濟南市礦山地質環境監測管理系統，包含資源瀏覽、查詢檢索、決策分析和統計分析四大模塊，實現實景三維展示、空間量測、查詢檢索、統計分析等功能，把傳統的礦山信息二維展現和管理模式轉變成更加直觀的三維展現和管理模式，將實景三維、DOM、DEM、屬性信息等數據納入一張圖，更加便于礦山地質環境數據的維護更新。其中資源瀏覽功能能夠快速瀏覽濟南市的各年度影像、監測圖斑和地質災害隱患數據，實現了地圖水平、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POI信息和監測圖斑任意屬性進行圖斑查詢定位與信息顯示;決策分析功能是基于三維GIS高性能空間數據引擎，實現了飛行路線、地圖標繪和剖面、淹沒、挖填方、陰影、通視等空間分析;統計分析功能是通過Highcharts技術以一定統計單元統計監測圖斑在不同區域的面積分布和數量，并以圖表形式顯示和輸出。

3結束語

1)濟南市將基于國產SWDC－5設備的傾斜航空攝影技術引入到礦山地質環境調查領域，改變了全市傳統的礦山地質環境監測模式，由原來被動式的舉報監測及二維管理模式轉變為實景三維下的主動分析監測，首次為濟南市礦山地質環境調查提供了基礎實景數據，也為該領域后續數據更新和科學管理建設了全新的數據平臺。

2)通過實景可視化三維建模，能夠及時發現非法開采活動，可以對高陡的礦山工業場地邊坡、山區道路邊坡、露天采礦場邊坡、采空區山體邊部、高陡廢渣石堆及排土場等可能產生滑坡的斜坡體進行有效監測和預警。

3)基于Skyline創新性的開發了實景三維管理系統，具有高度兼容性和拓展延伸特性，不僅兼容傳統4D數據，還可實現實時定點監控視頻、全景影像等數據的融入，進一步提高濟南市礦山地質環境監測管理水平。

參考文獻:

［1］徐友寧．礦山地質環境調查研究現狀及展望［J］．地質通報，2008，27(8):1235－1244．

［2］王曉紅，聶洪峰，李成尊，等．不同遙感數據源在礦山開發狀況及環境調查中的應用［J］．國土資源遙感，2006，68(2):69－71．

［3］熊前進，柴小婷．資源3號衛星影像在礦山監測應用中的數據處理方法［J］．武鋼技術，2016，54(5):54－58，62．

［4］張建霞，劉宗杰，劉先林．國產數碼航攝儀應用于我國西部測圖分析［J］．測繪科學，2010，35(1):36－38．

［5］鄧潔，夏春林，王潤芳．基于SkylineTerrasuite的城市三維景觀的建立［J］．遙感技術與應用，2008，23(5):529－532．

作者：凌曉春  單位：山東省國土測繪院