礦山環(huán)境治理設(shè)計(jì)中三維模型的應(yīng)用

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摘要：傳統(tǒng)礦山治理設(shè)計(jì)以平面圖為主，礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀不直觀。采用無人機(jī)航空攝影技術(shù)構(gòu)建三維可視模型，實(shí)現(xiàn)了礦山地質(zhì)環(huán)境治理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的可視化，可以簡(jiǎn)化面積、體積計(jì)算、工程模擬等工作，尤其對(duì)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(guān)鍵詞：三維模型；無人機(jī)航攝；礦山地質(zhì)環(huán)境；治理設(shè)計(jì)

1引言

近年來，伴隨中國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的力度加大，礦山開發(fā)引起的地質(zhì)環(huán)境問題得到前所未有的關(guān)注[1]。截至2013年底，全河北省共有礦山5225個(gè)[2]，其中廊坊市三河?xùn)|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(wù)重。傳統(tǒng)依靠相機(jī)、GPS、指北針和卷尺等進(jìn)行勘查設(shè)計(jì)的方式已經(jīng)不再適合新的需求。在此方面，新型的無人機(jī)和3D建模等技術(shù)為改變傳統(tǒng)方式提供了可能[3]，三河示范工程在治理設(shè)計(jì)前、中、后三個(gè)階段全面采用真三維模型技術(shù)，快速完成了高質(zhì)量的施工設(shè)計(jì)方案。目前，隨著我國(guó)電子信息的快速發(fā)展，數(shù)字航拍儀在質(zhì)量和尺寸方面得到了極大的改進(jìn)，尤其是數(shù)碼航拍器的分辨率，得到了極大的提高[4]，同時(shí)，航空攝影測(cè)繪的三維影像技術(shù)也在高速發(fā)展，相比于之前的三維影像技術(shù)，三維影像技術(shù)具有精度高、效果真實(shí)、數(shù)據(jù)可靠的優(yōu)點(diǎn)。使用GPS差分定位技術(shù)和三維點(diǎn)云技術(shù)可以生成矢量化三維影像模型，將此技術(shù)應(yīng)用于礦山地質(zhì)環(huán)境治理設(shè)計(jì)工作中，可以簡(jiǎn)化面積、體積計(jì)算、工程模擬等工作，提高工作效率。

2三維模型構(gòu)建

航空攝影影像空三加密技術(shù)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(shí)現(xiàn)傾斜POS輔助光束法平差，建立工程需要導(dǎo)入的傾斜攝影影像、相機(jī)文件、POS數(shù)據(jù)及控制點(diǎn)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(diǎn)，根據(jù)求解出的外方位元素[5]，在所有影像間進(jìn)行密集匹配。自動(dòng)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(chǔ)方程，通過各光線束在空間的旋轉(zhuǎn)和平移，使模型之間的公共光線實(shí)現(xiàn)最佳交會(huì)，將整體區(qū)域最佳地納入到控制點(diǎn)坐標(biāo)系中，從而確定加密點(diǎn)的地面坐標(biāo)及相片的外方位元素，恢復(fù)地物間的空間位置關(guān)系。空中三角測(cè)量是傾斜攝影的關(guān)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(diǎn)匹配問題，系統(tǒng)根據(jù)高精度的影像匹配算法，自動(dòng)匹配出所有影像中的同名點(diǎn)，并從影像中抽取更多的特征點(diǎn)構(gòu)成密集點(diǎn)云，從而更精確的表達(dá)地物細(xì)節(jié)。由空三和影像密集匹配后建立的影像之間的三角關(guān)系構(gòu)成不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN），再由TIN構(gòu)成白模，軟件從影像中計(jì)算對(duì)應(yīng)的紋理，并自動(dòng)將紋理映射到對(duì)應(yīng)的白模上，最終形成真實(shí)三維模型。通過疊加矢量底面，在渲染層面實(shí)現(xiàn)單體化，以實(shí)現(xiàn)GIS功能，實(shí)現(xiàn)三維模型的動(dòng)態(tài)性和靈活性管理。對(duì)所獲取的航空攝影影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使用專業(yè)軟件進(jìn)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(shè)。三維模型的構(gòu)建流程為：航拍數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)、控制點(diǎn)—區(qū)域網(wǎng)連接點(diǎn)匹配—相差剔除—相控點(diǎn)測(cè)量—空三解算—空三測(cè)量結(jié)果—三維紋理模型構(gòu)建—實(shí)景三維影像成果。

3三維模型在礦山治理設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1三維模型在設(shè)計(jì)前期工作中的應(yīng)用

礦山治理設(shè)計(jì)前期首先要充分掌握治理區(qū)的地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀，對(duì)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(fèi)時(shí)、費(fèi)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(duì)微地貌、空間相對(duì)位置、各礦山地質(zhì)環(huán)境問題的細(xì)節(jié)特征反映不直觀。通過無人機(jī)航空攝影測(cè)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(chǔ)上制定補(bǔ)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(chǔ)地理數(shù)據(jù)進(jìn)行套合作為手圖，對(duì)解譯不充分的地方進(jìn)行野外補(bǔ)勘，大大減少人力物力。

3.2三維模型在土石方計(jì)算中的應(yīng)用

土石方工程占施工費(fèi)用的80%以上，土石方工程量計(jì)算的精確度影響整個(gè)設(shè)計(jì)及施工驗(yàn)收。傳統(tǒng)的土石方計(jì)算最常用的方法是CASS疊加計(jì)算，導(dǎo)入原始地面高程，對(duì)設(shè)計(jì)高程賦值后兩期數(shù)據(jù)疊加計(jì)算。由于治理面積大，挖填區(qū)塊多，采用CASS計(jì)算非常繁瑣，且原始采樣點(diǎn)間距一般為2~5m，計(jì)算存在偏差。高分辨率的真三維模型高程點(diǎn)密集、精度高，可手動(dòng)輸入高程采樣點(diǎn)間距，采樣點(diǎn)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(zhǎng)、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(dòng)識(shí)別周邊高程，計(jì)算出挖填量。自定義平面法可手動(dòng)賦值治理后高程，自動(dòng)計(jì)算出設(shè)計(jì)標(biāo)高的挖填方量。通過與CASS、HTCAD等土石方計(jì)算專業(yè)軟件進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，計(jì)算精度高、速度快。

3.3三維模型在地質(zhì)災(zāi)害設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

消除地質(zhì)災(zāi)害是礦山治理的第一要?jiǎng)?wù)，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(cè)量手段無法到達(dá)殘山頂部，另一方面二維地形圖無法反映出裂隙等細(xì)部特征。采用真三維模型可360°無死角查看地質(zhì)災(zāi)害特征，掌子面及殘山頂部崩塌后緣裂縫、滑坡兩側(cè)沖溝及后緣錯(cuò)臺(tái)等，可以直接量取裂隙的長(zhǎng)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(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)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(zhì)災(zāi)害治理設(shè)計(jì)提供詳實(shí)可靠的依據(jù)。

3.4三維模型在線性工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

礦山設(shè)計(jì)中道路、供排水等線性工程對(duì)地形起伏要求比較嚴(yán)，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(xiàng)目線性工程橫穿整個(gè)治理區(qū)，涉及的地物較多。通過實(shí)景真三維模型，可隨時(shí)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(shí)景三維模型上調(diào)整穿越路線，達(dá)到壓占地物少、補(bǔ)償費(fèi)用少、地形坡度合理、設(shè)計(jì)方案最優(yōu)的目的。

3.5三維模型在景觀設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

最大限度恢復(fù)生態(tài)和地形地貌景觀是礦山治理的最終目的，尤其對(duì)于風(fēng)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(duì)礦山地貌景觀恢復(fù)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(cè)量功能，可截取任意高程界面以上的區(qū)域，圈定重點(diǎn)治理范圍，做到有重點(diǎn)、不遺漏、高精度的工程設(shè)計(jì)。

3.6三維模型在設(shè)計(jì)效果圖制作中的應(yīng)用

以往礦山治理效果圖的制作常采用Photoshop簡(jiǎn)單處理方式為平面效果，實(shí)景三維模型可以利用真三維建模渲染軟件Acute3D、SketchUP、3DSMAX、Lumion等進(jìn)行處理，達(dá)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?！狶umion調(diào)參—渲染—調(diào)色。SketchUP是一款簡(jiǎn)單易操作的三維建模軟件，效果圖制作一般以構(gòu)建的真三維模型為基礎(chǔ)，然后利用SketchUP建立亭臺(tái)樓閣、庫壩、擋墻、蓄水池、公路等模塊，另外可結(jié)合Lumion強(qiáng)大的植物、人物等模型庫，構(gòu)建不同的治理效果場(chǎng)景。Lumion材質(zhì)庫對(duì)普通材質(zhì)有很好的展示效果，另外可在材質(zhì)面板中直接調(diào)整材質(zhì)的風(fēng)化程度、類型等，最終形成的礦山治理效果圖接近于自然，對(duì)指導(dǎo)礦山施工具有很大的意義。施工完成后再進(jìn)行一次航攝建模，與治理效果進(jìn)行對(duì)比可作為后期驗(yàn)收的直觀依據(jù)。

4結(jié)語

經(jīng)過實(shí)踐應(yīng)用驗(yàn)證，高分辨率的三維模型在礦山治理施工設(shè)計(jì)的補(bǔ)充勘查、土石方計(jì)算、地質(zhì)災(zāi)害設(shè)計(jì)、線性工程設(shè)計(jì)、景觀設(shè)計(jì)、效果圖設(shè)計(jì)等方面均有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到準(zhǔn)確的參數(shù)設(shè)計(jì)、良好的治理效果。另外，可借助三維模型與施工管理有機(jī)結(jié)合，模擬施工現(xiàn)場(chǎng)布置、優(yōu)化材料儲(chǔ)存和運(yùn)輸路徑、避免大型吊裝機(jī)械的潛在碰撞，提高效率、節(jié)約成本。總之，通過本項(xiàng)目三維模型在治理工程設(shè)計(jì)中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以期為其它礦山治理工程提供借鑒。

參考文獻(xiàn)

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作者：張兆長(zhǎng) 楊立宅 單位：河北省地礦局國(guó)土資源勘查中心