矿山环境治理设计中三维模型的应用

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摘要：传统矿山治理设计以平面图为主，矿山地质环境现状不直观。采用无人机航空摄影技术构建三维可视模型，实现了矿山地质环境治理设计数据的可视化，可以简化面积、体积计算、工程模拟等工作，尤其对于面积较大的矿山，可大大提高工作效率、提高精度、节约成本。

关键词：三维模型；无人机航摄；矿山地质环境；治理设计

1引言

近年来，伴随中国生态文明建设的力度加大，矿山开发引起的地质环境问题得到前所未有的关注[1]。截至2013年底，全河北省共有矿山5225个[2]，其中廊坊市三河东部矿区治理示范工程（二期）总治理面积2.3km2，总治理资金约3.3亿，省政府要求在2018年底治理完成，工期紧、任务重。传统依靠相机、GPS、指北针和卷尺等进行勘查设计的方式已经不再适合新的需求。在此方面，新型的无人机和3D建模等技术为改变传统方式提供了可能[3]，三河示范工程在治理设计前、中、后三个阶段全面采用真三维模型技术，快速完成了高质量的施工设计方案。目前，随着我国电子信息的快速发展，数字航拍仪在质量和尺寸方面得到了极大的改进，尤其是数码航拍器的分辨率，得到了极大的提高[4]，同时，航空摄影测绘的三维影像技术也在高速发展，相比于之前的三维影像技术，三维影像技术具有精度高、效果真实、数据可靠的优点。使用GPS差分定位技术和三维点云技术可以生成矢量化三维影像模型，将此技术应用于矿山地质环境治理设计工作中，可以简化面积、体积计算、工程模拟等工作，提高工作效率。

2三维模型构建

航空摄影影像空三加密技术采用POS辅助的垂直影像和倾斜影像相联合平差方式，从而实现倾斜POS辅助光束法平差，建立工程需要导入的倾斜摄影影像、相机文件、POS数据及控制点数据，最终输出垂直与倾斜影像精确的外方位元素，加密点，根据求解出的外方位元素[5]，在所有影像间进行密集匹配。自动化空三加密，采用光束法区域网整体平差，以中心投影的共线方程作为平差单元的的基础方程，通过各光线束在空间的旋转和平移，使模型之间的公共光线实现最佳交会，将整体区域最佳地纳入到控制点坐标系中，从而确定加密点的地面坐标及相片的外方位元素，恢复地物间的空间位置关系。空中三角测量是倾斜摄影的关键环节，而其中的核心又在于解决倾斜影像的可靠高效同名点匹配问题，系统根据高精度的影像匹配算法，自动匹配出所有影像中的同名点，并从影像中抽取更多的特征点构成密集点云，从而更精确的表达地物细节。由空三和影像密集匹配后建立的影像之间的三角关系构成不规则三角网（TIN），再由TIN构成白模，软件从影像中计算对应的纹理，并自动将纹理映射到对应的白模上，最终形成真实三维模型。通过叠加矢量底面，在渲染层面实现单体化，以实现GIS功能，实现三维模型的动态性和灵活性管理。对所获取的航空摄影影像数据进行处理，使用专业软件进行三维影像模型、数字高程模型（DEM）和数字正射影像（DOM）建设。三维模型的构建流程为：航拍数据、POS数据、控制点—区域网连接点匹配—相差剔除—相控点测量—空三解算—空三测量结果—三维纹理模型构建—实景三维影像成果。

3三维模型在矿山治理设计中的应用

3.1三维模型在设计前期工作中的应用

矿山治理设计前期首先要充分掌握治理区的地质环境现状，对于治理面积较大的矿山，治理区信息多而杂，一方面传统的调查手段费时、费力、人员投入较大，高陡的残山无法上去，另一方面传统的地形图对微地貌、空间相对位置、各矿山地质环境问题的细节特征反映不直观。通过无人机航空摄影测绘生成三维模型，在室内可以解译90%以上的矿山环境问题，在三维影像基础上制定补充勘查路线，利用数据处理生成DOM数字正射影像图并与矢量化的基础地理数据进行套合作为手图，对解译不充分的地方进行野外补勘，大大减少人力物力。

3.2三维模型在土石方计算中的应用

土石方工程占施工费用的80%以上，土石方工程量计算的精确度影响整个设计及施工验收。传统的土石方计算最常用的方法是CASS叠加计算，导入原始地面高程，对设计高程赋值后两期数据叠加计算。由于治理面积大，挖填区块多，采用CASS计算非常繁琐，且原始采样点间距一般为2~5m，计算存在偏差。高分辨率的真三维模型高程点密集、精度高，可手动输入高程采样点间距，采样点间距可精确至0.1m，采用LocaSpaceViewer、Acute3DViewer等三维模型软件中的体积量算功能，可快速获取挖填区的周长、面积、切割体积、填充体积等参数，并且有两种模式可以选择，均值平面法和自定义平面法。均值平面法可自动识别周边高程，计算出挖填量。自定义平面法可手动赋值治理后高程，自动计算出设计标高的挖填方量。通过与CASS、HTCAD等土石方计算专业软件进行对比验证，计算精度高、速度快。

3.3三维模型在地质灾害设计中的应用

消除地质灾害是矿山治理的第一要务，但由于历史以来不规范的开采，治理区内形成100m以上的陡壁、残山、岩墙等，一方面传统的测量手段无法到达残山顶部，另一方面二维地形图无法反映出裂隙等细部特征。采用真三维模型可360°无死角查看地质灾害特征，掌子面及残山顶部崩塌后缘裂缝、滑坡两侧冲沟及后缘错台等，可以直接量取裂隙的长宽、危岩体体积等参数，然后利用CAD中的赤平投影cpty功能对边坡稳定性进行分析。另外，高分辨率的影像纹理能够直观反映崩落体距离坡脚的位置，为矿山地质灾害治理设计提供详实可靠的依据。

3.4三维模型在线性工程设计中的应用

矿山设计中道路、供排水等线性工程对地形起伏要求比较严，道路地形起伏不超过8%，排水工程要求地形全部为下坡，且大型治理项目线性工程横穿整个治理区，涉及的地物较多。通过实景真三维模型，可随时查看穿越区域的植被类型、农田、果园、水井、变压器、房屋等地物类型，根据道路垫层和面层宽度、排水渠开挖断面等，在实景三维模型上调整穿越路线，达到压占地物少、补偿费用少、地形坡度合理、设计方案最优的目的。

3.5三维模型在景观设计中的应用

最大限度恢复生态和地形地貌景观是矿山治理的最终目的，尤其对于风景名胜区、城市规划区、公路、铁路、湖泊、水库等“三区两线”范围内的矿山，省政府对矿山地貌景观恢复要求较高。利用三维模型，可以将模型与线性区域所处的高程拉在同一平面内，全方位察看矿山破坏的可视区域，LocaSpaceViewer分析界面中的高度测量功能，可截取任意高程界面以上的区域，圈定重点治理范围，做到有重点、不遗漏、高精度的工程设计。

3.6三维模型在设计效果图制作中的应用

以往矿山治理效果图的制作常采用Photoshop简单处理方式为平面效果，实景三维模型可以利用真三维建模渲染软件Acute3D、SketchUP、3DSMAX、Lumion等进行处理，达到真三维模拟治理效果，全方位展示治理成效。三维效果制作流程为：SketchUP建模—Lumion调参—渲染—调色。SketchUP是一款简单易操作的三维建模软件，效果图制作一般以构建的真三维模型为基础，然后利用SketchUP建立亭台楼阁、库坝、挡墙、蓄水池、公路等模块，另外可结合Lumion强大的植物、人物等模型库，构建不同的治理效果场景。Lumion材质库对普通材质有很好的展示效果，另外可在材质面板中直接调整材质的风化程度、类型等，最终形成的矿山治理效果图接近于自然，对指导矿山施工具有很大的意义。施工完成后再进行一次航摄建模，与治理效果进行对比可作为后期验收的直观依据。

4结语

经过实践应用验证，高分辨率的三维模型在矿山治理施工设计的补充勘查、土石方计算、地质灾害设计、线性工程设计、景观设计、效果图设计等方面均有独特的优势，达到准确的参数设计、良好的治理效果。另外，可借助三维模型与施工管理有机结合，模拟施工现场布置、优化材料储存和运输路径、避免大型吊装机械的潜在碰撞，提高效率、节约成本。总之，通过本项目三维模型在治理工程设计中的实践经验，以期为其它矿山治理工程提供借鉴。

参考文献

[1]王耿明,朱俊凤,陈捷,王佳红.基于无人机的矿山地质环境监测与矿山实景三维建模[B].地矿测绘,2018,34(1):45-47

[2]郜洪强、南贵军等.河北省矿山地质环境治理模式[M].北京:地质出版社,2016.

[3]曹辉、何建勋.无人机航拍、VR全景和三维重建在基站查勘中的应用[B].通信世界,2017:54-55

[4]刘洋.无人机航空摄影测量技术在矿山地质环境治理中的应用分析[B].工程建设与设计,2018:267-268

[5]武泳串.倾斜摄影实景三维建模技术探讨与实践.基层建设,2018(11)

作者：张兆长 杨立宅 单位：河北省地矿局国土资源勘查中心