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88 2024 年第 1 期 中国非金属矿工业导刊 总第 163 期【技术方法】融合机载 LiDAR 与摄影测量技术在矿山迹地修复中的应用研究李茂智1，李睿嘉2，刘宇骁2，龚国辉3(1.中冶一局（河北）地质科技有限公司，河北 沧州066000；2.陕西科技大学阿尔斯特学院，陕西 西安710021；3.北京华星勘查新技术有限公司,北京101102)【摘要】随着矿产资源的大力开发利用，出现一系列资源枯竭、环境污染、生态破坏的问题，使得矿山生态环境快速、有效的修复治理成为我国生态文明建设中重点关注的问题。然而，传统作业方法在环境恶劣的山区地形测绘中存在作业盲区多、难度大、成本高且安全隐患大等问题。因此，本文融合机载激光雷达和摄影测量技术从空中获取到矿山迹地完整、高精度的三维激光点云数据与高分辨率影像数据。再经过数据融合与后处理生成高精细数字高程模型以及各类专题图成果，在矿山迹地修复规划中林木资源调查、填挖方量计算、地形地貌变化分析及安全风险评估等各项工作中提供有力的技术与数据支持。【关键词】无人机；激光雷达；摄影测量；矿山；迹地修复【中图分类号】P237 【文献标识码】A【文章编号】1007-9386(2024)01-0088-04Application and Research of the Fusion of Airborne LiDAR and Photogrammetry Technology in Mined-land RestorationLI Mao-zhi1,LI Rui-jia2,LIU Yu-xiao2,GONG Guo-hui3(1.MCC First Bureau(Hebei)Geological Technology Company Limited,Cangzhou 066000,China;2.Shaanxi university of science and technology Ulster college,Xian 710021,China;3.Beijing Huaxing Exploration of New Technology Company Limited,Beijing 101102,China)Abstract:With the vigorous development and utilization of mineral resources,there are a series of problems such as resource depletion,environmental pollution and ecological destruction,which made the rapid and effective restoration and treatment of mine ecological environment become the focus of attention in the construction of ecological civilization in China.However,the traditional operation method has many problems,such as many blind areas,great difficulty,high cost and great potential safety hazard in the surveying and mapping of mountainous terrain in harsh environment.Therefore,this paper combined airborne lidar and photogrammetry technology to obtain complete and high-precision 3D laser point cloud data and high-resolution image data from the air to the mined-land.Then,through data fusion and post-processing,high-precision digital elevation model and various thematic map results are generated,which provide strong technical and data support for forest resource investigation,filling and excavation volume calculation,topography change analysis and safety risk assessment in mined-land restoration planning.Key words:unmanned aerial vehicle;laser radar;photogrammetry;mine;mined-land restoration近年来，随着社会经济的快速发展，人类生产活动对生态环境的破坏越加严重，原有矿山无序开采形成的开挖边坡、矿区道路及设施等修建形成的裸露创面、废弃料的堆置场、矿渣粉末堆放的尾矿库等，具有坡度陡、岩石裸露、立地条件恶劣、植被破损严重、生态恢复难度大等特点1。为大力推进生态文明建设，2021 年底，财政部、自然资源部决定支持开展历史遗留废弃矿山生态治理工作，主要针对存在严重水土流失的高陡边坡、排土场、弃渣场，以及易引发自然灾害和具有安全隐患的矿山【作者简介】李茂智(1992-)，男，汉，工程师，学士，主要研究方向为航空摄影测量技术，E-mail：。【引文格式】李茂智,李睿嘉,刘宇骁,等.融合机载 LiDAR 与摄影测量技术在矿山迹地修复中的应用研究 J.中国非金属矿工业导刊,2024(1):88-91.废弃地等。治理内容包括地质安全隐患消除、地形重塑、植被恢复、废弃土地复垦利用等，着力提升生态系统质量和碳汇能力2。面对矿山迹地十分恶劣的环境条件，传统测量作业方法效率低、成果粗糙且安全系数低，无法满足实际生产需求3。而机载 激 光 雷 达(Light Detection and Ranging，LIDAR)结合无人机摄影测量技术具有机动灵活、高效快速、精细准确、较高的植被穿透性、作业成本低、适用范围广、生产周期短等特点，在小区域和飞行困难地区也能快速获得高精细的地表模型，在矿山迹地89修复测量工程中具有明显优势及应用前景4。1摄影测量与机载 LiDAR 技术无人机摄影测量技术作为矿山生态环境监测工作中应用最普遍的技术方法，通过搭载不同的传感器获取地面高清影像数据，在此基础上获取地物、地形数据，建立数字高程模型、数字正射影像、各类数字线划专题图等成果5。但存在一定的不足：植被遮挡严重，无法获得植被垂直结构数据与植被下准确的地表信息；精度较低，受限于地表上地物复杂程度、光线强度及硬件条件，使得摄影测量定量化成果精度始终较低；数据量巨大，随着测量精度的提高，数据量呈几何式增长，数据处理成本较高6。机载 LiDAR 是近年来发展最为迅猛的一项集激光器、全球卫星定位系统(GNSS)、惯性导航系统(IMU)、无人机、高分辨率相机等设备于一身的主动式测量技术7。其强穿透性、实时性和全天时作业等特点弥补了无人机摄影测量易受到植被、光线影响及精度较低等不足8。两者相结合，二维高分辨率影像数据的色彩、纹理信息可以融合到激光雷达采集的三维点云数据上，两项技术相辅相成，适用于各种环境条件的地形测绘，实现高效快速的获取高精度的地表数据。2数据获取与处理本研究以秦皇岛市海港区北部的石门寨镇一处矿山废弃地为例，采用机载 LiDAR 结合摄影测量技术，以获取矿山迹地高分辨率正射影像、高精细的数字高程模型及专题图件成果。2.1 测区概况测区位于秦皇岛市海港区北部的石门寨镇，东南与山海关接壤，南与海港区毗邻，西北与青龙满族自治县相连。地处半山区的柳江盆地，西高东低，多为低缓的剥蚀丘陵，起伏不平。境内矿产资源丰富，主要有无烟煤、耐火黏土、石灰岩等，但由于历史上矿产过度开采，形成了大量山体裸露地貌的“白苒山”，变为地球的“伤疤”，是矿山环境治理的硬骨头。2.2 数据获取流程本文主要运用华测大黄蜂 BB4 四旋翼无人机、AS-900H 多平台激光雷达系统以及 AS-420 正射单相机作为数据采集主要设备(图 1)。基于无人机摄影测量技术和机载 LiDAR 技术，利用无人机搭载激光雷达扫描仪与高分辨率正射单相机同时获取地面三维激光点云数据与高分辨率正射影像数据。其中通过融合高分辨率航拍影像与三维激光点云数据获取矿山迹地完整、高精度的各类数据成果，应用于矿山迹地的修复工程之中9。具体作业流程见图 2，其中主要依据数据成果质量与精度需求制定相应的飞行计划，利用已有的界址坐标信息或测区范围数据以及现场踏勘情况规划航飞区域与路线，包括飞行的高度、速度、航向间距等参数。防止由于距离过远导致地面站与飞行器长时间断开连接而出现危险，可以保证数据质量的同时提高作业效率。图 1主要设备及参数图 2作业流程图2.3 数据处理与精度检验2.3.1 数据解算与后处理摄影测量数据处理主要有数字影像匹配、空中三角解算等步骤，运用 Smart3D 软件导入照片组、相机参数信息、POS 文件以及控制点等数据进行空三解算、像控点平差、影像拼接等自动化数据处理流程，完成三维模型构建及数字正射影像图的生产10；机载 LiDAR 数据处理主要包括激光点云解算、坐标李茂智等：融合机载 LiDAR 与摄影测量技术在矿山迹地修复中的应用研究90转换、点云数据后处理等步骤，运用华测配套软件Copre 导入惯导数据、基站数据、原始激光数据以及控制点等数据进行自动化的三维激光点云解算处理，获得通用的 LAS 格式三维点云数据11-12；再运用LiDAR360 软件实现高精度的数字正射影像数据与三维点云数据的融合，经过去噪、滤波、分类、纹理映射等后处理操作，获得具有真彩色的高精度三维激光点云数据13。2.3.2 点云数据成果精度检验为验证 LiDAR 激光点云数据精度，选取均匀覆盖现场的 30 个检查点进行高程误差检验，结果显示高程中误差为 0.03m；经过点云密度量测，测区整体点云密度为 74 点/m2；利用 LiDAR360 软件进行航线质量检查，结果显示航线弯曲度 0.1%，航高容差小于 0.1%，航带重叠度超过 50%。依据机载激光雷达数据获取成果质量检验技术规程等技术规程，点云数据高程中误差在山地地区不超过 0.5m，1:500 地形图点云密度 16 点/m2，航线重叠度 20%，航高变化 10%，航线弯曲度3%，本文点云数据成果精度均满足成果验收标准。3矿山迹地修复重难点分析3.1 矿区林木资源调查对于矿区内林木植被恢复情况的调查研究，主要通过对三维激光点云进行滤波分类、单木分割处理(图 3、表 1)，获取矿区内精确完整的数字高程模型、数字表面模型并构建冠层高度模型，结合部分树木实测的树高、胸径、冠幅面积等单木属性计算出矿区内全部林木的单木信息14。经过对矿区内林木属性表进行统计分析，再对比往期数据获取矿区内林木植被覆盖度、叶面积指数以及植被破坏面积等林木资源恢复情况，为后续矿山迹地生态修复治理工作提供数据支持。理议题，其中包括废石堆积地、采矿废弃地、尾矿废弃地、采矿占用废弃土地等未经治理而无法使用的土地15。而矿山废弃地修复再利用的工作中，准确获取矿山范围内真实的地形、地貌数据尤为重要。为了构建矿区数字高程模型，利用三维激光点云经过滤波处理，获取矿山高精度的地面点云数据16，基于地面点云数据构建精细化的数字高程模型并生成高程点、等高线等数据成果(图 4)。运用三角网法、方格网法、断面法或数字高程模型法精确计算出矿山迹地修复规划中涉及的填挖土方量及修复治理工程的经费预算；同时通过对比矿区的多期地形数据，准确地获取矿山迹地治理工程进度及治理效果17-18。图 3单木分割图 编号 树高/m 树冠直径/m 树冠面积/m2 树冠体积/m3 1 6.383 3.558 9.942 26.419 2 5.993 3.626 10.325 23.322 3 5.806 6.553 33.728 77.11 4 7.409 6.024 28.502 84.079 5 5.373 3.922 12.078 28.662表 1单木分割信息图 4数字高程模型生成等高线图3.3 矿区地形环境分析运用摄影测量技术获取矿区范围内高分辨率影像数据，经过逐个像元投影差改正、影像拼接、裁剪可获取矿区数字正射影像成果数据19。结合三维激光点云数据，地面分辨率精度达到 0.03 0.10m，具有精度高、纹理信息丰富、直观逼真、获取快捷等优点，进过数字化制图，可从中提取矿山目标体积、面积、长宽等几何信息以及地形地貌变化特性和社会经济发展的历史信息或最新信息20。在矿山废弃迹地的修复规划建设过程中，基于两类数据能够清晰的呈现出待修复迹地的地形、地貌、各类地物详细的二维、三维几何信息和属性信息，包括尾矿类型、堆积位置、分布情况、荒地范围及地形起伏情况、道路建设情况、建筑物建设情况、林草植被恢复及分布情况等(图 5)。同时通过高精细的 DEM模型进行地形坡度分析，依据农用地质量分等规程等技术规范，可将矿区地形坡度划分为 0 2、2 6、6 15、15 25 和 25 五级(图 6)，一方面可以应用于各类地物要素的空间量算与规划建设，另一方面也为矿区废弃地修复建设过程中安3.2 矿区数字高程模型应用在“金山银山不如绿水青山”的环境目标下，发展绿色矿业、修复矿山废弃地成为重要的环境治 2024 年第 1 期 中国非金属矿工业导刊 总第 163 期91境的限制，消除作业盲区，并且大大提高了作业效率。(3)利用三维激光点云数据可对矿山迹地地区的林木资源恢复情况进行摸排，为迹地环境绿化恢复工作提供数据支撑。(4)融合三维激光点云数据与数字正射影像数据，能够完整的展示出迹地修复区域所有的地物信息，包括植被覆盖之下的地形信息。可利用高精细的数字高程模型精确计算填挖方量并进行三维展示，直观有效地辅助与迹地修复建设规划工作。(5)基于全方位、无死角的三维激光点云数据与纹理信息丰富的数字正射影像可绘制出矿山迹地的地势坡度分级图、地质图、地貌图、地形图、植被图等各种专题图，服务于迹地修复中各类规划工作以及建设安全管理工作，实现数据的一次采集，多次使用，多处使用。可以预见融合机载 LiDAR 和摄影测量技术在矿山迹地修复建设工作中具有很大的开发利用空间与市场应用前景。【参考文献】1 陈军,成金华.中国矿产资源开发利用的环境影响 J.中国人口 资源与环境,2015,25(3):111-119.2 张 英 亮,张 兄 明.绿 色 矿 山 建 设 浅 析 J.中 国 非 金 属 矿 工 业 导刊,2019(2):64-65,63.3 姜杉钰,张凤仪,莫楠.矿山生态修复治理模式研究与对策建议 以北京市为例 J.中国非金属矿工业导刊,2022(5):59-62.4 吕国屏,廖承锐,高媛赟,等.激光雷达技术在矿山生态环境监测中的应用 J.生态与农村环境学报,2017,33(7):577-585.5 邱敏,邓雄文,李媛媛.倾斜摄影测量技术在矿山生态修复调查中的应用 以南沙吸水角石场为例 J.北京测绘,2021,35(6):765-768.6 袁 洪.航 测 在 矿 山 生 态 功 能 修 复 工 程 中 的 应 用 J.测 绘 通报,2022(S2):222-226.7 赵小平,王坚,刘文龙.“绿色矿山”建设中的 3S 技术支持 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融合摄影测量技术在矿山废弃迹地修复建设过程中的应用分析，得出以下结论。(1)三维激光点云数据与数字正射影像数据成果在精度上满足 1:500 及更精细的地形图测绘工作，完全满足矿山迹地修复规划建设需求。(2)运用机载 LiDAR 融合摄影测量技术开展矿山迹地地区的测量工作，有效地克服了恶劣地形环图 6地形坡度分级图李茂智等：融合机载 LiDAR 与摄影测量技术在矿山迹地修复中的应用研究