论倾斜摄影技术的济南市地质环境监测

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摘要:利用倾斜摄影技术，采用SWDC－5航摄仪获取济南市监测矿山范围内2019年倾斜影像，制作济南市监测矿山范围实景三维模型。叠加年度监测图斑，对比2014—2018年监测成果，在Skyline平台的矿山地质环境调查系统下进行数据融合和属性挂接，通过内外业协同作业，对济南市2018年矿山破坏性开采、超层越界等现象进行了调查，查明了矿山地质环境破坏、地质灾害隐患等情况。结果表明:基于倾斜摄影技术开展矿山地质环境监测，数据处理自动化程度高、人员投入少，满足了矿山地质环境管理需求的数据成果，生产周期较传统方式缩短一半以上。

关键词:倾斜摄影技术;实景三维;矿山监测;SWDC－5航摄仪;济南市

0引言

济南北部临黄河，南部山区绵延起伏，海拔500—900m;中部丘陵海拔200—500m;北部冲积平原海拔25—50m。山地丘陵约3000km2，平原约5000km2，南北高差大于1100m。济南市四面环山，山体土层瘠薄，形成植被难度较大，经过多年无序开采后，部分山体已是遍体鳞伤，形成许多破损立面、山体缺口，同时济南市散布的地质灾害点也存在着巨大的安全隐患。济南矿山的无序开发不仅造成了严重的环境污染问题，而且矿山周边山体的乱采乱挖，也是滑坡、崩塌等地质灾害频发的重要诱因，给国家财产带来重大损失，也会对人民的生命财产构成严重威胁。如何有效地监测矿山地质环境，特别是加强重点矿山开采区的监测与管理，是济南市国土部门亟待解决的问题。矿山地质环境监测有多种方法［1］，有的在矿山里嵌入监测设备，有的在矿山周边设置监测点，但是均不能很好地监测矿山开采边界和矿山开采面现状。从20世纪80年代开始，随着国内外遥感卫星的不断发射和对外提供高分辨率影像，遥感和GIS技术［2－3］在资源环境监测中发挥着不可替代的作用，遥感、航空摄影技术被大量用于矿山地质环境监测。常规矿山地质环境监测主要依靠群众举报的被动方式，通过二维航空航天遥感影像进行日常监管，不能及时、直观地展示矿山开挖现状，一些较小规模的偷采乱挖现象，在平面影像上不易辨识，丢漏现象严重。近年来倾斜摄影技术日益成熟，可以获取多视角航空影像，快速制作高分辨率的实景三维地形模型［4］，纹理真实细腻，能够真实还原现实世界，更加直观地反映矿山开发现状，管理及技术人员可以以“鹰眼”视角观察和量测矿山开采、地质灾害隐患现状，足不出户便可了解矿种、范围分布等特征，减轻了外业核查劳动强度，应用于矿山地质环境监测取得了良好效果。本文以济南市矿山地质环境监测为例，介绍了一种基于倾斜摄影技术的影像获取、数据处理、三维监管平台［5－6］开发与应用的全流程技术路线，为其他地区矿山地质环境监测提供了可借鉴的经验。

1监测区及影像数据源

1．1监测区范围

监测区包含济南市下辖的历下区、市中区、槐荫区、天桥区、长清区、平阴县，总面积为2716．16km2，地表矿山开采平面面积33．24km2，占比为1．2%。其中平阴县、长清市、市中区、南部山区等矿山开采分布集中且密度大于4%的区域列为重点航测调查区，面积约为500km2，监测区范围如图1所示。

1．2影像数据源

一般监测区采用最新卫星影像进行调查，影像现势性为2019年5月，影像分辨率为2m。重点监测区利用SWDC－5倾斜摄影航摄仪，获取历下区、市中区、槐荫区、天桥区、长清区、平阴县地表矿山开采重点监测区航空影像，影像分辨率为0．1m。SWDC－5是中国测绘科学院下属的北京四维远见信息技术有限公司率先自主研发的倾斜摄影设备，基于SWDC－5倾斜摄影技术进行影像获取与数据处理具有以下特点:一是信息丰富，纹理真实细腻，传统方式获取的正射影像制作的三维地形模型由于高程模型格网间距较大，纹理粗糙易失真，SWDC－5除有一个子相机获取正下方影像外，还可同时从前后左右4个方向以45°倾斜角对地面进行航摄，获取被拍摄物的多视角影像。二是生产周期短，自动化程度高，常规DEM、DOM生产方式需要采集大量外业像控数据，经过特征边线采集、DEM人工编辑、正射纠正等大量工序，人工参与量大，采用倾斜摄影技术，利用少量像控成果，基于实景三维成果可自动提取满足矿山地质环境调查需求的真正射影像，人工参与少，生产周期短。

2济南市矿山地质环境监测技术特点及成果展示

2．1技术流程

济南市矿山地质环境监测项目采用运－5B飞机配备SWDC－5倾斜相机，获取矿山重点监测区倾斜航空影像，经过像控测量、空三加密生产监测区DEM和DOM，利用倾斜摄影测量技术进行重点监测区三维地貌真实重建，一般监测区采用2019年年初卫星影像进行解译，利用数字正射影像数据加数字高程模型方法建立三维地形模型。通过影像解译，结合历史矿山开采信息，开展监测区2014—2018年矿山开采现状图斑提取及拓扑处理，并进行2018年矿山信息地面调查，查明矿山地质环境破坏、地质灾害隐患等情况，建立2018年矿山地质环境航测监测数据库、破损和地质灾害隐患情况数据库，最后在Skyline平台［7－9］下进行数据融合和属性挂接，开发监测调查信息管理系统，开展日常监测和统计分析。济南市矿山地质环境监测总体技术流程如图2所示。

2．2倾斜影像获取与处理

采用运－5B飞机进行航摄，为满足IMU误差累计限差指标要求，每条航线最大平飞时间不超过20min，航线长度不超过80km，每架次至少飞行一条构架线。地面基站GPS接收机的性能应与机载GPS接收机性能匹配，采样间隔不大于1s，GPS信号接收天线应带抑径板或抑径圈，摄区内任意位置与最近地面基站或SDCORS站点的距离不大于50km。航摄完成后，采用INPHO软件进行自动数字空三加密，在此基础上经过DSM提取、DSM滤波、DEM镶嵌、人工编辑等，制作用于DOM生产的DEM数据。利用Smart3D软件，基于倾斜摄影数据进行真正射影像的提取，经过匀光匀色、数据分幅等工序，完成数字正射影像图的制作。

2．3真实纹理实景三维模型实现

采用SWDC－5相机进行倾斜摄影，使用Smart3D自动完成影像配准、空三加密，利用空三成果自动三维建模及纹理映射，从而获取调查区真实纹理的实景三维模型数据。相比于传统的三维建模［10－11］，利用该技术生产的实景三维模型是航摄时的地物地貌真实重建，摄影范围内的三维模型为无差别建模，模型纹理更加真实，分辨率更高。

2．4监测数据核查与成果分析

利用2018年获取的矿山地质环境调查区影像数据，结合历史矿山开采图斑资料，提取2018年矿山开采现状图斑(重点监测区矿山开采现状图斑面积≥200m2，一般监测区矿山开采现状图斑面积≥400m2)，外业核实新增矿山开采图斑的编号、辖区位置、面积、轮次、开采主矿、照片、调查单位及人员信息、备注等信息。在ArcGIS下建立矿山监测文件地理数据库，导入2014—2018年矿山解译及破损与隐患图斑数据，对历年矿山解译及破损与隐患图斑数据进行拓扑关系处理，建立矿山地质环境监测数据库及破损和地质灾害隐患情况数据库。基于Skyline平台进行二次开发，搭建起济南市矿山地质环境监测管理系统，包含资源浏览、查询检索、决策分析和统计分析四大模块，实现实景三维展示、空间量测、查询检索、统计分析等功能，把传统的矿山信息二维展现和管理模式转变成更加直观的三维展现和管理模式，将实景三维、DOM、DEM、属性信息等数据纳入一张图，更加便于矿山地质环境数据的维护更新。其中资源浏览功能能够快速浏览济南市的各年度影像、监测图斑和地质灾害隐患数据，实现了地图水平、垂直、空间距离量算和面积量算;查询检索功能包括地名查询和专题查询，用户可以通过POI信息和监测图斑任意属性进行图斑查询定位与信息显示;决策分析功能是基于三维GIS高性能空间数据引擎，实现了飞行路线、地图标绘和剖面、淹没、挖填方、阴影、通视等空间分析;统计分析功能是通过Highcharts技术以一定统计单元统计监测图斑在不同区域的面积分布和数量，并以图表形式显示和输出。

3结束语

1)济南市将基于国产SWDC－5设备的倾斜航空摄影技术引入到矿山地质环境调查领域，改变了全市传统的矿山地质环境监测模式，由原来被动式的举报监测及二维管理模式转变为实景三维下的主动分析监测，首次为济南市矿山地质环境调查提供了基础实景数据，也为该领域后续数据更新和科学管理建设了全新的数据平台。

2)通过实景可视化三维建模，能够及时发现非法开采活动，可以对高陡的矿山工业场地边坡、山区道路边坡、露天采矿场边坡、采空区山体边部、高陡废渣石堆及排土场等可能产生滑坡的斜坡体进行有效监测和预警。

3)基于Skyline创新性的开发了实景三维管理系统，具有高度兼容性和拓展延伸特性，不仅兼容传统4D数据，还可实现实时定点监控视频、全景影像等数据的融入，进一步提高济南市矿山地质环境监测管理水平。

参考文献:

［1］徐友宁．矿山地质环境调查研究现状及展望［J］．地质通报，2008，27(8):1235－1244．

［2］王晓红，聂洪峰，李成尊，等．不同遥感数据源在矿山开发状况及环境调查中的应用［J］．国土资源遥感，2006，68(2):69－71．

［3］熊前进，柴小婷．资源3号卫星影像在矿山监测应用中的数据处理方法［J］．武钢技术，2016，54(5):54－58，62．

［4］张建霞，刘宗杰，刘先林．国产数码航摄仪应用于我国西部测图分析［J］．测绘科学，2010，35(1):36－38．

［5］邓洁，夏春林，王润芳．基于SkylineTerrasuite的城市三维景观的建立［J］．遥感技术与应用，2008，23(5):529－532．

作者：凌晓春  单位：山东省国土测绘院