基于无人机倾斜摄影测量技术的废弃矿山测量方法研究

引言

我国矿产资源开发历史悠久，但许多矿山因资源枯竭和产业结构调整而废弃。这些矿山存在地形破碎、边坡失稳等问题，对环境和居民安全构成威胁。科学测量废弃矿山，掌握地形地貌和地质结构信息，对生态修复和灾害防治至关重要。

传统测量方法在复杂环境下的废弃矿山存在局限性，效率低且数据不全面。无人机倾斜摄影测量技术以其优势成为研究热点，能快速获取高精度空间数据，为废弃矿山测量提供新方案。尽管在其他领域已应用，但在废弃矿山测量中的系统性研究还需深入。本文探讨该技术在废弃矿山测量中的应用方法和成效，旨在为矿山整治提供技术支撑。

一、无人机倾斜摄影测量技术原理与优势

（一）技术原理

无人机倾斜摄影测量技术结合了多角度影像采集和摄影测量算法。无人机搭载多镜头相机，按预定航线低空飞行，使用垂直和倾斜镜头全方位捕捉地物信息。

处理采集的影像数据需要摄影测量软件。通过空中三角测量技术匹配同名点，计算影像外方位元素和地面点三维坐标，生成稀疏点云。利用密集匹配算法加密点云，构建高精度数字表面模型。最终，将影像纹理映射到三维模型表面，形成逼真的三维实景模型，实现地形地貌数字化还原。

（二）技术优势

与传统测量技术相比，无人机倾斜摄影测量在废弃矿山测量方面具有显著优势。无人机能迅速覆盖大范围测区，单次飞行即可收集大量数据，从而大幅缩短测量周期。以一个中型废弃矿山为例，传统测量方法需要数周时间完成的数据采集，使用无人机倾斜摄影测量技术仅需 1- 2 天。在安全性方面，无人机可以进入人类难以到达的危险区域，如高陡边坡、塌陷区等，减少测量人员面临的安全风险。此外，无人机获取的多角度影像数据能够详细展示废弃矿山的地形地貌特征，生成的三维实景模型能够清晰反映地形变化、废渣分布、采坑形状等关键信息，为后续的分析和决策提供详实、精确的数据支持。

二、废弃矿山测量需求分析

（一）地形地貌测量需求

废弃矿山经过长期开采活动，地形地貌发生剧烈变化，形成了采坑、废渣堆、塌陷区等特殊地貌单元。准确测量这些区域的空间参数，如采坑深度、容积，废渣堆高度、体积，塌陷区范围等，是开展生态修复工程的基础。例如，在土地复垦规划中，需精确掌握采坑的三维形态，才能合理设计回填方案；对于废渣堆，需准确计算体积，为废渣清运和场地平整提供数据支持。此外，获取地形坡度、坡向等信息，有助于评估水土流失风险，制定针对性的水土保持措施。

（二）地质灾害隐患监测需求

废弃矿山地质结构复杂，滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害隐患突出。通过定期测量边坡的三维形态变化，监测裂缝的位置、长度和宽度发展情况，能够及时掌握边坡稳定性动态。例如，利用无人机倾斜摄影测量获取的高精度三维模型，可对边坡进行剖面分析，计算坡体位移量，预测潜在滑动面，为地质灾害预警和防治提供科学依据。同时，对废渣堆的稳定性监测也至关重要，通过测量其表面形态变化，可及时发现坍塌、滑坡等隐患，避免次生灾害发生。

（三）生态修复工程设计需求

废弃矿山生态修复是一项系统工程，涉及土地整治、植被恢复、水系重构等多个方面。在工程设计阶段，需要详细了解废弃矿山的地形、土壤、植被等基础信息。高精度的地形测量数据可用于规划土地平整区域，确定植被种植区域和坡度，设计合理的排水系统；同时，结合地质数据，能够评估土壤条件，选择适宜的植被种类和种植方式，提高生态修复工程的科学性和有效性。

三、基于无人机倾斜摄影测量技术的废弃矿山测量方法

（一）测量前期准备

1. 测区踏勘与资料收集

测量工作开展前，需组织专业人员对废弃矿山测区进行详细踏勘。实地考察测区地形地貌特征，记录采坑、废渣堆、边坡等关键区域位置；了解交通状况，规划无人机起降点和运输路线；同时，收集测区气象资料，掌握当地常见天气变化规律，为选择适宜的作业时间提供参考。此外，还需收集测区已有的地质勘查报告、地形图、开采历史资料等，结合现场踏勘情况，全面了解测区背景信息，为后续测量方案制定提供依据。

2. 无人机及设备选型

根据测区面积、地形复杂程度和测量精度要求，合理选择无人机平台和相机设备。对于大面积、地形相对平坦的测区，固定翼无人机凭借其长航时、高速度的特点，能够高效完成数据采集任务；而在地形复杂、空间狭小的区域，多旋翼无人机的灵活性和机动性优势明显，可实现低空、近距离拍摄。在相机选择上，优先选用高分辨率、高像素的专业测绘相机，以确保采集到的影像具有足够的清晰度和细节信息。同时，为保证测量精度，需对无人机的定位系统（如 RTK 或 PPK 模块）进行严格校准，确保飞行轨迹和定位的准确性。

3. 航线规划

利用专业航线规划软件（如 Pix4Dcapture、DJI Terra 等），结合测区地形和测量精度要求，设计科学合理的飞行航线。航线设计需遵循以下原则：一是保证影像重叠度，航向重叠度一般不低于 80% ，旁向重叠度不低于 70% ，以确保相邻影像间有足够的同名点用于空三加密；二是根据地形起伏调整飞行高度，在地形平坦区域可采用固定高度飞行，在地形复杂区域则需采用变高飞行模式，保持相机与地面的相对高度一致，保证影像分辨率均匀；三是避开高压线、高大建筑物等障碍物，预留足够的安全飞行距离，确保无人机飞行安全。此外，对于重点区域，如高陡边坡、采坑边缘等，可加密航线或采用环绕飞行模式，获取更详细的影像数据。

（二）数据采集

数据采集需选择适宜的气象条件，通常在天气晴朗、风力小于 4 级、能见度良好的情况下进行作业。按照预先规划的航线，操控无人机执行飞行任务。飞行过程中，实时监控无人机的飞行状态，包括飞行高度、速度、姿态、电池电量等参数，确保无人机按预定航线平稳飞行。同时，通过地面站软件实时查看影像采集质量，检查影像清晰度、色彩饱和度和覆盖范围，若发现异常情况，如局部区域影像缺失、模糊等，及时调整飞行参数或补飞该区域，确保数据采集的完整性和准确性。

（三）数据处理与三维建模

1. 数据预处理

将采集到的原始影像数据传输至计算机后，首先进行格式转换，将影像文件转换为摄影测量软件支持的格式（如 JPG、TIFF 等）。然后，利用图像处理软件对影像进行去噪处理，去除因相机传感器或环境因素产生的噪点，提高影像清晰度。此外，还需对影像进行畸变校正，由于相机镜头存在固有畸变，会导致影像中地物形状发生变形，通过畸变校正算法可消除这种变形，使影像还原真实场景，为后续处理提供高质量的数据基础。

2. 空中三角测量

利用专业摄影测量软件（如 、Pix4Dmapper 等）进行空中三角测量。首先，软件自动提取影像中的特征点，并通过匹配算法在不同影像间寻找同名点。对于匹配困难的区域，需人工干预，添加控制点或连接点，提高匹配精度。然后，根据同名点坐标和相机参数，计算每张影像的外方位元素，解算地面点的三维坐标，生成稀疏点云模型。在空三加密过程中，需严格检查控制点的精度和分布情况，确保生成的稀疏点云符合精度要求。

3. 点云加密与三维模型构建

在稀疏点云的基础上，通过密集匹配算法对其进行加密，生成高密度的点云数据。密集点云能够更细致地反映地形地貌特征，为三维模型构建提供丰富的细节信息。利用点云数据，采用三角网构建（TIN）或网格重建算法，生成数字表面模型（DSM）。最后，将预处理后的影像纹理映射到 DSM 表面，经过纹理优化和渲染处理，生成逼真的三维实景模型。在模型构建过程中，可根据实际需求对模型进行简化或细化处理，以满足不同应用场景的要求。

4. 精度验证

为确保测量成果的准确性，需对三维模型进行精度验证。在测区内均匀选取一定数量的检查点（一般不少于 30 个），采用全站仪、RTK 等高精度测量设备获取检查点的实测坐标。将检查点的实测坐标与三维模型中对应点的坐标进行对比，计算平面位置误差和高程误差。根据测量规范要求，废弃矿山测量平面精度一般要求达到 ±10cm 以内，高程精度达到 ±15cm 以内。若误差超出允许范围，需分析原因，可能是影像质量问题、控制点布设不合理或数据处理参数设置不当等，针对性地调整测量方案或数据处理流程，重新进行数据处理，直至满足精度要求。

四、工程实例分析

（一）项目概况

研究对象为南方山区某废弃铅锌矿，开采历史超 50 年，废弃后留下多个采坑、废渣堆和高陡边坡，总面积约 3.5 平方公里。地形起伏大，最大高差 200 余米，部分区域植被茂密，测量条件复杂。矿区存在滑坡、崩塌隐患，废渣堆污染土壤和水体，需生态修复。采用无人机倾斜摄影测量技术进行地形测量和三维建模。

（二）测量实施过程

前期准备：组织专业团队踏勘测区，收集地质勘查报告、地形图等资料。选用大疆经纬 M300 RTK 无人机搭载五镜头倾斜摄影相机，利用DJI Terra 软件规划航线，采用变高飞行模式，设置航向重叠度 85% ，旁向重叠度 75% ，飞行高度 80 - 150 米。

数据采集：连续 3 天晴好天气采集数据，完成 8 个架次飞行，获取影像 4200 余张。实时监控影像采集质量，对不足区域补飞。

数据处理与建模：将影像数据导入 ContextCapture 软件，进行数据预处理、空中三角测量、点云加密和三维模型构建，约 48 小时后生成高精度三维实景模型。

精度验证：测区内均匀选取 40 个检查点，使用全站仪实测。平面位置中误差 ±8cm ，高程中误差 ±12cm ，满足测量精度要求。

（三）应用效果分析

基于三维实景模型，直观展示废弃矿山地形地貌、采坑和废渣堆分布。通过模型量测功能，快速获取采坑容积约 120 万立方米，废渣堆体积约 80 万立方米，为土方工程设计提供准确数据。利用模型对边坡进行剖面分析，发现 3 处潜在滑坡隐患，为地质灾害防治提供依据。三维模型为生态修复工程设计提供可视化参考，提高工程设计科学性和效率。与传统方法相比，无人机倾斜摄影测量技术缩短测量周期 70% ，降低人力成本 60% ，数据更全面、准确，显示了其在废弃矿山测量中的优势。

五、结论

本研究通过理论分析与工程实践相结合的方式，系统研究了无人机倾斜摄影测量技术在废弃矿山测量中的应用方法。研究表明，该技术凭借高效、安全、高精度等优势，能够快速获取废弃矿山的三维空间信息，精准还原复杂地形地貌，为地质灾害评估、生态修复规划等工作提供可靠的数据支持，在废弃矿山测量领域具有广阔的应用前景。

然而，无人机倾斜摄影测量技术在实际应用中仍面临一些挑战。在复杂气象条件下，如大雾、暴雨、强风等，无人机飞行安全和影像采集质量会受到较大影响；对于植被茂密区域，由于植被遮挡，难以获取地面真实地形信息，影响三维建模精度；此外，海量影像数据处理对计算机硬件性能要求较高，数据处理效率有待进一步提升。未来，随着无人机技术、摄影测量算法和计算机硬件的不断发展，这些问题有望逐步得到解决。同时，推动无人机倾斜摄影测量技术与激光雷达、InSAR 等技术的融合应用，将进一步提高废弃矿山测量的精度和效率，为废弃矿山综合治理提供更强大的技术保障，助力实现矿山生态环境的可持续发展。

参考文献

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