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基于无人机的矿山地质环境监测与矿山实景三维建模*

更新时间:2016-07-05

0 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。矿山开发不但侵占大量土地资源,破坏林地耕地,污染生态环境,而且诱发地质灾害和次级地质灾害,严重阻碍了国民经济的可持续发展[1]。以往矿山地质环境调查以野外调查常规手段为主,或者通过卫星遥感技术定性或半定量提取矿山开发环境信息,要精细识别矿山地质环境监测目标,需要能够反应矿山开发环境各要素空间关系及矿山开采纹理等微小信息的高空间分辨率影像[2]

无人机遥感技术是20世纪90年代兴起的一种遥感技术,它以在云下低空飞行的能力,弥补卫星光学遥感和普通航空摄影易受云层遮挡影响的缺陷,成为低空遥感不可或缺的手段,在矿山地质环境监测中具有巨大的应用潜力。无人机遥感具有体积小、成本低、机动灵活、成像分辨率高、快速响应等特点,可在恶劣环境、危险性高的矿山开采区域开展作业,结合地面调查等手段可实现矿山地质环境动态监测[3]

本文选取位于韶关市新丰县的新丰铁帽顶铁矿为研究区域开展矿山地质环境监测,基于无人机低空摄影获取矿区高分辨率正射影像以及立体正射影像对建立实景三维模型,研究矿山开发占地、矿山地质灾害及隐患、矿山环境污染、矿山环境恢复治理的表现特征和分布规律,分析评估矿业活动对生态地质环境的影响和破坏情况,定性与定量分析矿山开发对土地资源的影响与破坏,矿山地质灾害的类型、规模、损失及危害,以及矿业活动对矿山建筑、道路、主要工程设施的影响与破坏,提出矿山地质灾害防治、生态环境恢复治理对策与建议。

作为中国制造业的标杆企业,格力的管理模式、经营理念、成本控制均比较成熟。在新的管理团队上任“、格力化”后,银隆确有一些细微的变化。“以前,一个内勤部门主管就有权限用公款加私油,或者普通10元的拖布,大量以30元购入。现在这些情况根本不可能了。”一位在银隆工作6年的基层员工说。

1990年《陈仲子》道具制作精美,据说当时省里还为此特设艺术奖项。而这一次,不仅原有的道具消失了,连传统戏曲舞台上的马鞭都不见了,包括一桌二椅,所有道具只剩下一个可以变化形状的台中台。而这个台中台,也在不断做减法,从彩排时的木纹,到首演时的去除装饰,将来还可能对其自身的视觉存在感再作削减。

1 无人机遥感系统

2)中转场地占地12.08 hm2,占地比例8%;

根据新丰铁帽顶铁矿矿山开发占地无人机遥感解译标志开展遥感监测:新丰铁帽顶铁矿矿山开发占地总计154.15 hm2。矿山开发占地按类型统计:

随着科技进步,3D打印技术应用领域愈发广泛。在3D打印粉体领域也延伸出广阔的发展空间。雾化法作为目前球形粉体的主要制备方法,技术随之不断改进。但是由于气体雾化过程的复杂性,目前学术界尚未对气体雾化过程形成相应的体系理论。随着计算机模拟技术的迭代和数字化技术的升级,对气体雾化技术从硬件设备升级和科研基础开发等方面提供了支持,从成本、稳定性和质量等方面对国产3D粉体规模化进行展望。

2 技术方法

2.1 数据获取

3)固体废弃物占地面积最大,为84.88 hm2,所占比例高达55%;

无人机低空遥感数据获取的主要流程,见图1。

图1 无人机遥感影像数据获取技术流程图 Fig.1 The technique flow of remote sensing image data obtained with UAV

2.2 数据处理

1)水体污染占地总面积为9.53 hm2,其中废水4处、废渣6处,主要污染源为选矿厂、排土场和尾矿库。

研究区地质灾害无人机遥感影像,如图4所示。

图2 新丰铁帽顶铁矿矿区无人机遥感正射影像图 Fig.2 DOM in Xinfeng Tiemaoding iron area

3 矿山地质环境监测结果分析

3.1 矿山开发占地

所谓的文化资本可以分为身体化、客观化以及制度化。家庭环境可以说是学生得到文化资本的关键场所。家庭所具备的文化资本,将决定了学生在这个家庭当中所能够得到的文化资本的质量。而学生在家庭环境当中所得到的文化资本,对于他们在学校当中的学习将会产生非常关键的深远的影响。

1)采场占地56.86 hm2,占地比例37%;

严佩峰等人[1]研究脱脂乳、脱脂乳酶解液和MRS 3种基础培养基对乳酸菌进行发酵培养,得到脱脂乳酶解液是保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌混合菌种较好的基础培养基,保加利亚乳杆菌在该培养基进行培养时活菌数最高。张红艳等人[2]研究发现对碳源和氮源是影响地衣芽孢杆菌活菌数的主要因素,其中玉米粉对地衣芽孢杆菌的活菌数影响最大。

无人机低空遥感系统主要包括无人飞行平台和地面控制平台,搭载机载数码相机、数码摄录机等数字遥感设备进行拍摄和记录,通过遥感数据处理技术进行影像的分析处理,以实现对地面信息的实时调查与监测。一个完整的无人机遥感系统包括:空中飞行与数据获取模块和地面监控模块。其中,空中飞行与数据获取模块的主要功能是控制无人机系统按照既定航线平稳飞行,并将飞行状态与数据传输至地面,主要包括无人机飞行系统、遥感器系统、姿态控制系统以及数据传输系统;地面监控模块则是发送飞行状态调整和数据获取命令、接收数据并实时监控,主要包括数据的接收与状态监控、地面控制命令模块[2]

本项目无人机低空摄影采用Skyland系列DP150电动固定翼无人机。该无人机飞行时间可达90 min,作业高度最高5 500 m,载荷Sony A7R相机为3600万像素[4]

4)矿山建筑占地0.33 hm2,占地比例0.2%(见表1和图3)[6]

表1 新丰铁帽顶铁矿矿山开发占地无人机遥感解译标志

Tab.1 Remote sensing interpretation sign in the project area

地类无人机影像影像判读特征采场包括了所有矿业活动的开采痕迹,即活动开采面和停采面。纹形粗糙,通常有道路、车辆和钩机。矿山建筑矿山开采活动中的辅助建筑物,在图像上主要表现为具有几何形状的房屋。中转场地形状多为独立锥形体,大型中转场地可有多个连续锥形体。选矿厂、选矿池可见有几何形状的围墙或围栏。排土场排土场多与活动开采面相邻,纹形较细,上平下散,呈扫帚状。大型排土场呈阶梯状;小排土场呈堆状,较分散。尾矿库尾矿库具有三分特征,以尾矿坝为界,外侧为裸露尾矿区或复垦区,内侧为裸露尾矿区和碱性废水区。

图3 新丰铁帽顶铁矿矿山开采占地统计饼状图 Fig.3 A pie chart of mine exploitation impropriate soil in the project area

3.2 矿山地质灾害及隐患

根据无人机高精度遥感监测得到的结果:新丰铁帽顶铁矿矿山地质灾害及隐患分布合计18个(包含次生地质灾害11个、地质灾害隐患7个),主要为滑坡、崩塌、泥石流和地裂缝4类。其中,滑坡最多分布12个(占比67%)、崩塌分布3个、泥石流分布2个、地裂缝1个。影响对象主要为道路、采场、选矿厂和矿山建筑。研究表明:新丰铁帽顶铁矿需要重点监测排土场的滑坡、泥石流,尾矿库的泥石流、滑坡,采场的滑坡、崩塌,中转场地的滑坡、崩塌、地裂缝[6]

基于低空无人机遥感数据的矿山地质环境监测,获取矿区高分辨率无人机遥感影像数据,在此基础上对无人机影像进行畸变校正等预处理,然后进行自动空中三角测量和数字表面模型(DSM)的自动提取,获取整个矿区高精度的DSM数据,经DSM滤波或人工编辑得到矿区高精度数字高程模型(DEM),利用DEM的图形处理器(GPU)快速单片纠正、辐射处理和正射影像拼接等流程生成一张整个矿区范围的正射影像,经过几何校正和图像处理,得到矿区高分辨率影像,在对矿区影像建立相应的解译标志的基础上,对矿山信息进行提取和遥感解译,修改完善后形成矿山地质环境遥感监测图,快速、精确、有效地掌握矿山开采状况和矿山环境信息[5](见图2)。

图4 新丰铁帽顶铁矿矿山地质灾害无人机遥感影像图 Fig.4 UAV remote sensing image of geologic disaster in the project area

3.3 矿山环境污染

根据无人机高精度遥感监测得出的结果:新丰铁帽顶铁矿矿山环境污染主要为水体污染和土壤污染(主要为粉尘污染)。其中,水体污染10处、粉尘污染5处。

数据处理包括:数据预处理与数据后处理。其中,数据预处理包括遥感数据下载、飞行质量和数据质量检查、相机标定、畸变校正等;数据后处理包括空三处理、图件制作、精度分析与评定、遥感解译及成果评价等[4]

2)粉尘污染占地总面积为6.14 hm2,其中运输扬尘3处、开采扬尘1处、选矿扬尘1处,运输、选矿扬尘对矿山生产生活人员影响较大。

3.4 矿山环境恢复治理

根据无人机高精度遥感监测得出的结果:新丰铁帽顶铁矿矿山恢复治理工程一共11处,恢复治理工程占地总面积为15.54 hm2。研究表明:恢复治理滑坡3处、废石堆2处、排土场2处、采场1处、尾矿库3处。监测发现矿区对废石堆、滑坡、尾矿库的恢复治理投入较多,而对闭坑采场、排土场恢复治理比较滞后,废弃台阶未监测到复绿工程,正在生产采场台阶全部未复绿,排土场大面积岩石裸露,少部分可见复垦绿化。矿山地质环境治理工程治理措施主要为修坡整地、支挡、排水、土壤改良及种植绿化等(见图5)[6]

图5 新丰铁帽顶铁矿矿山环境恢复治理工程无人机遥感影像图 Fig.5 The image for restoration and treatment of mine environment in the project area

4 矿山实景三维建模

4.1 建模原理

利用无人机低空遥感影像结合三维地形信息等进行实时快速的三维重建、场景漫游与可视化分析,是实时、直观地对矿区进行信息监测和应急决策的重要依托。利用Smart3D三维建模处理软件将无人机数据生成的影像和DEM叠加,建立三维场景,仿真模拟矿区三维信息,能更加直观的识别矿区山体的山脊、山谷和走向的信息,对矿山整体的作业情况、水土流失情况、地质灾害情况、其他地质环境情况进行定量的分析,能量测矿山尾矿库等具有空间属性特征体的体积[4]

矿区实景三维图,见图6。

除上述危机预防与化解的主要方法、对策外,还有“心灵净化”法、“治者自律”法、“报怨以德”法、“精细管理”法、“柔性艺术”法等。可分别参见(十六章)“致虚极,守静笃。”[3](六十七章)“我有三宝,持而保之。一曰慈,二曰俭,三曰不敢为天下先。慈故能勇;俭故能广;不敢为天下先,故能成器长。”[3](六十三章)“大小多少,报怨以德。”[3](六十三章)“图难于其易,为大于其细;天下难事必作于易,天下大事必作于细。”[3](四十三章)“天下之至柔,驰骋天下之至坚。”[3]限于篇幅,不一一展开论述。

图6 新丰铁帽顶铁矿矿区无人机遥感实景三维图 Fig.6 The real 3D map in the project area

4.2 建模方法

Smart3D Capture系统的三维重建过程是基于瓦片技术,根据数据的大小进行分瓦,一般选择规则平面方格分瓦,分瓦大小要保证最大瓦片的纹理不超过100 M pixls。然后提交工程,设置名称,选择所需数据产品,可单独生成三维模型、三维点云和正射影像。选择生成三维模型后可选择3mx、s3c、osgh等格式的二维模型,提交工程,完成模型的生产,打开3Dviewer查看生成模型结果。

纵观2007-2016十年来中国婴幼儿配方乳粉进口贸易的发展,本文从规模、来源国和进口价格三个方面分析其贸易特征。

Smart3D Capture软件基于图形运算单元GPU的快速三维场景运算软件,可运算生成基于真实影像的高密度点云,根据点云数据可以自动生成不规则三角网(TIN)数据,自动对白膜三维模型赋予纹理,生成基于真实影像纹理的实景三维模型(见图7)[7]

对于中药材需求的加剧造成中药材野生资源大量消耗,并导致生态平衡遭到破坏,药用珍惜濒危物种持续增加[42]。目前,多数中药材资源逐渐进行由野生到家种的转变,以人工栽培资源代替野生资源。但由于中药材具道地性,各地栽培黄芩种质、生态因子、田间管理差异,易造成市售黄芩质量不一,降低黄芩有效药材比例,影响黄芩进一步扩大市场。构建黄芩“无公害栽培体系”,自选择优良黄芩种质开始,结合最适生态因子筛选、田间管理及病虫害综合防治,旨在为中药材市场提供无农药、重金属及有害元素等多种对人体有毒物质的残留量均在限定的范围以内的黄芩资源。

5 结论

本文基于无人机遥感技术,选取位于韶关市新丰县的新丰铁帽顶铁矿为研究区开展矿山地质环境监测研究,基于无人机低空摄影获取矿区高分辨率正射影像以及立体正射影像对建立实景三维模型,获取矿山占地情况、矿山地质灾害、矿山环境污染、矿山环境恢复治理基础数据,研究矿山开发占地、矿山地质灾害及隐患、矿山环境污染、矿山环境恢复治理的表现特征和分布规律,开展矿区实景三维建模,真实模拟矿区三维信息,作为管理决策的科学依据,并且提出矿山地质灾害防治、生态环境恢复治理对策与建议。

图7 新丰铁帽顶铁矿矿山实景三维建模示意图 Fig.7 Sketch of mine real 3D modeling in the project area

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[1] 王耿明,朱俊凤,武国忠,等.广东省矿山开采占地情况遥感监测与综合研究[J].华南地质与矿产,2015,31(4):406-413.

[2] 赵星涛,胡奎,卢晓攀,等.无人机低空航摄的矿山地质灾害精细探测方法[J].测绘科学,2014,39(6):49-52.

[3] 雷添杰,李长春,何孝莹.无人机航空遥感系统在灾害应急救援中的应用[J].自然灾害学报,2011,20(1):178-183.

[4] 李迁.低空无人机遥感在矿山监测中的应用研究[D].北京:中国地质大学(北京),2013.

[5] 杨金中,秦绪文,张志,等.矿山遥感监测理论方法与实践[M].北京:测绘出版社,2011.

[6] 王耿明,朱俊凤,武国忠,等.广东大宝山多金属矿开发环境遥感监测与矿山地质环境评价[J].物探化探计算技术,2017,39(1):122-128.

[7] 秦绪文,杨金中,康高峰,等.矿山遥感监测技术方法研究[M].北京:测绘出版社,2011.

倘若大小写真理的区分是合理的,那么我们宁愿将《提纲》第二条所揭示的真理理解为小写的真理,即针对某一具体的问题的真理。这个问题是:人的思维是否能具有客观的真理性?

王耿明,朱俊凤,陈捷,王佳红
《地矿测绘》 2018年第01期
《地矿测绘》2018年第01期文献

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