CN109508508A - 一种露天矿山治理勘查设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种露天矿山治理勘查设计方法。本发明利用无人机航飞获取矿山照片，并将三维影像模型技术和GIS技术相结合，生成了基于矿山三维点云模型的三维影像模型、地面高程模型（DEM）和正射影像图(DOM)。将地面高程模型（DEM）和正射影像图(DOM)导入GIS处理软件生成了坡度图、坡向图、视域图、汇流图、地形剖面图成果，减少了野外作业工作量，降低了工作人员的劳动强度和工作风险，提高勘查设计精度和工作效率。将三维影像模型导入三维建模动画软件，可直观观察矿山细部构造，可以实现矿山治理的精细化设计；在三维模型上进行治理设计，可以直接显示三维状态下治理效果，实现了工程设计由二维向三维的转变，有利于设计人员明确治理思路、预知治理效果、做出治理决策。

Description

一种露天矿山治理勘查设计方法

技术领域

本发明涉及环境治理技术领域，尤其涉及一种露天矿山治理勘查设计方法。

背景技术

为全面推进生态环境建设，减少大气污染，需要对矿山地质环境进行治理。在矿山地质环境治理过程中运用传统的地质手段进行勘查、设计和监测时，尚有部分技术难题影响着矿山地质环境恢复治理的工作进度和精度，其中之一就是高陡掌子面的地形测量技术及成果表现形式制约了矿山治理的勘查设计精细化程度。高陡掌子面的精确勘查、与天然环境相协调的设计是矿山地质环境治理的难点和重点。传统的勘查设计工作流程是，先对治理区进行踏勘，然后对治理区进行地形测量，勘查人员拿着地形图进行现场调查，确定治理方案，编制勘查报告，在勘查的基础上完成设计，所有的勘查和设计成果在以地形图为底图的二维平面图和剖面图上表达。测量人员在高陡掌子面上作业时存在着危险性大的问题，虽说在掌子面下用全站仪的免棱镜技术作业可以降低危险性，但两者都存在测点少的问题，即使采用激光扫描技术也存在个别点无法观测到的问题。在上述技术条件的制约下，常规的地形测量成果为比例尺1:500-1000的地形图和地形剖面图，成果上无法清楚准确地反映掌子面上的台阶斜坡等微地貌和植被的发育情况，难以满足快速勘查和精细化设计的要求。地质人员拿着地形图进行勘查时需要沿各种边界界线定点，并圈定各种范围和标绘各种界线，对治理高陡掌子面地形存在上下难、危险性大和观察量测不足的问题，并且勘查测绘野外作业时间相对较长，编制报告时可供室内技术分析各种几何数据较少。

发明内容

本发明的目在于提供一种将三维影像模型技术和GIS（地理信息系统）技术相结合的露天矿山治理勘查设计方法，该方法将矿山治理勘查设计由二维线划图阶段提升到三维影像阶段，实现对露天矿山现状的快速勘查和治理设计的精细化，将矿山露天矿山现状更加直观地展现出来，有利于设计人员明确治理思路、预知治理效果、做出治理决策，同时还可降低工作人员的劳动强度和工作风险，提高勘查设计精度和工作效率。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种露天矿山治理勘查设计方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一、对矿山进行踏勘，在矿山地面布置像控点，并用测量仪器采集坐标信息；

步骤二、用无人机航飞拍摄矿山照片并获取其POS数据，光圈和快门匹配保证照片清晰；

步骤三、将矿山照片导入三维影像建模软件，导出矿山照片的POS数据，进行坐标换算后重新导入替换，用三维影像建模软件输出符合分辨率要求的三维影像模型及正射影像和地面高程模型；

步骤四、根据踏勘像控点坐标信息和三维影像模型确定勘查区范围和地质剖面图的位置，将地面高程模型和正射影像图导入GIS软件中，通过坐标定位地面高程模型和正射影像 图自然套合，通过GIS软件矢量化功能编绘出以正射影像为底图、比例尺为1:200-1000的矿山治理区地形图，图切出地质剖面图位置的地形剖面图，利用GIS软件三维表面分析功能根据需要生成坡度图、坡向图、视域图、汇流图，并计算挖填方的体积；

步骤五、野外调查，手持步骤四中以正射影像为底图的矿山治理区地形图和地形剖面图，现场对矿山的地层岩性、构造、植被、掌子面、渣堆、采坑、渣坡进行调查拍照，掌握其特征，借助正射影像在矿山治理区地形图和地形剖面图上定性圈定各种界限范围，各掌子面、渣堆、采坑和渣坡的几何特征数据在记录表中留空，然后在室内用GIS软件查询工具量测后填写，各种范围在GIS软件中根据其特征准确圈定，各种定位的坐标可在GIS软件中反查，高陡掌子面的特征在三维影像模型、正射影像图和照片中用软件放大观察描述；

步骤六、利用GIS软件的分析功能统计不同坡度分区的面积和局部的挖填方体积，用以计算治理工程量，根据岩性和坡度的不同选定适宜的治理方案；

步骤七、将三维影像模型导入三维建模动画软件，进行三维实体设计，设定比例尺后按实物尺寸进行工程布置，生成三维设计图纸。

进一步的，所述步骤一中的像控点数量不小于4个，且能够控制矿山的平面和高程。

进一步的，所述步骤二中矿山照片的纵横向重叠率60—80%。

本发明利用无人机航飞获取矿山照片，并将三维影像模型技术和GIS技术相结合，生成了基于矿山三维点云模型的三维影像模型、地面高程模型（DEM）和正射影像图(DOM)。将地面高程模型（DEM）和正射影像图(DOM)导入GIS处理软件生成了坡度图、坡向图、视域图、汇流图、地形剖面图成果，减少了野外作业工作量，降低了工作人员的劳动强度和工作风险，提高勘查设计精度和工作效率。将三维影像模型导入三维建模动画软件，可直观观察矿山细部构造，可以实现矿山治理的精细化设计；在三维模型上进行治理设计，可以直接显示三维状态下治理效果，实现了工程设计由二维向三维的转变，有利于设计人员明确治理思路、预知治理效果、做出治理决策。

附图说明

图1是本发明实施例的三维影像模型图；

图2是本发明实施例的正射影像图；

图3是本发明实施例的地面高程模型图；

图4是本发明实施例用GIS软件生成的地形剖面图；

图5是本发明实施例用GIS软件生成的坡度图；

图6是本发明实施例用GIS软件生成的坡向图；

图7是本发明实施例用GIS软件生成的视域图；

图8是本发明实施例用GIS软件生成的汇流图；

图9是本发明实施例在三维建模动画软件中生成三维设计图纸。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明运用无人机低空航拍技术获取带POS数据的矿山全貌照片，在三维影像建模软件中生成基于三维点云模型的DOM、DEM等一系列成果，再将成果导入到GIS和三维建模软件中，运用GIS的分析功能生成地形图、地形剖面图、坡度图、坡向图、挖填方、视域图等一系列成果，将其应用到勘查设计中，提高勘查设计精度和工作效率，创新勘查设计成果的表现形式，提高成果的适用性，降低工程风险。

本发明的一种露天矿山治理勘查设计方法应用在某矿山治理中，具体包括如下步骤：

步骤一、对矿山进行踏勘，在矿山地面布置像控点，数量不小于4个，要求能控制矿山的平面和高程，用测量仪器采集坐标信息。

步骤二、用无人机航飞拍摄矿山照片并获取其POS数据，照片的纵横向重叠率60—80%，数码相机的分辨率尽量高，不要使用广角或鱼眼镜头，要求定焦拍照，ISO设置到最低，光圈和快门匹配保证照片清晰。

步骤三、将矿山照片导入三维影像建模软件，导出其POS数据，进行坐标换算后重新导入替换，通过对齐照片、空三加密、建立密集点云、模型校正、生成网格和生成纹理等处理过程，用三维影像建模软件输出符合分辨率要求的三维影像模型及正射影像图和地面高程模型（参阅图1-图3）；运用三维影像模型及正射影像和地面高程模型，在矿山勘查阶段可借助GIS软件进行三维表面分析，统计常规测量不能提供的各种数据，丰富勘查成果。

步骤四、根据踏勘像控点坐标信息和三维影像模型确定勘查区范围和地质剖面图的位置，在勘查阶段将地面高程模型和正射影像图导入GIS软件中，通过坐标定位地面高程模型和正射影像图自然套合，通过GIS软件矢量化功能编绘出以正射影像为底图、比例尺为1:200-1000的矿山治理区地形图，图切出地质剖面图位置的地形剖面图（参阅图4），利用GIS软件三维表面分析功能生成坡度图、坡向图、视域图、汇流图（参阅图5-图8），并计算挖填方的体积。参照坡向图可以分析判断日照的阴坡、阳坡，用以辅助选择人工植被种类。参照坡度图、坡向图的统计数据可以实现定量化评价掌子面的平整度，为治理方案的选择提供技术依据。视域图用以分析治理区遭受人类工程损害的自然环境在外部的不同视点能否看到和看到多少，用于确定改善视觉污染的重点治理范围及治理部位的先后顺序，在资金有限的情况下将有限的资金用到优先治理的部位，如果矿区面积较大，人工堆积物较多，可能形成泥石流灾害时，可以利用汇流图进行水文分析。

步骤五、野外调查，手持步骤四中以正射影像为底图的矿山治理区地形图和地形剖面图，现场对矿山的地层岩性、构造、植被、掌子面、渣堆、采坑、渣坡进行简单的调查拍照，掌握其特征，借助正射影像在矿山治理区地形图和地形剖面图上定性圈定各种界限范围，各掌子面、渣堆、采坑和渣坡的几何特征数据在记录表中留空，然后在室内用GIS软件中用查询工具量测后填写，各种范围在GIS软件中根据其特征准确圈定，各种定位的坐标在GIS软件中反查，高陡掌子面的特征在三维影像模型、正射影像图和照片中用软件放大观察描述；

步骤六、利用GIS软件的分析功能统计不同坡度分区的面积和局部的挖填方体积，用以计算治理工程量，根据岩性和坡度的不同选定适宜的治理方案；

步骤七、将三维影像模型导入三维建模动画软件，进行三维实体设计，设定比例尺后按实物尺寸进行工程布置，生成三维设计图纸（参阅图9）。步骤三中的三维影像模型由三角网格和表面纹理构成，将其导入三维建模动画软件，除了观察还能利用工具进行工程三维实体设计，设定比例尺后按实物尺寸进行工程布置，效果优劣直观可见，效果不好立刻进行优化，是否有微地貌可利用，工程布置是否可行，立马就能判断，实现了设计的精细化，比在二维线划图在技术和方法上有大的进步，分项工程都做成单体，大部分的实物工作量可利用对象的属性查询功能进行统计，工程量的计算省事省力准确度高，将其标注尺寸和增加说明就可以做成三维的设计图纸。在评审时对着三维实体设计模型给专家解释治理设计意图，专家容易理解，是否符合技术要求也容易判断，其表达方式为实物图对施工人员，也比传统线划符号图纸易于理解。

以上所述，仅是本发明的最佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，利用上述揭示的方法内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，均属于权利要求书保护的范围。

Claims (3)

1.一种露天矿山治理勘查设计方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一、对矿山进行踏勘，在矿山地面布置像控点，并用测量仪器采集坐标信息；

步骤二、用无人机航飞拍摄矿山照片并获取其POS数据，光圈和快门匹配保证照片清晰；

步骤三、将矿山照片导入三维影像建模软件，导出矿山照片的POS数据，进行坐标换算后重新导入替换，用三维影像建模软件输出符合分辨率要求的三维影像模型及正射影像和地面高程模型；

步骤四、根据踏勘像控点坐标信息和三维影像模型确定勘查区范围和地质剖面图的位置，将地面高程模型和正射影像图导入GIS软件中，通过坐标定位地面高程模型和正射影像图自然套合，通过GIS软件矢量化功能编绘出以正射影像为底图、比例尺为1:200-1000的矿山治理区地形图，图切出地质剖面图位置的地形剖面图，利用GIS软件三维表面分析功能根据需要生成坡度图、坡向图、视域图、汇流图，并计算挖填方的体积；

步骤五、野外调查，手持步骤四中以正射影像为底图的矿山治理区地形图和地形剖面图，现场对矿山的地层岩性、构造、植被、掌子面、渣堆、采坑、渣坡进行调查拍照，掌握其特征，借助正射影像在矿山治理区地形图和地形剖面图上定性圈定各种界限范围，各掌子面、渣堆、采坑和渣坡的几何特征数据在记录表中留空，然后在室内用GIS软件查询工具量测后填写，各种范围在GIS软件中根据其特征准确圈定，各种定位的坐标可在GIS软件中反查，高陡掌子面的特征在三维影像模型、正射影像图和照片中用软件放大观察描述；

步骤六、利用GIS软件的分析功能统计不同坡度分区的面积和局部的挖填方体积，用以计算治理工程量，根据岩性和坡度的不同选定适宜的治理方案；

步骤七、将三维影像模型导入三维建模动画软件，进行三维实体设计，设定比例尺后按实物尺寸进行工程布置，生成三维设计图纸。

2.根据权利要求1所述的一种露天矿山治理勘查设计方法，其特征在于：所述步骤一中的像控点数量不小于4个，且能够控制矿山的平面和高程。

3.根据权利要求1所述的一种露天矿山治理勘查设计方法，其特征在于：所述步骤二中矿山照片的纵横向重叠率60—80%。