王婷韵，翟星宇，冯梓轩，孙志威，韦雅瑜，汪 煜

（南京大学金陵学院，江苏 南京 210089）

由于矿产资源的不断开采与不合理的利用，生态环境问题日益严峻，矿山生态修复已刻不容缓。矿山生态修复是指将因矿山开采而受损的生态系统恢复到接近于采矿前的自然状态，或重建成符合人类所期望状态，或恢复成与其周围环境相协调的其他状态[1]。地形勘测是矿山生态修复的重要环节，传统的矿山地形勘测不仅需要耗费较高人力物力，且有一定安全隐患。无人机倾斜摄影技术近年来发展迅速，且无人机本身具有机动性和安全性等特点，同时可快速获得高分辨率影像。目前无人机在矿山生态修复已广泛应用，王耿明等[2]在广东省广州市太珍石场利用无人机开展绿色矿山检测工作，最终矿区绿化与周边自然景观相协调，矿山复绿达到90%以上，白洋等[3]通过无人机分析河北省保定市涞源县某露天矿区，实现露天矿场三维可视化，为矿山修复提供了有力的参考。

1 研究区概况

本次研究以南京市汤山青林矿山为对象，该矿山位于南京市江宁区东北部，属低山地形地貌，由山前斜地、低丘两个微地貌组成，处在生态红线管控区内，山体植被遭到破坏，岩石裸露与周边茂密的山体格格不入。研究区停采后大片裸露的岩石边坡、高陡耸立的残壁等形成较多的崩塌等地质灾害隐患。区内岩体受节理、后期风化及人类活动影响时常发生岩石崩落现象，宕底高低不平，露采面坡高壁陡，基岩裸露，废土堆任意堆放，地质环境恶化，植被破坏、发育较差，水土流失，土地退化等生态问题十分突出。山体及周边生态环境遭到严重破坏，自然景观的观赏性严重下降，大面积土地难以利用并且矿区与周边自然生态环境相悖。

2019年矿山完成了生态环境治理，治理工作主要结合原矿区地形进行削坡减裁、挖高填低和场地平整覆土等修复工作。对比矿山生态修复前后地形要素变化，修复后矿区边坡平整、坡度平缓稳定，既消除了地质灾害风险，又为下一步生态绿化打下基础。

2 研究过程

2.1 设计流程

无人机影像数据获取与数字地面模型（DSM）方案流程包括：设计航线、无人机飞行、影像预处理、地形提取分析、三维建模。

2.2 数据采集

无人机数据采集在中午进行，采用大疆御2无人机,续航时间约31分钟,最大速度72km每小时,携带的航摄仪像素是2000万有效像素,最大飞行海拔高度6000m。采用无人机倾斜摄影技术方法，从五个不同角度方向飞行。共飞行航线17条，最终拍摄影像319张。无人机影像数据采集过程：制定技术路线、规划无人机航拍路径、布置像控点，对成图的范围进行控制，确保接头位置不出现漏洞。生成航拍照片内含WGS1984位置坐标信息，具有高重叠率，高精度等特点[3，4]。

2.3 空中三角测量

将无人机航拍的319张影像导入后进行数据运算处理。通过加载影像数据、相机影像数据、构建测区航线进行运算，完成自由网空中三角测量。通过测量解算每张影像的外方位元素信息，对数据进行有效性分析以及误差值的分析[5]。由于原始拍摄的影像数据的坐标系为WGS1984，在不同场景模式下可以根据实际需要转换成其他的坐标系。本次共处理7个进程，并得出了小面积地形地貌图。

2.4 数据提取

获取到的影像数据需利用软件进行技术处理，转化为可以和第三方软件兼容的地理信息文件供进一步建模与分析。与其他无人机数据处理系统相比较，本次研究选择系统自动化水平高，人工干预过程少的Pix4Dmapper软件进行影像数据处理。在点云数据的获取中进行了多次多光束法局域网平差以及相机自检校计算[6]，通过优化外部参数以及主要内部参数，重新匹配影像，得到更好的匹配效果，使数据更为精确。将原始数据通过处理生成DSM数据，为后期相关数据处理与有效信息提取打下基础[7,8]。

2.5 三维建模

为了更加清晰、直观的对矿山进行观测与分析，使用ContextCapture软件的三维建模功能实现对矿山实景、地形地貌、生态环境及其布局等的三维场景再现。基于图形运算单元GPU的快速三维场景运算软件制作出研究区的三维模型，利用生成的空中三角测量数据对矿山进行建模，无需人工干预，可以直接从简单连续的影像中生成逼真的实景三维场景模型[9]。生成的模型可以进行全方位观测，最大程度的还原研究区实况。

3 数据分析

基于无人机获取的DSM数据可提取各类地形要素数据，对比分析不同时期矿山地形数据可动态回溯矿山生态修复过程，为修复工程提供数据支撑。本文参照矿山生态修复的设计方案所划定四个分区（清坡减裁区、回填压脚区、填方区和挖方区），分区对比分析生态修复前后地形变化状况。

DSM数据能直观表现出矿区地表覆盖高程起伏状况，由于目前矿山修复工程刚初步完成，修复前后地表植被较少，所以DSM可代替DEM进行各类地形要素提取分析[10]。提取要素包括等高线、坡度分布、坡向分布和地表粗糙度分布。

3.1 高程变化分析

通过将修复后DSM减去修复前DSM得到差值图，差值图可直观反映地形高程变化情况，填挖方区和回填压脚区高程总体是增加的，而清坡减裁区总体高程是下降的。从高程绝对值上填方区平均高程由修复前101.46m增加为103.26m；修复前位于坡脚底高度区的残丘为主要的挖方区，挖方区平均高程由修复前98.85m增加为102.17m；清坡减裁区平均高程由修复前119.68m减为117.94m；回填压脚区平均高程由修复前107.32m增加为111.10m。从高程相对变化范围看各分区的高程变化范围和标准差都有一定减少，可以看出修复后各分区地形起伏变化更小，地形稳定性增强。

图1 修复前DSM分布

图2 修复后DSM分布

图3 修复前后DSM差值

3.2 坡度变化分析

地形坡度体现了地面高程变化率，通过对露采高陡边坡自上而下进行清坡减裁和回填压脚，放缓边坡的坡率，挖去部分滑体岩土以减小滑体重量和滑坡推力，坡面危岩、孤石得到清理；将土石等材料堆填在滑坡体前缘及其以外，增加抗滑力、提高滑坡体稳定性，消除了坡面存在的地质灾害隐患。使削坡坡面的最终边坡角总体控制在50度以内，形成安全边坡，改善了区域景观可视度[11]。对比修复前后坡度变化图，可清楚看出修复前矿山坡度变化大，分布散乱；修复后坡度变化缓，各分区坡度单一。

图4 修复前坡度

图5 修复后坡度

图6 各分区坡度分布

3.3 地表粗糙度变化分析

地表粗糙度是地表表面积与投影面积的比值，地表粗糙度越高地形起伏变化就越大，稳定性越低。

相反地表粗糙度越低地形越平整，最小值为1。通过计算修复前后矿山地表粗糙度并对比分析，可发现修复后的地表粗糙度在各分区都低于修复前地表粗糙度[12]。

图7 修复前地表粗糙度

图8 修复后地表粗糙度

图9 修复后各区地表粗糙度

4 结束语

本文以南京市汤山青林矿山生态修复工程为例，通过无人机快速实现修复区地形数据采集，并基于无人机勘测数据成果进行计算分析，对比分析不同时期地形数据可实现动态的矿山生态修复工程监测，为矿山生态修复工程提供决策支持。

结果表明无人机在矿山生态修复中具有减少外业工作量，提高工作效率，降低外业工作安全隐患等优点，同时测量精度较高，数据较为直观，能够为矿山生态修复中的地形勘测提供有力依据。