王金娜，焦学军，宋会传，高彦涛，汪永新

（1.河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院，河南 郑州 450000 ； 2.河南省天空地遥感智能监测工程技术研究中心，河南 郑州 450000；3.河南省自然资源天空地遥感智能监测研究科技创新中心，河南 郑州 450000）

为履行自然资源部门“两统一”职责，构建自然资源调查监测体系，依法组织开展自然资源调查监测评价，查清工作区各类自然资源家底和变化情况，逐步实现山水林田湖草的整体保护、系统修复和综合治理，保障生态安全，加快生态文明建设提供基础支撑，推动河南省经济高质量可持续发展提供服务保障[1-2]。本文依托CESIUM技术，利用接收的季度影像变化信息，根据监测监管需求，对全省范围露天矿山、生产矿山、政策关闭矿山、到期关闭矿山等矿山开采区，工程活动区，自然资源保护地内的地形地貌景观破坏、土地资源损毁、恢复治理等问题进行深度解译，辅助“互联网+”实地核查，反复完善室内解译成果，最终形成基本准确的详细遥感解译成果，按照统一的技术标准，将变化信息整理为季度监测图斑后，与省国土资源电子政务中心推送的“一张图”等相关管理数据进行比照分析，形成初步分析评价结果，确定监测预警信息，为自然资源调查监测评价，查清工作区各类自然资源家底和变化情况提供重要的依据，为其他省份做类似工作提供参考。

1 CESIUM开源三维技术

CESIUM是一个跨平台、跨浏览器的展示三维地球和地图的、基于Apache2.0许可的开源程序，使用WebGL来进行硬件加速图形，不需要任何插件支持。浏览器必须支持WebGL，支持2D，2.5D，3D形式的地图展示，可以为绘制动态数据可视化提供良好的触摸支持，支持绝大多数的浏览器和mobile，支持基于时间轴的动态数据展示和多种浏览器，IE，chrome， 火狐等，可以免费用于商业和非商业用途，目前最新版本的Cesium版本为4.8。WebGL 的出现使得在浏览器上面实现显示3D图像成为可能，WebGL本质是基于光栅化的API，而不是基于 3D 的API[3-5]。WebGL只关注两个方面，即投影矩阵的坐标和投影矩阵的颜色，主要实现具有投影矩阵坐标和颜色的WebGL对象。顶点着色器可以提供投影矩阵的坐标，片段着色器可以提供投影矩阵的颜色，其投影矩阵的坐标范围始终是从-1到1。WebGL使得它能够直接与图形处理单位（GPU）进行通信，向GPU输入数据进行图形绘制，充分利用显卡，渲染Web Browser 展示的3D场景和模型，WebGL为HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染[6-7]。因此，CESIUM具有强大的GIS功能，并且具有较高可扩展性的三维开发框架。

2 实景三维监管技术流程

2.1 准备工作

收集河南省范围内露天矿山高分卫星影像数据，利用矿区高分辨卫星影像并结合外业实地勘查，建立矿区遥感解译标志体系。研究基于海量遥感影像、深度学习算法，并配合大规模云计算能力，构建集基础算力、样本训练、影像解译一体化的高精准，快响应，自动化的影像智能解译方案。将矿区解译成果入库，构建矿区基础地理信息库。利用无人机搭载多镜头、激光雷达等设备对重点监测矿区进行多期实景三维数据、点云数据、DOM、DEM数据采集制作，强化对重点矿区开采活动、开采量情况监测。研发管理矿区各类二、三维地理数据的智能平台，实现对矿区地理信息数据的综合管理、分析及利用。

2.2 技术路线

将高分卫星影像、无人机倾斜摄影测量、实景三维模型及激光雷达点云数据等多源数据采集手段进行综合使用，同时结合大数据技术、云计算技术对全省露天矿山海量遥感数据进行深度学习，实现矿区要素的自动化智能解译，最后再研发管理矿区各类数据的实景三维管理平台，实现对全省露天矿山的信息化、智能化监管，技术路线见图1。

图1 技术路线图

2.3 工艺方法

采用区域网布点法，布设航线，逐条航线布设平高像片控制点的原则进行布点。利用河南省CORS系统，采用RTK测量模式快速静态方式施测。采用无人机搭载进行倾斜摄影测量，并用专业软件完成航测的后期GIS数据处理，生成实景三维模型数据和正射影像数据及DEM数据,通过双屏模式同时加载实景三维模型数据和正射影像数据，二三维联动一体化进行地形图测绘生成DLG[8]。

3 矿山核查与动态监测系统

基于实景三维的露天矿山智能监管示范研究项目情况，将露天矿山智能监管平台划分为10个主要部分，每个部分有各自的功能模块。系统总体功能结构图见图2。

图2 系统功能结构

3.1 系统管理

系统管理提供系统的常用操作，包括用户管理、数据备份、数据恢复和系统日志。系统管理通过角色分配、权限管理，实现差异化的前台浏览机制。提供日常的数据维护功能和数据字典设置功能。

3.2 矿山图层管理

系统底图基于遥感影像、DEM数据构建三维地表模型，可叠加不同时期的矢量数据、倾斜摄影数据；倾斜图层是系统的核心图层，数据量大，系统采用模型库遍历加载所有的露天矿山模型，并根据选择框切换显隐，如图3所示。

图3 矿山图层管理

3.3 动态监测分析设计

3.3.1 矿山超采分析

根据采矿证范围中限采的最低与最高高程，采用绿色棱柱表示允许开采的范围，红色棱柱表示禁止开采的范围。二者共同生成开采控制柱状体，并与倾斜模型进行叠加，根据视觉效果，从顶部看显示绿色表示没有超过开采范围，如果出现红色区域表示存在超采，其中超层开采的面积就是红色区域的面积。超采体积就是红色区域圈定的倾斜模型表面高程对于红色棱柱顶面高差的积分。如图4所示。

图4 开采控制柱状体

3.3.2 矿山核查分析

系统接收加载矿山人员机械活动位置信息，并显示标识在矿山三维模型中，以核查矿山开采活动的位置、范围，对矿山的开采活动进行定位、定期、定量核查监测。信息采用三维坐标实时导入，生成点线面图，并与露天矿山模型，采矿证模型进行三维空间叠加分析，算法如下：

3.3.3 空间分析

如果用户对场景不熟悉，要浏览某个指定模型可能要花费很多时间，定位功能可方便用户快速查找定位到想要浏览的模型，可进行空间分析，算法如下：

4 结 语

本文介绍了露天矿山监管的目的和意义，分析了CESIUM开源三维技术，基于CESIUM设计了一套实景三维监管技术流程，针对矿山动态监测系统中的矿山图层管理，矿山超采，矿山核查、矿山空间进行了算法分析，并建立了一套矿山核查动态监测系统，使得露天矿山监管更加直观、形象，为露天矿山生态恢复、地质环境与地质灾害动态智能监管提供技术示范，为决策者提供全方位、立体化、动态化的露天矿山综合监管。