一种基于倾斜摄影的矿山恢复治理规划方法及系统与流程

1.本发明涉及矿山治理技术领域，具体涉及一种基于倾斜摄影的矿山恢复治理规划方法及算法系统。


背景技术：

2.以往矿山生态环境监测多通过卫星遥感数据辅以野外人工判别等常规手段为主。然而就各类矿山环境而言，矿山地质地貌复杂，传统的野外手段不仅需要投入大量的资金与人力，而卫星数据由于精度不足，会出现难以判别的情况。
3.随着技术的飞速发展，无人机航测技术这一新手段广泛运用于各种资源环境调查工作。与传统卫星遥感和航空摄影测量相比，无人机航测能够快速获取矿山资源、矿山环境等空间信息。目前，无人机航测技术在生态环境监测中的应用，从领域上来看，主要体现在灾害监测、国土资源调查、矿山测量、生态环境调查等方面；应用方式表现为利用数码相机或光谱类设备（如红外摄影机、红外扫描仪、微波辐射计等）获取航测和遥感影像，通过数据拼接与处理，实现宏观环境调查或大范围监测指标（如土地破坏类型、土地利用、植被覆盖等）提取。
4.近十年来，国内外有不少地方利用无人机技术对生态环境、自然资源进行调查和监测，美国 nicolas lewyckyj 等人利用无人机低空航测技术在北卡罗莱纳洲进行自然灾害调查，通过正射影像处理与分析准确评估场房和村庄的损失，显示了无人机航测技术具有的快速反映能力，为灾害的治理提供了及时、准确的数据。
5.2011年邹长慧等对无人机低空航测系统在贵州高原地区的应用前景进行了探讨，其认为以高分辨率数码单反相机作为图像获取传感器、综合运用地面监控软件、影像处理软件和无线电遥控系统的无人机低空航拍系统对贵州高原喀斯特山区的生态环境与灾害监测等众多领域有着十分重要的实际意义。2015年赵星涛等基于无人机获取的矿区高分辨率正射影像，分析了矿山开发活动对研究区的影响与破坏。2014年王海龙等利用低空摄影测量技术在露天矿进行三维数字模型建立，快速构建露天矿边坡精细地形，进行土石方工程量计算、有效降低了数据获取作业成本和劳动强度。广西第一测绘院利用ck
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gy04型无人机低空航测系统，采用了具有特宽角的组合双相机系统，获取了全州县洛江村采石场泥石流灾区部分高分辨率影像，对数据进行处理分析、三维可视化，为救援指挥提供了准确、及时、详细的信息。辽宁省采用无人机对辽河流域治理现状进行遥感监测，获得了航拍影像和监测数据，可以及时掌握辽河治理重点区域的动态变化情况。
6.在把无人机航测技术应用到生态环境的相关研究中，大部分研究都是利用无人机低空摄影测量技术进行地质灾害和生态环境调查、生成数字正射影像和三维地形展示等方面的研究，直接把无人机航测用于恢复治理规划设计方面的研究和文献很少。
7.因此，提供一种利用无人机低空摄影测量进行矿山恢复的基于倾斜摄影的矿山恢复治理规划方法及系统，已是一个值得研究的问题。


技术实现要素：

8.针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种利用无人机低空摄影测量进行矿山恢复的基于倾斜摄影的矿山恢复治理规划方法及系统。
9.本发明的目的是这样实现的：一种基于倾斜摄影的矿山恢复治理规划方法，包括以下步骤：步骤1：采用多镜头无人机采集露天矿山倾斜影像；2、内业空三测量，生成矿山倾斜模型、dem、dsm；3、根据点群探索坡向算法、地形增量修改算法，开发完成的露头矿山恢复治理规划设计平台；4、采用三维交互式设计或二维设计导入，生成规划设计三维景观；5、分类统计各类工程或选定工程的土方量、工程量；6、导出施工图，并根据工程造价计算总工程费用。
10.一种基于倾斜摄影的矿山恢复治理规划系统，包括工具栏模块和菜单栏模块，通过工具栏模块和菜单栏模块，将矿山恢复治理规划的方案制作完成。
11.所述工具栏模块包括图层管理模块、视图管理模块、查询检索模块、实用工具模块、模型管理模块、空间分析模块、治理效果对比模块、三维规划设计模块和剖面分析模块。
12.所述图层管理模块中的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；所述视图管理模块包括居中显示模块、图层控制模块、图层透明模块、高程设置模块、默认视图模块和视图旋转模块；居中显示模块：实现对多个数据图层的显示进行管理，可缩放到任何一个场景图层的全局视图；图层控制模块：含有多个数据图层，图层控制模块对这些图层进行控制管理，调整场景图层的顺序和是否可见；所述实用工具模块包括无极缩放模块、场景调整模块、注记选择模块、绘制工具模块、自定义坐标导入模块、清空注记模块和导航工具模块；所述模型管理模块包括模型加载模块、模型旋转模块、模型拉伸模块、模型设置模块、模型移动模块和模型删除模块。
13.所述三维规划设计模块包括边坡与平台设计模块、水系设计模块、道路设计模块、绿化设计模块、挡墙设计模块和平整设计模块。
14.所述水系设计模块包括沟渠设计与人工湖坑塘设计，沟渠设计采用坡向渐变切割算法，人工湖坑塘设计采用平整降低高程的方法，实现设计区域生成等高程的水面；道路设计模块的算法采用渐变平整方法，沿着设计线，根据道路设计宽度生成随地形渐变的平坦区域，映射纹理，实现道路模型设计；绿化设计模块采用点模型法，预先生成不同类型的树种纹理与模型，根据线状、面状等不同的绿化类型，根据绿化密度计算树位坐标点集合，并添加选定的树种模型、纹理；剖面分析模块包括地形剖面分析模块和模型剖面分析模块。
15.积极有益效果：本发明通过矿山恢复治理规划设计三维实现与展示计算分析，可视化沉浸化强，二维设计并通过三维实现，精确计算各项治理工程工作量及造价，设计效果好，节省操作时间。
附图说明
16.图1为本发明的系统功能的结构示意图。
具体实施方式
17.以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
18.实施例1
一种基于倾斜摄影的矿山恢复治理规划方法，包括以下步骤：步骤1：1、采用多镜头无人机采集露天矿山倾斜影像；2、内业空三测量，生成矿山倾斜模型、dem、dsm；3、根据点群探索坡向算法、地形增量修改算法，开发完成的露头矿山恢复治理规划设计平台；4、采用三维交互式设计或二维设计导入，生成规划设计三维景观；5、分类统计各类工程或选定工程的土方量、工程量；6、导出施工图，并根据工程造价计算总工程费用。
19.实施例2如图1所示，一种基于倾斜摄影的矿山恢复治理规划系统，包括工具栏模块和菜单栏模块，通过工具栏模块和菜单栏模块，将矿山恢复治理规划的方案制作完成。
20.所述工具栏模块包括图层管理模块、视图管理模块、查询检索模块、实用工具模块、模型管理模块、空间分析模块、治理效果对比模块、三维规划设计模块和剖面分析模块。
21.所述图层管理模块中的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。
22.所述视图管理模块包括居中显示模块、图层控制模块、图层透明模块、高程设置模块、默认视图模块和视图旋转模块；居中显示模块：实现对多个数据图层的显示进行管理，可缩放到任何一个场景图层的全局视图；图层控制模块：含有多个数据图层，图层控制模块对这些图层进行控制管理，调整场景图层的顺序和是否可见；图层透明：为了重叠数据的显示方便，可设置图层透明；高程设置：加载到场景的dem数据有时高程的夸张程度不够，使得场景不够逼真，就需要对基础高程进行夸张设置；默认视图：使视图窗口返回到初始视图；视图旋转：通过视图旋转可清楚看到观察点周围信息。
23.视图旋转：通过视图旋转可清楚看到观察点周围信息。
24.所述实用工具模块包括无极缩放模块、场景调整模块、注记选择模块、绘制工具模块、自定义坐标导入模块、清空注记模块和导航工具模块；无极缩放模块：通过鼠标拖拽或鼠标滚轮进行无极缩放，也可按照给定的缩放倍数进行缩放；场景调整模块：可以任意调整相机的位置、目标位置、视觉角度等查看三维模型；注记选择模块：可以对所画的点、线、面注记进行选择，进行编辑、移动、删除等操作；绘制工具模块：在屏幕上绘制点、线、面注记符号；自定义坐标导入模块：可将已知点添加到视图的准确位置上，并可在该点准确地放置模型、添加注记等；清空注记模块：可单个清除符号注记，也可清除所有注记；导航工具模块：实现视图在垂直方向和水平方向的导航。
25.所述模型管理模块包括模型加载模块、模型旋转模块、模型拉伸模块、模型设置模块、模型移动模块和模型删除模块，模型加载：在任何指定的位置向场景中加载地物模型；模型旋转：对模型在场景中摆放的方向和角度进行设置；模型拉伸：对三维场景中选定的某建筑物，对建筑物的高度进行升高或降低编辑，并实时显示改变后的三维景观；模型设置：通过指定准确的参数对模型的属性进行设置；模型移动：通过鼠标选中移动和位置设置等方式移动模型；模型删除：在三维场景中选取任意地物模型确认删除后，从场景汇总抹去该地物，实现拆除效果。
26.空间分析包括模型定位模块和量测功能模块，模型定位模块：用户可能对场景不熟悉，如果要浏览某个指定模型可能要花费很多时间寻找。定位功能可方便用户快速查找定位到想要浏览的模型；量测功能模块：包括距离量测、面积量测、体积量测功能。
27.治理效果对比模块：通过项目治理效果前后各阶段三维场景对比与分析，实现对
各个阶段治理效果分析。
28.三维规划设计模块：根据平面设计或现场设计矢量线，人机交互生成多级边坡与平台及绿化、沟渠、道路、坑塘、外部三维模型综合三维场景。
29.所述三维规划设计模块包括边坡与平台设计模块、水系设计模块、道路设计模块、绿化设计模块、挡墙设计模块和平整设计模块，还包括多平多方案对比模块。
30.边坡与平台设计模块：边坡与平台设计是生态环境恢复治理规划设计中的核心内容之一，系统采用三维模型三角网剖分算法与高程矩阵切割算法，实现对三维模型与地形进行修改。三角剖分算法首先根据设计线与三角网相交生成交点集合，然后把修改区域的所有离散点联结成delaunay三角形，并于原有三角片相接。高程矩阵切割算法基于格网形式的地形进行修改，根据设计线的高程生成现状格网，并根据坡度坡向，计算需要修改的格网范围，然后根据线性内插对修改范围内的所有格网进行重赋值。对于坡向的判断采用自动与人机交互两种模式，人机交互采用鼠标点击取点，然后根据向量点积判断、记忆，并应用与该治理区其他设计线；自动模式则是采用双向等距点群探测算法，判断处坡向，并根据向量点积判断、记忆，应用于治理区域其他设计线。
31.所述水系设计模块包括沟渠设计与人工湖坑塘设计，沟渠设计采用坡向渐变切割算法，，即首先判断沟渠流向，然后沿着设计线修改地形，并尽量保证上游到下游高程递减；人工湖坑塘设计采用平整降低高程的方法，实现设计区域生成等高程的水面；道路设计模块的算法采用渐变平整方法，沿着设计线，根据道路设计宽度生成随地形渐变的平坦区域，映射纹理，实现道路模型设计；绿化设计模块采用点模型法，预先生成不同类型的树种纹理与模型，根据线状、面状等不同的绿化类型，根据绿化密度计算树位坐标点集合，并添加选定的树种模型、纹理；剖面分析模块包括地形剖面分析模块和模型剖面分析模块。
32.剖面分析模块：系统的剖面分析功能可分为地形剖面分析、模型剖面分析两类，其中地形剖面分析是通过在地表面任意绘制一条直线或者折线，分析地形在所选剖面线上的起伏状况；对于模型的建筑物来说，通过剖面分析操作，可以方便得到剖面线上建筑物的轮廓线。并可以查询剖面线上任意一目标点及其周围点的高程，直观了解该点与周围地形的相对关系。为了实现直观分析规划设计工程效果，系统将采用双剖面的模式，即对一条剖面线同时对地形与规划修改的模型进行剖面，并将剖面线显示于同一坐标系统图面，对比每一拐点处工程变化。
33.多屏多方案对比模块：规划方案审批功能作为规划三维辅助决策系统的主要应用，在生态环境规划中，时常需要对多套规划方案进行综合对比分析。多屏显示作为一种较为常见的显示技术，因此规划三维辅助决策系统需要采取多个三维窗口同时对不同的规划方案进行对比分析，并通过对不同规划方案的联动，可以实现不同方案间的实时对比，以直观的方式评价各方案的优缺点。在 skyline 开发组件中，由于没有多屏显示的相关接口，因此多屏多方案是实现本系统的关键及核心。传统的多屏显示在大多数的应用过程中，各屏幕之间是互相孤立的，缺乏内在真正的联系，在操作上也相互独立，无法形成联动，没有能最大限度地发挥出多屏显示的作用。而当系统由单一屏幕窗口切换到多窗口显示时，会造成数据量和相应的计算量成倍增长，多屏多方案的第一个难点便是将不同的规划方案置于不同的窗口进行显示。
34.规划方案对比中，不同的内容在不同窗口显示时，需求屏幕窗口之间显示的内容始终保持同步性与联动性，当对其中任意窗口的显示内容进行操作或修改调整时，与之关联的其他内容也进行随之改变。因此需要建立一座桥梁将不同窗口的内容联系起来，依据不同的情况选择不同关联内容，这种关联关系反映了相应内容的连接方式。通过对城市规划三维辅助决策系统中多屏多方案显示的内容进行分析，主要的关联关系为建筑物的地理位置，当多方案进行对比时，每一个方案所对应的对象具有相同的地理位置信息。将当前操作的窗口识别为当前的主窗口，并通过二次开发 inavigame6 接口，提供的 getposition 方法将主窗口的实时视角位置等信息写入位置配置文件；其余副窗口通过读取位置配置文件，应用 setposition 方法实时获取主窗口的视角位置信息，根据所获取的信息调整视角位置。应用多屏多方案进行比较时，可以快速地实现目的，大大节省操作时间。
35.本发明通过矿山恢复治理规划设计三维实现与展示计算分析，可视化沉浸化强，二维设计并通过三维实现，精确计算各项治理工程工作量及造价，设计效果好。