無人機測繪在某鋁土礦山土地復(fù)墾中的應(yīng)用

劉　聰，賀躍光，陳　帥，杜年春

(1. 長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，湖南 長沙　410076； 2. 湖南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙　410151；

3. 中國有色金屬長沙勘察設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙　410011)

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無人機測繪在某鋁土礦山土地復(fù)墾中的應(yīng)用

劉聰1，賀躍光1，陳帥2，杜年春3

(1. 長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，湖南 長沙410076； 2. 湖南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙410151；

3. 中國有色金屬長沙勘察設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙410011)

摘要：結(jié)合某鋁土礦山礦床分布零散、礦藏賦存淺、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用露天開采方式且開采推進速度快、用地周期短等特點，將低空無人機遙感測繪成果應(yīng)用到礦山規(guī)劃、設(shè)計、生產(chǎn)及開采后的礦區(qū)土地復(fù)墾中，并將復(fù)墾前后的低空無人機遙感數(shù)據(jù)進行對比分析，開展復(fù)墾后土地綜合效益評價：復(fù)墾后耕作土地總量增加，復(fù)墾地適用性增強、地力提高，對未來礦山測量具有很好的參考價值。

關(guān)鍵詞：鋁土礦山；復(fù)墾；低空無人機；數(shù)字正射影像

0前言

某鋁土礦為巖溶堆積型，礦山占地面積大，開采占用土地時間短，開采后的土地質(zhì)量能夠得到大幅度提升。由于礦山所在地土地資源十分緊缺，對于已開采礦區(qū)的土地，若長時間處于荒廢狀態(tài)，礦山每年需支付大量土地使用費用，導(dǎo)致土地資源的極大浪費。為縮短礦山開采占地時間，保證礦區(qū)土地的及時流轉(zhuǎn)，根據(jù)某鋁土礦采礦用地的臨時性和可恢復(fù)性，需及時進行礦區(qū)土地復(fù)墾，采用先進的低空無人機遙感測繪技術(shù)，快速獲取礦區(qū)的數(shù)字正射影像與數(shù)字高程模型等基礎(chǔ)資料，及時對該鋁土礦山開采及采區(qū)土地復(fù)墾設(shè)計，對實現(xiàn)鋁土礦山土地的可持續(xù)利用有重要意義[1]。

1低空無人機遙感數(shù)據(jù)處理

研究采用DATmatrix系統(tǒng)軟件，由航天遠景公司自主研發(fā)的數(shù)據(jù)空三加密處理軟件，利用少量地面控制點計算測區(qū)中所有影像的外方位元素和所有加密點的地面坐標(biāo)。該軟件主要針對小數(shù)碼影像，也支持大數(shù)碼影像及膠片影像。除去半自動量測控制點之外，其余工作包括內(nèi)定向、連接點的自動提取等均可自動化初處理。同時，PATB平差軟件的粗差檢測和平差計算功能強大，能快速進行低空無人機影像平差解算[2]。具體操作流程如下。

1) 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

根據(jù)航飛示意圖以及相機參數(shù)，準(zhǔn)備影像及其連接模型。

2) 工程自動內(nèi)定向

內(nèi)定向是根據(jù)像片框標(biāo)及相機參數(shù)，恢復(fù)相機與影像的相對位置。內(nèi)定向目的是建立像方坐標(biāo)系。在空中三角測量軟件DATmatrix中，導(dǎo)入相片的框標(biāo)坐標(biāo)和相應(yīng)攝影機的待定參數(shù)，即內(nèi)定向[3]。

3) 連接點的自動提取

DATmatrix包含有自動轉(zhuǎn)點功能，根據(jù)要求逐個對相鄰兩張影像進行同名點的選取，生成影像連接點。工程的所有影像進行內(nèi)定向后，執(zhí)行自動轉(zhuǎn)點操作。

4) 交互編輯

自動轉(zhuǎn)點產(chǎn)生大量連接點后，在工程區(qū)域四周的影像上刺入外業(yè)GPS控制點，查看在平鋪視圖下影像連接點的分布情況，在影像上缺少連接點的地方人工添加點，編輯、刪除不好的連接點之后，進行patb初次平差解算。了解連接點的精度情況，應(yīng)查看是否有影像局部上沒有連接點、航帶間沒連接點等情況，補充連接點；編輯爭議點列表里的點、刪除誤差過大的爭議點，再次平差解算。多次平差解算后，在patb界面上重新設(shè)置sigma值，當(dāng)?shù)\算后出來新sigma值與之前解算設(shè)置sigma值相同，交互編輯結(jié)束。

5) 空三加密成果

根據(jù)空三的預(yù)覽功能，將錯誤連接點剔除后，進行空中三角測量。在數(shù)據(jù)迭代過程中可能出現(xiàn)誤差比較大或者無法完成的情況，對此可以調(diào)節(jié)權(quán)重的大小，反復(fù)試驗幾次，剔除一些誤差較大的點之后，設(shè)置權(quán)值與影像分辨率接近的值，然后完成patb空三解算。空三處理流程見圖1。

圖1　空三處理流程

6) DLG、DEM、DOM等的制作

導(dǎo)出空三加密成結(jié)果文件XML，用作DLG、DEM、DOM等的制作[4]。在MapMatrix上打開空三成果文件，建立影像的立體模型，調(diào)用Featureone特征采集工具欄，對數(shù)據(jù)進行采集、處理、編輯，從而生成DLG成果。

在區(qū)域網(wǎng)平差結(jié)果滿足作業(yè)的要求的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)定向的結(jié)果進行核線重采和樣影像匹配，設(shè)置好格網(wǎng)間距和等高距，從而生成DEM。

在影像進行勻光、勻色的基礎(chǔ)上，通過數(shù)字高程模型，對正射影像拼接、裁剪，即可得出DOM。

2低空無人機遙感在土地復(fù)墾中的應(yīng)用

某鋁土礦所屬的礦床結(jié)構(gòu)為巖溶堆積型，針對這種礦床具有分布零散、礦藏埋設(shè)深度淺、復(fù)合物地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點，通常采用露天開采方式。露天開采推進速度快，用地周期短，從征地、剝離、采礦僅需2~3年。開采結(jié)束后，對采區(qū)土地進行復(fù)墾，可有效提高土地質(zhì)量并及時投入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。復(fù)墾后的土地利用性質(zhì)不變，保證礦區(qū)農(nóng)用土地總量的動態(tài)平衡，保護礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)。在復(fù)墾方式的選擇上，采用工程復(fù)墾和生物復(fù)墾相結(jié)合，實現(xiàn)土地的良性循環(huán)。工程復(fù)墾的主體是礦山企業(yè)，而農(nóng)民則是進行生物復(fù)墾的主體，所以征地補貼應(yīng)保障農(nóng)民的利益，保證土地的可持續(xù)利用[5]。

2.1規(guī)劃設(shè)計中的應(yīng)用

土地復(fù)墾前期規(guī)劃設(shè)計主要包括施工圖的設(shè)計和施工成本的概預(yù)算。施工圖的設(shè)計主要是利用低空無人機遙感影像獲得的數(shù)字線劃圖的基礎(chǔ)上進行規(guī)劃組織設(shè)計，同時輔以數(shù)字正射影像作為底圖數(shù)據(jù)，更真實的反應(yīng)采空區(qū)的現(xiàn)場情況。根據(jù)現(xiàn)有施工設(shè)備和施工技術(shù)，按規(guī)范要求對采空區(qū)進行規(guī)劃設(shè)計。

施工成本的概預(yù)算主要是提升采空區(qū)的復(fù)墾成本管理，加強施工過程中的費用管理及成本控制，合理利用分配資源。采用低空無人機獲得的數(shù)字高程模型，準(zhǔn)確的計算填挖土方量，避免嚴(yán)重超挖填土方量，影響施工成本控制。

2.2施工過程中的應(yīng)用

土地復(fù)墾施工主要包括施工放樣和現(xiàn)場施工。施工放樣是利用低空無人機遙感獲得的數(shù)字正射影像，帶有坐標(biāo)系統(tǒng)的影像數(shù)據(jù)，將需要放樣的點線導(dǎo)入規(guī)劃區(qū)的數(shù)字正射影像，即將放樣的點線坐標(biāo)與數(shù)字正射影像合成，判斷設(shè)計點位在實地的物理位置，便于點線的快速定位。現(xiàn)場施工是根據(jù)設(shè)計圖紙確定需要進行復(fù)墾的采區(qū)，對采區(qū)依據(jù)施工圖，利用大型機械對底板進行平整，對于灰?guī)r底板應(yīng)該首先對牙床進行爆破平整之后鉤松作業(yè)，在鉤松作業(yè)完成之后鋪設(shè)30 cm以上的剝離土作為耕作層，最后進行道路、邊坡、排水溝的綜合整治。平地要求坡度在3%~5%之間，坡地坡度要求≤25%，具體復(fù)墾工藝流程見圖2。

圖2　復(fù)墾工藝流程

2.3在土地復(fù)墾后評價中的應(yīng)用

對復(fù)墾后的土地，同樣采用低空無人機遙感技術(shù)進行低空航拍。通過內(nèi)業(yè)的快速處理技術(shù)，獲取復(fù)墾后土地的地形資料。在對比復(fù)墾前后土地的變化后，進行復(fù)墾土地綜合效益的評價。主要體現(xiàn)在3個方面。

1) 復(fù)墾后耕作土地總量增加(原不能耕作的石地經(jīng)過工程復(fù)墾后，改良成能耕作的土地)，就該礦區(qū)而言，開采前耕地面積為38 km2，復(fù)墾后的耕地面積為41.8 km2，礦區(qū)耕地面積增加了10%。

2) 復(fù)墾地適用性增強，原來的坡地復(fù)墾成為平地。

3) 復(fù)墾土地的地力明顯得到提高。采礦提取了地里的鋁土礦石，工程復(fù)墾鋪設(shè)了優(yōu)質(zhì)的耕作層，生物復(fù)墾保證了土壤肥力。土地被租用前，種植的農(nóng)作物主要是木薯或玉米，1公頃地年收入7 500元左右，且耕作困難。土地被租用后，礦山企業(yè)給予的補償費用是163 349元/hm2，租期4年。租賃到期，租用地經(jīng)復(fù)墾后歸還農(nóng)民。現(xiàn)在種植甘蔗，畝產(chǎn)約4 t，年收入達到30 000元/hm2，相比較租用前，較大的提高收入。采用以租代征，邊開采邊復(fù)墾政策，提高了礦區(qū)人民的生活條件，增加了人均耕地面積，實現(xiàn)礦區(qū)建設(shè)的穩(wěn)步發(fā)展[6]。截止到目前為止，該鋁土礦通過國土資源部組織的專項驗收。據(jù)統(tǒng)計，礦區(qū)先后復(fù)墾土地共計328 hm2，平均復(fù)墾率100%，平均復(fù)地率達70%。

3結(jié)語

通過將低空無人機遙感系統(tǒng)，獲得某鋁土礦山的測繪成果，應(yīng)用到鋁土礦山采區(qū)土地復(fù)墾中，實踐表明其獲得的數(shù)字正射影像、數(shù)字高程模型、數(shù)字線化圖等基礎(chǔ)資料，能夠快速準(zhǔn)確指導(dǎo)該鋁土礦區(qū)土地復(fù)墾，取得復(fù)墾后耕作土地總量增加，復(fù)墾地適用性增強，地力提高。對未來礦山測量的發(fā)展具有很好的參考價值。

參考文獻：

[1]許恒周, 郭忠興. 科學(xué)發(fā)展觀指導(dǎo)下的土地可持續(xù)利用問題[J]. 國土資源科技管理, 2005(4): 55-59.

[2]段福洲. 近地輕型數(shù)碼航空攝影測量系統(tǒng)研究[D]. 北京: 首都師范大學(xué), 2007.

[3]陳世培,王鐵軍.關(guān)于數(shù)字?jǐn)z影測量內(nèi)定向的幾個問題[J]. 測繪與空間地理信息, 2004(2): 21-23.

[4]王有業(yè). 無人機技術(shù)在數(shù)字礦山中的應(yīng)用[J]. 山西焦煤科技, 2012(12): 45-47.

[5]張黎.桂陽縣礦區(qū)土地復(fù)墾模式研究[D]. 長沙: 湖南師范大學(xué), 2013.

[6]郄瑞卿, 崔寶華, 關(guān)俠. 建筑用石灰?guī)r礦土地復(fù)墾綜合效益評價[J]. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2014(4): 494-499.

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An Application of No-machine Mapping in Bauxite Mountain Land Reclamation

LIU Cong1, HE Yueguang1, CHEN Shuai2, DU Nianchun3

(1.SchoolofCommunicationandTransportationEngineering,ChangshaUniversityofScienceandTechnology,

Changsha,Hunan410076,China; 2.HunanEngineeringPolytechnic,Changsha,Hunan410151,China;

3.ChinaNonferrousMetalsIndustryChangshaGeotechnicalInvestigationandDesign

ResearchInstitute,Changsha,Hunan410011,China)

Abstract:Combined with a bauxite mountain deposit distribution scattered, mineral assigned save shallow and geological structure complex, we have used an open mining way in mining advance speed fast. With cycle short, features, we will do a low no-machine remote sensing mapping in application to mine planning, design, production and the mining of mine land reclamation in reclamation. We, in front and at back, have also begun low no machine remote sensing data in compared analysis to carry out reclamation land integrated in benefits evaluation. The reclamation of farming land total increased with its reclaimed applicability and enhancement, and all of the mines will have a very good reference value for the future.

Key words:Bauxite mine; Reclamation; Low-altitude drone; Digital orthophoto

中圖分類號：TD178

文獻標(biāo)識碼：B

doi：10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.01.014

作者簡介：劉聰(1991-)，男，湖南益陽人，碩士研究生，研究方向：航空攝影測量及地表變形研究，手機：15200854811，E-mail：1508553982@qq.com.

收稿日期：2015-10-23