礦山地質(zhì)環(huán)境保護與治理恢復中無人機遙感技術(shù)的應(yīng)用實踐

劉淑慧

(青海有色測繪勘察院，青海 西寧 810000)

0 引 言

中華人民共和國國土資源部令44號《礦山地質(zhì)環(huán)境保護規(guī)定》于2009年5月1日起實施。采礦權(quán)申請人申請采礦許可證時、擴大開采規(guī)模、變更礦區(qū)范圍或者開采方式的，應(yīng)當編制礦山地質(zhì)環(huán)境保護與治理恢復方案。自從我國頒布了國土資源令以后，我國的地質(zhì)環(huán)境管理部門對環(huán)境進行了監(jiān)督，同時還會對作業(yè)進行定期的檢查，還會進行相關(guān)的拍照以便留檔[1]。無人機可以攜帶攝影機，它能夠準確快速的小面積的地形信息，最近幾年，無人機的運用越來越廣泛，通過無人機可以輕松的獲取人們想要的信息，這樣可以有效的減少人工的干預(yù)，同時也可以減少工作人員的工作量。本文對青海某礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境保護與治理恢復進行了分析，主要是利用無人機進行數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理劑數(shù)據(jù)分析，同時還探討了礦山地質(zhì)環(huán)境保護與治理恢復中無人機遙感技術(shù)的應(yīng)用實踐。

1 礦區(qū)介紹

礦區(qū)大部分分布著稀土礦，礦層的深度大概是1～2米左右，采礦的方式主要是露天。在開采礦的過程中主要是根據(jù)地形進行的，如礦層是沿著山坡分布的，所以露天開采是利用階梯式的開采方式。礦區(qū)采礦已經(jīng)有幾十年了，對地表已經(jīng)造成了嚴重的破壞，比如：地表下層、動植物無法生存、水土流失嚴重、廢渣隨意堆放等問題。目前礦區(qū)的環(huán)境治理問題刻不容緩，由于采礦活動對大自然的破壞，直接會影響人的生存問題。根據(jù)這些現(xiàn)狀國家對礦山地質(zhì)環(huán)境保護與治理恢復提出了新的要求。無人機的主要作用就是監(jiān)測和獲取相關(guān)的信息，有利于人們對環(huán)境的治理。

2 無人機低空攝影介紹

無人機是一種受遙控控制的不載人飛機，無人機可以攜帶攝影機，然后可以構(gòu)成分辨率比較高的低空行攝系統(tǒng)?，F(xiàn)在無人機廣泛運用于測繪行業(yè)，它能夠?qū)ΦV山地質(zhì)環(huán)境保護與治理恢復進行監(jiān)控。無人機匯聚了遙感、遙控、低空攝影的技術(shù)，給人類帶來了很大的幫助。

無人機如果與衛(wèi)星遙感或是與常規(guī)的攝影測繪相比，無人機運用起來比較方便，操作的技術(shù)水平要求的專業(yè)程度不需要有多高，無人機可以承載不同的遙感器，它可以獲取很多時相、光譜、分辨率遙感影響數(shù)據(jù)，使用無人機的成本是比較低的，無人機可以自己規(guī)劃路線，它可以及時的進入礦區(qū)，了解礦區(qū)的一些情況，然后為解決礦區(qū)問題制定相應(yīng)的方案[2]。

3 無人機對礦區(qū)地形的測繪流程

3.1 工作步驟

無人機攝影測繪技術(shù)設(shè)計主要包括：航攝、外控方案設(shè)計、無人機航飛實施、攝影質(zhì)量檢查、GPS外業(yè)控制測量、外業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測等。

3.2 航拍的實行

1)設(shè)計要求

在無人機開始作業(yè)之前，首先要了解測繪的概況、測繪的范圍、時間的安排等，然后再具體制定航拍計劃，規(guī)劃無人機起飛和落地的具體場所。

2)飛行要求

在無人機試飛的時候需要考慮該地的天氣情況，無人機不適合在陰雨天進行飛行，最佳的測繪時間應(yīng)該在上午的10點到下午的2點左右。只有在光線足夠好的時間里拍攝才不會影響攝影的清晰度和亮度，選在上午10點到下午2點的時間是因為光線與地球是垂直的，地面的陰影面積最小，無人機在不出故障的情況下可以獲得清晰的成像。無人機操作的具體流程如下：

a對無人機進行組裝，對地面的系統(tǒng)最好聯(lián)機，為試飛做好充分的準備；

b無人機從彈射架上開始起飛，在起飛過程中需要對無人機進行監(jiān)控，做好相關(guān)數(shù)據(jù)的傳達，讓無人機按照規(guī)劃的路線進行飛行，同時控制好無人機的攝影系統(tǒng)，及時對數(shù)據(jù)進行傳輸；

c無人機飛行結(jié)束后要平穩(wěn)著陸，著陸的地點盡量選擇空曠的地點進行著陸；

d著陸后對無人機進行檢查看是否出現(xiàn)故障，然后對無人機的拍攝情況做好記錄，最好結(jié)束航拍。

3.3 拍攝范圍的布置

拍攝范圍布置的主要原因是能夠拍攝到自己想要的數(shù)據(jù)，而不是隨意的拍攝，拍攝范圍的布置可以提高工作的質(zhì)量，后期不需要對數(shù)據(jù)進行沒有必要的篩選[3]。拍攝范圍布置的主要要求是測繪內(nèi)部進行均勻的布點，從而保證整個項目成圖的均勻化。

3.4 數(shù)據(jù)處理

1)空中三角測量

經(jīng)過改正以后無人機的數(shù)據(jù)差為零。它主要運用的是邊框的測量方法，但是在測量中需要注意的是地球曲率、大氣折光等因素，這里可以使用自檢校平差。在這個過程中需要均勻的布點，每一個點要進行有效的連接。

2)內(nèi)部數(shù)據(jù)的處理

這里可以使用無人機的攝影系統(tǒng)講述劇導入到POS數(shù)據(jù)然后進行加密，同時還需要對內(nèi)部的方位和微積分進行糾正，經(jīng)過不要的色彩平衡、圖形的鑲嵌等，然后形成清晰的圖像。運用的是內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集，按照具體的要求對圖片進行分層處理，然后對地形、地貌的圖片進行有效的編輯，最后形成完整的圖片。

3.5 無人機精度的審核

無人機數(shù)據(jù)精度的審核主要是在數(shù)據(jù)采集之后需要做的，選做的主要是對無人機的數(shù)據(jù)精準度進行有效的評價。為了讓無人機拍攝的精準度達到最高，一般為選擇在道路的交叉路口進行布點。

4 礦山地質(zhì)環(huán)境的主要問題

青海的礦山開采對環(huán)境造成嚴重的破壞，破壞的問題比較突出的有兩種情況：第一對土地土地資源造成了嚴重的破壞；第二產(chǎn)生了大量的地質(zhì)災(zāi)害[4]。

礦的開采對畜牧業(yè)造成了威脅。礦的開采會產(chǎn)生大量的廢棄物，它的隨意堆放不僅會占用耕地還會對土地資源造成污染。

地質(zhì)的遺跡和風景會遭受嚴重的破壞。地質(zhì)的遺跡是不可再生資源，青海省可是一個旅游的大省，對風景的破壞對人類來說是一個巨大的損失。由于當?shù)貙Νh(huán)境的保護不到位，很多的自然景觀已經(jīng)不能在青海看到了，青海省的采礦業(yè)嚴重影響了青海的可持續(xù)發(fā)展。

5 數(shù)據(jù)獲取與處理

這里采用的是天寶UX5無人機，在2016年9月2日對試驗礦區(qū)進行了數(shù)據(jù)獲取與處理。天氣的情況是晴天。無人機有監(jiān)測系統(tǒng)、路線規(guī)劃系統(tǒng)、糾正系統(tǒng)。

5.1 數(shù)據(jù)獲取

首先要對礦區(qū)的基本情況進行科學的分析，然后根據(jù)實際情況制定一個礦山地質(zhì)環(huán)境保護與治理恢復的方案。具體的地形樣式可以從谷歌地圖上下載具體的央視，然后再策劃無人機飛行的具體路線，無人機飛行的路線、時間、高度等都要做好安排，其目的就是使得數(shù)據(jù)能偶準確。這里我們規(guī)劃了7條航拍路線，無人機飛行的方向是東南方。如圖1所示是相機曝光位置及影像的重疊度。無人機在起飛前要對地貌進行勘察，然后確定具體的起落地點。在2016年9月2日中午運用了無人機UX5進行飛行，獲得的數(shù)據(jù)為圖片的重疊率為80%，無人機航拍的高度為610 m?？偣搏@取的圖片有97張，照片清晰、曝光適當。

無人機參數(shù)：起飛重量2.5 kg；起飛方式為彈射起飛；冀展100 cm；飛行時長50 min；無線通訊距離5 km；材質(zhì)為碳纖骨架，內(nèi)部是發(fā)泡聚丙烯泡沫；攜帶相機型號Sony NEX5-R；照片像素數(shù)為4 912×3 264。

數(shù)據(jù)獲取情況：飛行時間22 min；飛行高度610 m；地面分辨率16 cm；覆蓋面積2.286 km2；設(shè)計重疊率80%；飛行方向為東西向；航線數(shù)7條；照片數(shù)量97張；照片總數(shù)據(jù)量317 MB。

5.2 數(shù)據(jù)處理

在沒有控制點的情況下，無人機的設(shè)想系統(tǒng)實施自動生成實景的三維模型的。無人機的數(shù)據(jù)處理包括對照片的編輯、相機的參數(shù)、色彩調(diào)整等。

本次數(shù)據(jù)處理運用的是電腦配置為Windows10的系統(tǒng)，內(nèi)存為32G，處理數(shù)據(jù)的軟件為Smart3D Capture，這個軟件能夠?qū)θS模型進行快速的構(gòu)建。三維模型可以從不同的角度觀察到礦區(qū)的地貌形態(tài)。

6 礦山地質(zhì)環(huán)境的監(jiān)測研究

遙感技術(shù)是探究地表物質(zhì)的一門學科，青海的地形地貌是比較復雜的，運用遙感技術(shù)可以有效的對青海的地形地貌進行監(jiān)測，然后還可以分析地質(zhì)地貌存在的問題，有效的發(fā)揮遙感技術(shù)的作用，主要是檢測出采礦對地表的破壞程度，采礦引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害等。通過無人機對礦區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害進行檢測和預(yù)防，有效的避免對人類的生命財產(chǎn)造成威脅[5]。

6.1 地質(zhì)環(huán)境影響的檢測

經(jīng)過近幾年的調(diào)查，礦區(qū)暫時還沒有出現(xiàn)山體滑坡、崩坍的地質(zhì)災(zāi)害，但是在礦山的開采過程中出現(xiàn)了地裂縫的現(xiàn)象，地裂縫出現(xiàn)在多種范圍之內(nèi)，由于礦區(qū)的大面積開采，地下與地表是架空的，一旦出現(xiàn)地震或者是暴雨很都可能會出現(xiàn)塌陷的現(xiàn)象，不僅如此地下隔水層也會遭到破壞，地下的儲水結(jié)構(gòu)也會出現(xiàn)變化，如果在采礦過程中出現(xiàn)水下滲的現(xiàn)象是非常嚴重的。

6.2 地質(zhì)環(huán)境的預(yù)測和評估

對地質(zhì)危害性的預(yù)測評估認為：采礦可能會引發(fā)一系列的問題，如：地表塌陷、裂縫、水土流失等，主要表現(xiàn)為耕地大量的減產(chǎn)和林地遭受嚴重的破壞，如果礦物質(zhì)殘渣可能會對土地資源造成污染，礦區(qū)的污染排放也將會影響地下水。礦區(qū)的用地面積是 4 hm2，礦區(qū)占用的旱地有11 hm2，占用草地達到了3萬公頃。礦區(qū)的廢棄物堆放就占用了土地1 hm2。礦區(qū)開采將會導致一系列的自然災(zāi)害，如：塌陷、泥石流等，較為嚴重的受災(zāi)區(qū)占了礦區(qū)面積的80%，對土地資源造成了較為嚴重的破壞。在采礦過程中需要對礦區(qū)的地貌進行科學的研究，需要高度計算地下水的分布及礦物質(zhì)的分布，同時在采礦過程中還需要對礦區(qū)進行保護，避免出現(xiàn)礦難。

6.3 地質(zhì)環(huán)境的治理

根據(jù)無人機遙感技術(shù)獲取的資料，然后對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境的評估，制定一個合理的環(huán)境保護方案，從而實現(xiàn)礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。在采礦過程中就需要制定一個科學合理的環(huán)境保護方案，工作的部署可以分為近期和中期，近期一般是五年、中遠期一般是五年后。礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境治理的措施有：

1)自然災(zāi)害的預(yù)防，如：礦區(qū)出現(xiàn)崩塌、滑坡、裂縫等現(xiàn)象，這里可以對礦區(qū)進行填埋，而不是置之不理；

2)對礦區(qū)的植被和自然景觀進行保護，在開采礦過程中種植相關(guān)的植被，西北地區(qū)環(huán)境比較惡劣，一旦植被被破壞可能再也無法生長出來，所以要實行相關(guān)措施對植被進行保護；

3)轉(zhuǎn)移礦廠的廢棄物，可以合理使用礦廠的廢棄物，比如把礦廠的廢棄物放入建筑行業(yè)可以做成泥、沙、磚頭等，這樣不僅解決了廢棄物的堆放問題，還可以實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，符合我國推行的可持續(xù)發(fā)展觀；

4)對礦區(qū)的裂縫進行及時的填滿，及時的恢復土地的生產(chǎn)能力；

5)解決當?shù)鼐用裼盟秒姷膯栴}；

6)建立對礦山的地質(zhì)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，目的就是為了能夠監(jiān)督礦區(qū)對環(huán)境的保護和礦區(qū)地形地貌的具體變化情況。

6.4 礦區(qū)環(huán)境的保護和恢復建議

從上文我們可以看出礦區(qū)的地形環(huán)境比較復雜，所以在治理環(huán)境的時候需要辨證的看待問題，我們要充分的利用現(xiàn)代科學技術(shù)，如無人機遙感技術(shù)，無人機遙感技術(shù)是現(xiàn)代新興的一種技術(shù)，由于近幾年不斷的運用到測繪科目中，它的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)相當?shù)某墒?，它能夠低成本的為工作人員獲取礦區(qū)的一些基本情況，同時還能夠?qū)ΦV區(qū)進行監(jiān)控。相關(guān)的工作人員可以根據(jù)無人機遙感技術(shù)拍攝的照片就能分析出礦區(qū)基本的地形地貌，或者是礦區(qū)的一些地質(zhì)災(zāi)害。通過數(shù)據(jù)的分析得出，礦區(qū)的開采很容易引發(fā)崩塌、滑坡、地裂縫等現(xiàn)象。因此，在對礦區(qū)環(huán)境保護的過程中需要對礦區(qū)的經(jīng)濟、交通、水源進行保護，應(yīng)從礦區(qū)的地貌、地形、地質(zhì)災(zāi)害、自然景觀三個方面進行分析。礦區(qū)的問題相當?shù)亩啵热缇用駥ΦV區(qū)造成的污染嚴重不滿，礦區(qū)需要對居民進行補償，可以為居民無償?shù)奶峁┧Y源、電資源等，在采礦的過程中不要盲目的追求眼前的利益，應(yīng)該從長遠出發(fā)，應(yīng)該制定相關(guān)的環(huán)境治理方案，利用現(xiàn)代技術(shù)結(jié)合實際情況制定一個科學合理的環(huán)境治理方案。

7 結(jié) 語

遙感技術(shù)是探究地表物質(zhì)的一門學科，青海的地形地貌是比較復雜的，運用遙感技術(shù)可以有效的對青海的地形地貌進行監(jiān)測，然后還可以分析地質(zhì)地貌存在的問題，有效的發(fā)揮遙感技術(shù)的作用。利用現(xiàn)代技術(shù)結(jié)合實際情況制定一個科學合理的環(huán)境治理方案。無人機遙感技術(shù)是現(xiàn)代新興的一種技術(shù)，由于近幾年不斷的運用到測繪科目中，它的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)相當?shù)某墒?，它能夠低成本的為工作人員獲取礦區(qū)的一些基本情況，同時還能夠?qū)ΦV區(qū)進行監(jiān)控。無人機遙感技術(shù)對礦區(qū)的環(huán)境保護、恢復及治理。根據(jù)無人機遙感技術(shù)獲取的資料，然后對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境的評估，制定一個合理的環(huán)境保護方案，從而實現(xiàn)礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。