無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)在礦區(qū)土地復(fù)墾中的應(yīng)用研究

宋志鵬，李春梅，趙長(zhǎng)勝，金 威，王 奇，李賦吟，耿譽(yù)峰

（江蘇師范大學(xué)科文學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

礦產(chǎn)資源是我國(guó)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，尤其是改革開(kāi)放以來(lái)，黨和政府十分重視礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)工業(yè)的發(fā)展，發(fā)展了大批的新興礦井。但是大量礦山開(kāi)采，引起了地表塌陷，損害了土地結(jié)構(gòu)，在一定程度上毀壞了地表的許多耕地以及基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)也給礦區(qū)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞。在追求人與自然和諧發(fā)展的今天，礦區(qū)的土地復(fù)墾和生態(tài)恢復(fù)也成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

礦區(qū)土地復(fù)墾和生態(tài)恢復(fù)是涉及土地、礦業(yè)、測(cè)繪、水利、農(nóng)業(yè)等多學(xué)科的綜合性工作,是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。針對(duì)于此，習(xí)近平總書(shū)記曾在十九大報(bào)告中明確指出:“人類只有尊重自然規(guī)律才能有效的防止在開(kāi)發(fā)利用自然上走向彎路，還自然寧?kù)o、和諧、美麗?！碧岢鹕姐y山不如綠水青山。提高礦區(qū)土地利用率和重建礦區(qū)生態(tài)迫在眉睫，盡快恢復(fù)礦區(qū)土地的作用以及加強(qiáng)對(duì)其生態(tài)的保護(hù)以及重建，為推動(dòng)礦區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，也為我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展提供支撐。

無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)在當(dāng)前得到了廣泛的應(yīng)用，其涉及到了城市規(guī)劃、地質(zhì)勘測(cè)、資源調(diào)查與監(jiān)測(cè)多個(gè)領(lǐng)域[1]。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)是無(wú)人機(jī)和數(shù)碼相機(jī)不斷發(fā)展最終結(jié)合得到的產(chǎn)物，是傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量的衍生，能快速的采取地形等數(shù)據(jù)。在測(cè)繪方面，由于對(duì)地形精度的要求越來(lái)越高，較之部分區(qū)域地形較為測(cè)量，傳統(tǒng)測(cè)量方法測(cè)量存在較大困難，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)也逐漸體現(xiàn)出來(lái)。王湘文等[2]通過(guò)無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)進(jìn)行大比例尺地形圖繪制，并證實(shí)了其可行性；姜尚潔等[3]利用無(wú)人機(jī)，實(shí)時(shí)獲取道路車(chē)輛多源影像，從而測(cè)算車(chē)輛速度，為道路監(jiān)控管理部門(mén)提供一種高效率、機(jī)動(dòng)靈活的監(jiān)測(cè)模式。無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)在信息收集、信息處理以及影像資料獲取等工作中,有著重要作用[4]。隨著我國(guó)進(jìn)入到生態(tài)文明建設(shè)時(shí)期,學(xué)者們對(duì)礦山土地復(fù)墾的研究不再僅限于復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)和效益評(píng)價(jià),而是更關(guān)注礦區(qū)土地的生態(tài)恢復(fù)治理問(wèn)題[5-7]。

本文結(jié)合安徽省淮北市劉橋二礦實(shí)際問(wèn)題，通過(guò)實(shí)地踏勘、方案設(shè)計(jì)，應(yīng)用無(wú)人機(jī)進(jìn)行了野外數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行了圖像和數(shù)據(jù)處理，在此基礎(chǔ)上，對(duì)礦區(qū)塌陷地進(jìn)行了土地復(fù)墾以及生態(tài)恢復(fù)問(wèn)題研究。

1 基于無(wú)人機(jī)測(cè)繪的礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)恢復(fù)研究

1.1 研究目標(biāo)

①無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用于土地復(fù)墾精細(xì)測(cè)量方案；②通過(guò)密集匹配獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立精確的地形三維模型，實(shí)現(xiàn)土石方，面積等的精細(xì)計(jì)算，為土地復(fù)墾和生態(tài)恢復(fù)提供依據(jù)；③利用三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制測(cè)區(qū)的精細(xì)地形圖和三維可視化圖件，為土地復(fù)墾和生態(tài)恢復(fù)提供詳細(xì)，準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)資料。

1.2 研究方案

根據(jù)項(xiàng)目研究的內(nèi)容和研究方法，制定技術(shù)路線圖。技術(shù)路線主要包括如下內(nèi)容：①對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行傾斜攝影及控制點(diǎn)量測(cè)，獲得影像圖及高精度野外控制點(diǎn)，為后續(xù)工作提供好的數(shù)據(jù)資料;②對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去除不需要的冗余數(shù)據(jù)，為后續(xù)工作提供精簡(jiǎn)的數(shù)據(jù)資料;③對(duì)外業(yè)獲得的航空影像及控制點(diǎn)數(shù)據(jù)利用Smart 3D數(shù)據(jù)處理軟件及密集匹配算法進(jìn)行精細(xì)三維建模及正攝影像圖的制作，并結(jié)合EPS三維測(cè)圖、CASS等軟件進(jìn)行模型分析，獲得邊界線，面積，體積等基本資料，為土地復(fù)墾提供初始數(shù)據(jù)資料;④通過(guò)上述資料進(jìn)行土地復(fù)墾研究，分析土地可利用狀況，提出有效的土地復(fù)墾與生態(tài)恢復(fù)方案。具體流程如圖。

圖1 工作流程

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 測(cè)區(qū)概況

劉橋二礦位于東經(jīng)116°32′-116°44′，北緯33°44′-33°52′之間，坐落于安徽省淮北市濉溪縣境內(nèi)，距縣城20公里，東距宿州市、西距河南省永城市各34公里,地處蘇、魯、豫、皖4省交界處，屬于平原丘陵地區(qū)，海拔在15m～40m之間[8]。平川廣野是淮北市地貌的主要特征，隸屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，總的氣候特點(diǎn)是四季分明，礦區(qū)土質(zhì)主要以潮土為主，土質(zhì)疏松且濕度較大。土壤的透氣性較差，土壤厚度在0m～2.5m之間，表層0.25m為腐殖層，有機(jī)物含量較高，土質(zhì)較松散。其下0.25m土壤層為塊狀結(jié)構(gòu)，砂石較少，植被較為稀疏，地表裸露嚴(yán)重。

2.2 像控點(diǎn)布設(shè)與量測(cè)

為了提高測(cè)量區(qū)域精度的有效性，在前期踏勘工作完成時(shí)，針對(duì)于礦區(qū)主要區(qū)域?yàn)楹档亍⑥r(nóng)地、水域以及水泥路，準(zhǔn)備了油漆、鐵釘?shù)绕渌锲?，?duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行了像控點(diǎn)布設(shè)，主要原則在測(cè)區(qū)內(nèi)均勻覆蓋，覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)，選擇標(biāo)志性物體以及避開(kāi)較容易遮擋的地方，能夠長(zhǎng)期保存。在遵循這些原則下，在測(cè)區(qū)內(nèi)布設(shè)了28個(gè)控制點(diǎn)，以及三個(gè)已知控制點(diǎn)。

由于所測(cè)區(qū)域沒(méi)有CORS，在進(jìn)行像控點(diǎn)測(cè)量時(shí)，采用“1+1模式”1個(gè)主控站加上1個(gè)流動(dòng)站，在所測(cè)區(qū)域中心位置架設(shè)主控站，確保發(fā)射的差分信號(hào)能夠輻射整個(gè)測(cè)區(qū)，架設(shè)好主控站后，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，將流動(dòng)站連接上主控站。之后即可到布設(shè)好的像控點(diǎn)處進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量完成后的像控點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)三個(gè)已知點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行點(diǎn)校正，作為內(nèi)頁(yè)制圖時(shí)刺點(diǎn)。

2.3 無(wú)人機(jī)影像拍攝

采用大疆精靈4 RTK無(wú)人機(jī)，通過(guò)實(shí)地踏勘，確定航高、規(guī)劃航線，為了更好地表達(dá)地表起伏設(shè)置傾斜角為45°，影像重疊度60%，攝影分辨率為5472×3078，焦距為8.8mm。

無(wú)人機(jī)航線規(guī)劃主要分為5個(gè)步驟：①啟動(dòng)遙控與飛行器，并連接上網(wǎng)絡(luò)。②打開(kāi)網(wǎng)絡(luò)RTK，確保實(shí)時(shí)定位。③設(shè)置測(cè)區(qū)。選擇相應(yīng)的攝影方式，遙控器上會(huì)出現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的區(qū)域，則可手動(dòng)選擇，或者在踏勘完成時(shí)，可在谷歌地圖上選擇所需測(cè)量區(qū)域。④設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。例如：飛行高度、重疊度、攝影傾斜角度等。⑤執(zhí)行飛行計(jì)劃。在設(shè)置完成后，點(diǎn)擊“確定”鍵，右滑開(kāi)始作業(yè)即可。由于測(cè)區(qū)內(nèi)存在兩塊較大區(qū)域的水域，故測(cè)區(qū)類型選擇為水域。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 礦區(qū)三維模型與正射影像圖的生產(chǎn)

利用Smart 3D軟件進(jìn)行三維建模以及建立正射影像。首先打開(kāi)Smart 3D軟件，新建一個(gè)工程與修改工程名稱，并將工程目錄選到prj文件下。進(jìn)入到Smart 3D軟件界面，事先將所有航飛影像加入到一個(gè)文件夾下，方便后面選擇，點(diǎn)擊導(dǎo)入視頻后，選擇所有的航飛影像，即可開(kāi)始導(dǎo)入影像，導(dǎo)入完成后，會(huì)提示有無(wú)不可用圖片，如有把不可用圖片刪除即可，之后在操作界面把所有的感應(yīng)尺寸以及焦距選中，右鍵選擇導(dǎo)入光學(xué)屬性，根據(jù)大疆無(wú)人機(jī)精靈四代寫(xiě)入相機(jī)參數(shù)，然后在航飛影像上根據(jù)之前的像控點(diǎn)采集，找到相應(yīng)位置，進(jìn)行刺點(diǎn)，完成后選擇提交，就開(kāi)始進(jìn)行空中三角測(cè)量計(jì)算，結(jié)束后利用EPS軟件，打開(kāi)軟件，建立工程打開(kāi)此工程EDB文件，在下一界面點(diǎn)擊三維測(cè)圖下的加載本地傾斜模型，然后找到Production1下的Data.dsm文件并打開(kāi)，就能打開(kāi)三維模型；正射影像就在三維測(cè)圖下的加載超大影像，找到Production2選擇所有文件打開(kāi)，然后建立金字塔文件，完成后就顯現(xiàn)出正射影像。

3.2 礦區(qū)地形圖的繪制

運(yùn)用EPS軟件以及CASS軟件進(jìn)行地形圖繪制，首先在EPS上按上述步驟打開(kāi)其三維模型以及正射影像，根據(jù)這兩份影像繪制出地形圖，然后利用CASS軟件將缺少部分完善。

4 礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)

為了能使采礦業(yè)得以存在，在開(kāi)采礦產(chǎn)資源的同時(shí)，又保護(hù)環(huán)境以及土地，礦區(qū)的土地復(fù)墾和生態(tài)恢復(fù)工作顯得尤為重要。針對(duì)于淮北市劉橋二礦，根據(jù)全面系統(tǒng)、因地制宜、可持續(xù)利用原則，對(duì)礦區(qū)土地進(jìn)行復(fù)墾和生態(tài)恢復(fù)工作。

圖2 正射影像（左）與三維模型（右）

圖3 礦區(qū)地形圖

通過(guò)對(duì)所采集數(shù)據(jù)的分析和處理，設(shè)計(jì)出以下兩種分案。

（1）將土地復(fù)墾工程技術(shù)與生態(tài)工程技術(shù)相結(jié)合，對(duì)采煤塌陷地進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、整治和開(kāi)發(fā)利用，由于實(shí)驗(yàn)區(qū)存在塌陷區(qū)，根據(jù)“挖深墊淺”的原則選取了“?；~(yú)塘”模型，充分發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)作用，以最小的成本達(dá)到最大的經(jīng)濟(jì)效益。

（2）遵循因地制宜原則，由于其所處地交通便利，規(guī)劃時(shí)，將原本塌陷處做成濕地，對(duì)原有的水系進(jìn)行適當(dāng)溝通與調(diào)整，不做大量額外的工作，對(duì)之前的旱地進(jìn)行改造，修建游樂(lè)園、商業(yè)區(qū)等，將其建設(shè)成為一個(gè)微型濕地公園。

設(shè)計(jì)完成后，利用CASS軟件分別對(duì)兩個(gè)分案進(jìn)行各區(qū)域填挖方量的計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 方案一中各塊區(qū)域的計(jì)算結(jié)果

為滿足魚(yú)塘養(yǎng)魚(yú)深度為2～3米需求，實(shí)地測(cè)量出魚(yú)塘平均深度約為2.3米，滿足需求，在計(jì)算填挖量時(shí)，只需將魚(yú)塘規(guī)劃擴(kuò)建區(qū)域的面積乘以填挖高度就可以求出,設(shè)計(jì)下挖高度2.3米。針對(duì)于魚(yú)塘Y1,通過(guò)cass軟件查詢規(guī)劃后的面積減去為規(guī)劃前的面積為擴(kuò)建面積：95670.1平方米減去81534.5平方米為14135.6平方米，則求出所需挖方量為32511.88立方米；對(duì)于魚(yú)塘Y2，查詢得到規(guī)劃前面積為66461.3平方米，規(guī)劃后的面積為76574.6平方米，挖方量為23260.59立方米。本方案總挖方量159810.87立方米，總填方量159444.1立方米，合計(jì)需要填方量366.77立方米。

在兩片塌陷區(qū)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行挖深修建濕地湖泊，因?yàn)椴贿M(jìn)行養(yǎng)殖，不需要挖很深，設(shè)計(jì)下挖1.5米。采用于方案一一樣的方法計(jì)算出挖方量，濕地S1規(guī)劃前面積81534.5平方米，規(guī)劃后面積101783.4平方米，計(jì)算挖方量為30373.35立方米；濕地S2規(guī)劃前面積66461.3平方米，規(guī)劃后面積79868.2，挖方量為20110.4立方米。

最終，此方案總挖方量138791.55立方米，總填方量137819.8立方米，合計(jì)需要挖方量917.75立方米。

表2 方案二中各塊區(qū)域的計(jì)算結(jié)果

圖4 方案一

圖5 方案二

5 方案的比較與評(píng)價(jià)

從生態(tài)方面看，兩種方案都對(duì)塌陷區(qū)進(jìn)行了土地復(fù)墾以及生態(tài)恢復(fù)工作，都解決了塌陷區(qū)土地荒廢的問(wèn)題；從工程量上看，方案一的工程量大于方案二，但是方案一最終的結(jié)果更接近于規(guī)劃區(qū)域土方量平衡原則，方案二濕地公園成本太高；從區(qū)域經(jīng)濟(jì)效益來(lái)看，方案一從養(yǎng)殖業(yè)以及手工業(yè)帶動(dòng)了地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，增加了更多就業(yè)機(jī)會(huì)，方案二主要從第三產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)了地方經(jīng)濟(jì)，兩者各有優(yōu)勢(shì)；從可持續(xù)性來(lái)看，方案一“?；~(yú)塘”是典型的因地制宜農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，體現(xiàn)了物質(zhì)循環(huán)再生原理，方案二中，能夠長(zhǎng)期帶動(dòng)地方旅游業(yè)，但是會(huì)受到季節(jié)影響。

綜合考慮，在選取方案時(shí)，本文建議選擇方案一。

6 總結(jié)

將無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)運(yùn)用于礦山測(cè)量當(dāng)中，充分發(fā)揮其低空攝影測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，不斷實(shí)現(xiàn)測(cè)繪手段向著自動(dòng)化、智能化的方向轉(zhuǎn)變，減少測(cè)繪人員的工作量，滿足礦山測(cè)量要求，改善測(cè)繪手段。加強(qiáng)對(duì)礦山生態(tài)恢復(fù)和重建工作，對(duì)合理利用土地和人與自然相協(xié)調(diào)發(fā)展等方面具有較大意義[9]。充分利用無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)，及時(shí)為礦區(qū)工作提供數(shù)據(jù)支持，有效提高礦山測(cè)量工作和礦山生態(tài)恢復(fù)工作的工作水平和效率。