無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在麻地梁煤礦中的精度分析及應(yīng)用

徐十鋒，呂文星，高亞軍，李虎

(1.黃河水利委員會(huì)水文局， 河南 鄭州 450004；2.內(nèi)蒙古智能煤炭有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯市 017000)

0 引言

水土保持監(jiān)測(cè)是指對(duì)水土流失發(fā)生、發(fā)展、危害及水土保持效益進(jìn)行長(zhǎng)期的調(diào)查、觀測(cè)和分析工作。我國(guó)一系列法律法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)明確了生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)的相關(guān)責(zé)任、監(jiān)測(cè)階段、監(jiān)測(cè)內(nèi)容、監(jiān)測(cè)方法。2019 年水利部關(guān)于水土保持監(jiān)管的意見(jiàn)和通知，進(jìn)一步加強(qiáng)了水土保持監(jiān)督管理，要求各級(jí)行政主管部門(mén)和流域管理機(jī)構(gòu)采用遙感監(jiān)管、現(xiàn)場(chǎng)檢等“互聯(lián)網(wǎng)+監(jiān)管”的方式，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目全覆蓋，對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目實(shí)行水土保持監(jiān)測(cè)“綠黃紅”三色評(píng)價(jià)[1]。在此背景下，傳統(tǒng)的水土保持監(jiān)測(cè)手段存在精度不夠、工作量大、工作效率低等弊端[2]，認(rèn)真做好生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)工作是防治水土流失的重要手段。本文以黃土高原地區(qū)麻地梁煤礦水土保持監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為例，介紹了無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)手段，分析了無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)的精度影響因子[3]。項(xiàng)目監(jiān)測(cè)過(guò)程中應(yīng)用的傳統(tǒng)水土保持監(jiān)測(cè)手段和無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)手段相結(jié)合可為后續(xù)水土保持監(jiān)測(cè)工作[4]提供參考。

1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古智能煤炭有限責(zé)任公司麻地梁煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗東南隅。礦區(qū)由工業(yè)廣場(chǎng)區(qū)、場(chǎng)外道路區(qū)、水源及供水管線、供電通訊線路和矸石臨時(shí)堆置場(chǎng)組成，于2010 年1 月開(kāi)始施工，2019 年10 月完工。項(xiàng)目區(qū)地處鄂爾多斯黃土高原的東北部，區(qū)內(nèi)第四系黃土覆蓋廣泛，厚度一般在15～120 m，地形破碎，溝谷縱橫，基巖大部分在溝谷出露。部分地段被風(fēng)積沙覆蓋，由于受徑流的影響，溝谷多呈樹(shù)枝狀，地形總趨勢(shì)為東南高西北低；海拔標(biāo)高在960～1350 m。項(xiàng)目區(qū)植被類(lèi)型為典型干旱草原植被，林草覆蓋率在20%～30%左右，經(jīng)實(shí)地調(diào)查項(xiàng)目區(qū)土壤侵蝕模數(shù)背景值為3124 t/(km2·a)。本項(xiàng)目建設(shè)期持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中，運(yùn)用了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)與無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法。

2 傳統(tǒng)水土保持監(jiān)測(cè)手段

生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括施工準(zhǔn)備期的地形地貌監(jiān)測(cè)、地面組成物質(zhì)監(jiān)測(cè)、水文氣象監(jiān)測(cè)、植被因子的監(jiān)測(cè)、土地利用現(xiàn)狀、水土流失狀況，工程建設(shè)期的擾動(dòng)土地情況監(jiān)測(cè)、取土（石、料）棄土（石、渣）監(jiān)測(cè)、水土流失情況監(jiān)測(cè)、水土流失隱患及危害監(jiān)測(cè)、水土保持措施監(jiān)測(cè)，自然恢復(fù)期的水保措施運(yùn)行狀況及防護(hù)效果監(jiān)測(cè)、項(xiàng)目6 項(xiàng)指標(biāo)達(dá)標(biāo)情況評(píng)價(jià)。

生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法主要包括徑流小區(qū)、控制站、測(cè)釬、沉沙池、侵蝕溝量測(cè)等地面小區(qū)監(jiān)測(cè)、調(diào)查監(jiān)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)巡查、測(cè)量等。地面監(jiān)測(cè)、調(diào)查監(jiān)測(cè)、資料分析等監(jiān)測(cè)方法方便易行，已被廣泛應(yīng)用于水土保持監(jiān)測(cè)工作中。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的水土保持監(jiān)測(cè)手段出現(xiàn)了諸多弊端。實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中，項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域擾動(dòng)面積的監(jiān)測(cè)主要采用GPS 巡航方法，要確定區(qū)域的邊界線和地理坐標(biāo)，而且要同時(shí)確定不同分構(gòu)的界線、面積，傳統(tǒng)的測(cè)量方法精度較低，人為影響因素較大。林草覆蓋度采用樣方法，先確定調(diào)查地樣方，現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)、計(jì)算郁閉度（或蓋度），再計(jì)算出場(chǎng)地的林草覆蓋度，同樣存在樣方選擇誤差。臨時(shí)堆土面積、體積采用直接量測(cè)和調(diào)查分析結(jié)合方法，堆積形狀不規(guī)則時(shí)直接測(cè)量存在較大誤差。

綜上所述，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段需要投入更多的人力、物力和時(shí)間，已不能滿(mǎn)足水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管形勢(shì)下對(duì)水土保持監(jiān)測(cè)工作精細(xì)化和智能化的新要求。

3 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)手段介紹

隨著社會(huì)的發(fā)展，衛(wèi)星遙感逐步成為水土保持監(jiān)測(cè)的手段，《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)規(guī)程（試行）》（2015?139）規(guī)定點(diǎn)型項(xiàng)目不小于100 hm2的應(yīng)增加遙感監(jiān)測(cè)方法；線型項(xiàng)目山區(qū)（丘陵區(qū)）長(zhǎng)度不小于5 km、平原區(qū)長(zhǎng)度不小于20 km 的應(yīng)增加遙感監(jiān)測(cè)方法。遙感影像空間分辨率應(yīng)不低于2.5 m。衛(wèi)星遙感技術(shù)能較快地獲得項(xiàng)目區(qū)的擾動(dòng)土地面積等數(shù)據(jù)，但也存在諸多問(wèn)題。一是分辨率低，難以滿(mǎn)足水土保持監(jiān)測(cè)的工作需要；二是商用衛(wèi)星遙感影像價(jià)格昂貴，制約了商用衛(wèi)星遙感在水土保持監(jiān)測(cè)工作中的應(yīng)用[5]。小型無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)解決了上述問(wèn)題，在水土保持監(jiān)測(cè)工作中得到了廣泛應(yīng)用。

3.1 無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)路線

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)作為遙感影像資料獲取手段之一，具有方便、快捷、高分辨率、低成本等[6]特點(diǎn)。近年來(lái)無(wú)人機(jī)遙感在技術(shù)水土保持監(jiān)測(cè)工作中得到廣泛應(yīng)用。大疆無(wú)人機(jī)Mavic 2 Pro 具有攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、起飛條件簡(jiǎn)單、分辨率高等特點(diǎn)。本文以工作中應(yīng)用的大疆無(wú)人機(jī)Mavic 2 Pro 為例。

大疆無(wú)人機(jī)Mavic 2 Pro 飛行器使用CMOS 圖像傳感器，可穩(wěn)定拍攝4K 超高清視頻與4000 萬(wàn)像素照片，最大飛行速度為72 km/h，最長(zhǎng)飛行時(shí)間約為31 min。主要技術(shù)路線見(jiàn)圖1，步驟如下。

圖1 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)路線

（1）經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘、施工單位報(bào)送資料及工程施工進(jìn)度和工程范圍圖，在現(xiàn)場(chǎng)確定擾動(dòng)區(qū)域的基礎(chǔ)上，劃定邊界位置，規(guī)劃出項(xiàng)目區(qū)無(wú)人機(jī)航線。

（2）根據(jù)場(chǎng)地地形地貌、面積、范圍，綜合確定項(xiàng)目區(qū)飛行高度、相機(jī)角度、重疊度、飛行速度、分辨率等參數(shù)。

（3）經(jīng)過(guò)航線規(guī)劃、飛行參數(shù)確定及無(wú)人機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)信息檢查無(wú)誤后，開(kāi)啟自動(dòng)飛行拍攝。

（4）拍攝的影像數(shù)據(jù)可根據(jù)不同的處理軟件處理建模，本文以Pix4Dmapper 軟件為例，主要包括建立項(xiàng)目、輸入?yún)?shù)設(shè)定、輸出參數(shù)設(shè)定、自動(dòng)處理等程序，生成正射影像、編輯云數(shù)據(jù)、DSM 數(shù)據(jù)。

（5）根據(jù)軟件處理生成的數(shù)據(jù)讀取項(xiàng)目各分區(qū)擾動(dòng)土地情況、取土棄土情況、水土流失情況、水土保持措施、林草覆蓋面積等水土保持情況。

3.2 無(wú)人機(jī)遙感精度影響因子分析

無(wú)人機(jī)攜帶的照相機(jī)設(shè)置的光圈值、曝光時(shí)間、圖片重疊度、分辨率和飛行高度等參數(shù)直接影響拍攝照片的質(zhì)量[7?8]。

無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中，受到風(fēng)力、氣流等影響，無(wú)人機(jī)飛行不穩(wěn)定，發(fā)生位置偏離會(huì)影響拍攝圖片的重合度。同樣，外界因素或者人為操作會(huì)使角度發(fā)生偏離，影響正射影像質(zhì)量。無(wú)人機(jī)的飛行速度也直接影響拍攝圖片的質(zhì)量。

目前市面上有許多三維處理建模軟件，但不同的軟件側(cè)重點(diǎn)不同、算法不同，對(duì)計(jì)算結(jié)果有直接影響。

精度與角度（風(fēng)速大、氣流影響會(huì)影響飛行偏航、角度偏離）、高度保持一致性，相片重疊度、飛行速度、分辨率要保持一致（由分辨率數(shù)學(xué)模型可知，在相機(jī)傳感器尺寸、鏡頭焦距與視場(chǎng)角等硬件參數(shù)一定的情況下，分辨率倍率值與航高無(wú)關(guān)，由傾斜角度決定），自動(dòng)飛行可提高觀測(cè)精度。

4 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用

在麻地梁煤礦水土保持監(jiān)測(cè)中，采用了無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)航拍進(jìn)行水土保持監(jiān)測(cè)，內(nèi)容及方法見(jiàn)表1。

表1 麻地梁煤礦無(wú)人機(jī)遙感內(nèi)容及方法

（1）參數(shù)設(shè)置。根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，本文采用DJI攜帶的FC220 照相機(jī)，設(shè)置的光圈值f/2.2，曝光時(shí)間1/562 s，水平和垂直分辨率72 dpi，圖片重疊度為70%，拍攝角度為90°，相對(duì)高度為100 m。

（2）飛行設(shè)置。為了保證拍攝圖片質(zhì)量，選擇天氣較好、風(fēng)速較小的時(shí)間飛行。由于人工控制飛行的速度和飛行的相對(duì)高度無(wú)法達(dá)到完全一致，拍攝的圖片重疊度無(wú)法保證，影響后期處理的精度。本項(xiàng)目借助Pix4D 軟件進(jìn)行無(wú)人機(jī)自動(dòng)飛行，保證了無(wú)人機(jī)飛行控制，最大限度提高了拍攝圖片的質(zhì)量。

（3）圖像處理。本項(xiàng)目選擇Pix4Dmapper 軟件作為圖像處理軟件建立相應(yīng)模型。主要包括建立項(xiàng)目、輸入?yún)?shù)設(shè)定、輸出參數(shù)設(shè)定、自動(dòng)處理等程序，生成正射影像、編輯云數(shù)據(jù)、DSM、DEM等數(shù)據(jù)，如圖2～圖3 所示。

圖2 麻地梁煤礦無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)正射影像圖（DOM）

圖3 麻地梁煤礦無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)合成數(shù)字地表模型（DSM）

（4）精度分析。根據(jù)前文參數(shù)設(shè)置，Pix4D mapper 軟件自動(dòng)生成質(zhì)量報(bào)告。結(jié)果顯示，項(xiàng)目平均地面分辨率為8.25 cm。每張影像特征點(diǎn)數(shù)量中位數(shù)為63 746 個(gè)。初始和優(yōu)化的內(nèi)部相機(jī)參數(shù)之間的相對(duì)差異為2.68%。生成圖像精度滿(mǎn)足生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持精度的要求，并且遠(yuǎn)優(yōu)于人工測(cè)量的精度。

5 結(jié)果與分析

本文根據(jù)Pix4Dmapper 軟件進(jìn)行相關(guān)計(jì)算分析。根據(jù)Pix4Dmapper 平面對(duì)象創(chuàng)建功能實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)土地等面積量?。桓鶕?jù)擾動(dòng)前原地貌與不同時(shí)期監(jiān)測(cè)成果，導(dǎo)入Pix4Dmapper 空三射線進(jìn)行疊加分析計(jì)算臨時(shí)堆土等方量（見(jiàn)圖4）。根據(jù)Pix4Dmapper點(diǎn)云分類(lèi)操作計(jì)算得出不同的水土保持措施情況。

圖4 Pix4Dmapper 軟件測(cè)量臨時(shí)堆土面積、體積

5.1 擾動(dòng)土地情況監(jiān)測(cè)

經(jīng)遙感監(jiān)測(cè)和實(shí)地調(diào)查，項(xiàng)目區(qū)水土流失防治責(zé)任范圍總面積為55.04 hm2（永久占地36.04 hm2，臨時(shí)占地19.00 hm2）。其中，工業(yè)廣場(chǎng)占地29.74 hm2，場(chǎng)外道路占地5.53 hm2，水源及供水管線占地6.45 hm2（永久占地0.05 hm2，臨時(shí)占地6.4 hm2），供電通訊線路占地12.71 hm2，矸石臨時(shí)堆置場(chǎng)占地0.61 hm2。

5.2 臨時(shí)堆土監(jiān)測(cè)

根據(jù)水土保持方案報(bào)告書(shū)、初步設(shè)計(jì)等，結(jié)合遙感監(jiān)測(cè)和實(shí)地調(diào)查，本項(xiàng)目臨時(shí)堆土來(lái)源于項(xiàng)目區(qū)表土剝離。項(xiàng)目區(qū)共剝離表土29 610 m3，其中工業(yè)廣場(chǎng)剝離表土19 800 m3，矸石臨時(shí)堆置場(chǎng)剝離表土900 m3，場(chǎng)外道路剝離表土8910 m3。

5.3 水土流失情況監(jiān)測(cè)

水土流失情況監(jiān)測(cè)主要包括土壤流失面積、土壤流失量、臨時(shí)堆土場(chǎng)潛在土壤流失量和水土流失危害等內(nèi)容。

通過(guò)監(jiān)測(cè)，工程共擾動(dòng)地表面積為55.04 hm2，產(chǎn)生水土流失面積為35.85 hm2。

經(jīng)監(jiān)測(cè)分析，麻地梁礦井及選煤廠工程水土流失總量為22 588.8 t（其中施工期水土流失總量為21 575.1 t，自然恢復(fù)期水土流失總量為1013.7 t）。新增水土流失量為8187.8 t。

5.4 水土保持措施監(jiān)測(cè)

水土保持措施監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括工程措施、植物措施和臨時(shí)措施的類(lèi)型、開(kāi)（完）工日期、位置、規(guī)格、尺寸、數(shù)量、林草覆蓋度（郁閉度）、防治效果、運(yùn)行狀況等。

經(jīng)監(jiān)測(cè)，項(xiàng)目區(qū)擾動(dòng)土地整治率為98.5%，水土流失總治理度為97.7%，土壤流失控制比為0.9，攔渣率98.8%，林草植被恢復(fù)率為97.2%，林草覆蓋率為52.2%。滿(mǎn)足批復(fù)的水土保持方案的防治目標(biāo)要求，工程建設(shè)新增水土流失得到了有效控制，改善了項(xiàng)目區(qū)的植被生態(tài)環(huán)境。

6 結(jié)論與展望

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)作為遙感影像資料獲取手段之一，具有方便、快捷、高分辨率、低成本等特點(diǎn)。本文將傳統(tǒng)水土保持監(jiān)測(cè)手段和無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)手段相結(jié)合對(duì)麻地梁煤礦項(xiàng)目進(jìn)行水土保持監(jiān)測(cè)，提高了監(jiān)測(cè)精度，減少了資源投入，取得了良好效果。隨著信息系統(tǒng)、移動(dòng)端、互聯(lián)網(wǎng)+等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)將更廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)、水土保持設(shè)施驗(yàn)收、水土保持監(jiān)管工作中，本文無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用可為類(lèi)似項(xiàng)目提供參數(shù)。