基于無人機(jī)攝影技術(shù)的礦山環(huán)境修復(fù)治理研究

王明麗

(河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450000)

無人機(jī)技術(shù)、輕型機(jī)載傳感器以及計(jì)算機(jī)視覺的快速發(fā)展，使無人機(jī)成為一種新型的地理數(shù)據(jù)采集工具。近年來，無人機(jī)遙感變得更加模塊化、小型化和智能，并在地形測量、精密農(nóng)業(yè)、和森林監(jiān)測等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。將無人機(jī)用于地理數(shù)據(jù)采集具有成本低、復(fù)查周期短、采集高效、操作方便等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，且可根據(jù)不同的需求配備不同傳感器來實(shí)現(xiàn)研究區(qū)域的圖像采集。此外，在數(shù)據(jù)處理上，相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件簡單易得，進(jìn)一步激發(fā)了無人機(jī)在監(jiān)測和監(jiān)測方面具有巨大的潛力[2]。監(jiān)測采掘活動后的恢復(fù)工作是許多國家對礦山公司和公共行政部門的法律要求。然而傳統(tǒng)的檢測方法多為地面實(shí)地監(jiān)測，這種方法需要大量的人力物力且耗時(shí)很久，通常不足以對大型的采礦地點(diǎn)的大規(guī)模土地修復(fù)工作監(jiān)督[3]。目前，基于無人機(jī)數(shù)據(jù)的地理環(huán)境檢測已經(jīng)取得了一定程度的成功，但無人機(jī)在礦山恢復(fù)領(lǐng)域的使用仍處于起步階段，缺乏對現(xiàn)有工作的系統(tǒng)分析[4]。因此，本文通過無人機(jī)在礦山獲取各種數(shù)據(jù)，為采礦后的礦山恢復(fù)提供持續(xù)監(jiān)測的有效方法，對促進(jìn)資源開發(fā)和環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。

1 無人機(jī)攝影測量技術(shù)簡介

1.1 無人機(jī)簡介

無人機(jī)是一種由無線電遠(yuǎn)程操控的飛行器。在20世紀(jì)20年代，無人機(jī)首次出現(xiàn)在軍事應(yīng)用中，以取代執(zhí)行危險(xiǎn)任務(wù)的飛行員。過去，由于成本高、傳感器大、耐力差、飛行控制系統(tǒng)復(fù)雜等缺點(diǎn)，民用無人機(jī)的使用發(fā)展緩慢，一些低質(zhì)量的產(chǎn)品在21世紀(jì)初出現(xiàn)用于科學(xué)研究[5]。隨著新技術(shù)的發(fā)展，大疆等無人機(jī)制造商的出現(xiàn)，迅速擴(kuò)大了低成本的無人機(jī)市場。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，目前生產(chǎn)的無人機(jī)數(shù)量已逐年增加，在世界和市場發(fā)展迅速。2014—2021年，民用類無人機(jī)經(jīng)歷了爆炸式發(fā)展，預(yù)計(jì)到2030年，全球無人機(jī)市場將達(dá)到1 500億美元以上[6]。隨著各種技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)的應(yīng)用場景逐漸從軍用過渡到了民用。許多無人機(jī)通過加裝各種配置，滿足了對科學(xué)研究和其他使用領(lǐng)域的需求。當(dāng)前，無人機(jī)有很多不同的類型，如固定翼無人機(jī)、多旋翼無人機(jī)和無人飛艇，其中固定翼和多旋翼無人機(jī)在目前的科學(xué)研究中仍是主流[7]。

1.2 無人機(jī)攝影測量影像采集流程

無人機(jī)攝影測量流程如圖1所示，包括飛行前資料采集、航線規(guī)劃、飛行控制系統(tǒng)檢查、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)處理、補(bǔ)飛等。

圖1 無人機(jī)攝影測量流程Fig.1 Drone photogrammetry process

航線規(guī)劃是無人機(jī)(UAV)可靠、安全飛行的關(guān)鍵。現(xiàn)有的路線規(guī)劃方法主要基于仿真場景，其主要目標(biāo)是規(guī)劃最優(yōu)路徑，以便它消耗最小的能量，花費(fèi)更少的時(shí)間，并減少無人機(jī)之間碰撞的影響。另一方面，在路徑規(guī)劃技術(shù)中，無人機(jī)的最優(yōu)路徑規(guī)劃需遵循路徑最優(yōu)、完整覆蓋、避免碰撞三大原則，其中路徑最優(yōu)是指系統(tǒng)應(yīng)該具有時(shí)間效率、成本效益和效率上的最優(yōu)路徑[8]，完整覆蓋是指無人機(jī)的路徑應(yīng)該能夠完全覆蓋住需要勘測的區(qū)域，沒有任何遺漏[9-10]，避免碰撞是指無人機(jī)有能力檢測碰撞，從而不對無人機(jī)造成物理傷害。

2 無人機(jī)測繪實(shí)地?cái)?shù)據(jù)收集

2.1 項(xiàng)目概況

在某大型煤礦選取一個(gè)區(qū)域作為測繪區(qū)域。該煤礦是一個(gè)大型煤礦，煤田總面積約為56.23 km2，平均厚度為8.3 m。這里氣候溫和，季節(jié)分明，雨量充沛，降雨主要集中在7月和8月，年降雨量約為692 mm。所選取地區(qū)土壤類型主要為肉桂土、水分土和石灰結(jié)漿黑土等。

2.2 無人機(jī)測繪硬件

本次勘測過程采用的飛行平臺為大疆御 Mavic Pro，其搭載24核處理器、雙模式衛(wèi)星定位系統(tǒng)、4枚圖像傳感器、1 200萬像素航拍相機(jī)、三軸增穩(wěn)云臺以及智能電池、配備有視覺導(dǎo)航系統(tǒng)，飛行續(xù)航可達(dá)到最長27 min，最遠(yuǎn)圖傳距離為7 km[11]。

2.3 軟件設(shè)置

當(dāng)前市面上存在多種無人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件，如Correlator 3D，UAS master，APS，Pix 4D mapper等[12]，大多數(shù)軟件的通用工作流程如圖2所示。

圖2 航測建模軟件數(shù)據(jù)處理流程Fig.2 Aerial survey modeling software data processing flow

本研究采用Pix 4D mapper作為建模軟件。Pix 4D mapper專業(yè)無人機(jī)測繪攝影軟件，其基本架構(gòu)是基于深圳大疆公司生產(chǎn)的消費(fèi)級別飛行器[13]，可協(xié)助制作3D地圖和模型，在X、Y方向的精度可達(dá)厘米級別，可根據(jù)客戶需求捕獲多種格式的圖片，如RGB，多光譜圖像、熱譜圖像等，具有測量距離、面積和體積的功能。Pix4Dmapper可將圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字空間模型和地圖，執(zhí)行虛擬檢查，從而使用云或桌面攝影測量平臺來處理項(xiàng)目[14]。航線規(guī)劃上，為了保證拍攝的角度垂直于地面，將無人機(jī)相機(jī)鏡頭設(shè)置為90°；為確保飛行安全以及清晰度，將飛行高度設(shè)置為相對地面100 m以內(nèi)；為確保拍攝照片覆蓋完整，將航向重疊和旁向重疊分別設(shè)置為70%和60%。飛行任務(wù)執(zhí)行完后，將無人機(jī)拍攝的照片和飛行POS數(shù)據(jù)記錄導(dǎo)出進(jìn)行結(jié)果分析。

3 結(jié)果分析

三維建模流程如圖3所示。建模數(shù)據(jù)如下：照片200張；連接點(diǎn)95 495點(diǎn)；密集點(diǎn)云91 007 948點(diǎn)；3D模型29 999面；DSM像素6.5 cm/pix；DOM像素3.25 cm/pix。在生成空間三維模型的基礎(chǔ)上，可以加工形成土地覆蓋圖。對比不同時(shí)間拍攝的土地覆蓋圖，可清晰地了解到礦山恢復(fù)的情況。

圖3 三維建模流程Fig.3 3D modeling flowchart

3.1 土地覆蓋圖

將圖像進(jìn)行分類是準(zhǔn)確繪制土地覆蓋圖的是一個(gè)關(guān)鍵要求，將所拍攝的畫面進(jìn)行分類，分為裸露的地面、草地或低矮的灌木溝、溝壑、衰老植被或灌木<2 m、高陡峭斜坡、裸露地面上的陡坡、樹木>4 m、樹木2～4 m等8類，分別用不同顏色來表示[15]。為準(zhǔn)確追蹤礦山恢復(fù)情況，采集3年內(nèi)同一月份數(shù)據(jù)繪制土地覆蓋圖(圖4)。植被(包括樹木、灌木和草)都被準(zhǔn)確地繪制出來了，隨著時(shí)間的增加，同一區(qū)域的主要差異是草和低灌木的增加以及裸露地面的減少，這和同一時(shí)間段內(nèi)礦山的生產(chǎn)情況以及地面檢測結(jié)果相吻合。土地覆蓋類型統(tǒng)計(jì)見表1。

土地覆蓋圖提供了一個(gè)礦山恢復(fù)程度的一個(gè)快速概覽，可以用來評估礦山植被隨時(shí)間的變化和恢復(fù)進(jìn)展。但若考慮植被結(jié)構(gòu)和地形特征，還需將結(jié)果進(jìn)一步細(xì)化，為此將土地覆蓋圖數(shù)據(jù)導(dǎo)出為表格?；诒砀竦臄?shù)據(jù)及現(xiàn)場特征，可以分類討論礦山的恢復(fù)程度，提出對應(yīng)的恢復(fù)對策。

3.2 恢復(fù)建議

結(jié)合圖4和表1可以看出，該區(qū)域近3年的裸露面積由16.4%下降到3.8%，裸露面積大大減少，但是，2019年裸露面積卻有上升，這是因?yàn)樵搮^(qū)域的開采活動于2019年截止，在開采活動截止后，裸露面積迅速下降至3.8%。草地、灌木、樹木的面積均在2019年達(dá)到最低值，隨后在2020年得到恢復(fù)，這充分說明了開采活動對礦山植被恢復(fù)的直接影響作用。在停止開采活動后，草地和低矮的灌木從48.4%增加到54.9%，樹木從4.2%增加到5.7%。

圖4 土地覆蓋Fig.4 Land cover map

表1 土地覆蓋類型統(tǒng)計(jì)Tab.1 Land cover type statistics

裸露地面上的陡坡面積在3年內(nèi)由0.003%增加至0.01%，這說明在無人為干擾的條件下，裸露地面上的陡坡很難自行恢復(fù)植被。該區(qū)域的邊坡穩(wěn)定性不高，修復(fù)對策為在噴射植生基材前需要加固巖體，并設(shè)置相應(yīng)措施防止噴播后水土流失，使用生態(tài)棒技術(shù)來減少后期的水土流失。

溝壑面積有所增加從2018年的2.2%增加至2020年的2.9%，這充分說明，在離開人類活動的情況下，由于水土流失等因素，會造成溝壑面積增加。溝壑帶有一定的覆土厚度，需在增加覆土量基礎(chǔ)上，結(jié)合人工栽植苗木快速提高生態(tài)恢復(fù)能力，由于該區(qū)域直接和礦山內(nèi)道路接壤，因此可采用生態(tài)袋圍堰覆土的方式快速形成植被生長環(huán)境。

高陡峭斜坡面積3年內(nèi)幾乎翻倍。典型的高陡坡區(qū)域如圖5所示，該區(qū)域巖面穩(wěn)定性高，表面沒有浮石，坡面較為粗糙，植被恢復(fù)難度較大，在治理過程中，主要采用巖石邊坡植生基材噴射技術(shù)、生態(tài)棒技術(shù)、邊坡綠化棚架技術(shù)、生態(tài)邊溝技術(shù)、高陡邊坡生態(tài)復(fù)綠技術(shù)工藝、邊坡復(fù)綠近自然施工工藝等[16-17]。

圖5 高陡坡區(qū)域Fig.5 High and steep slope area

礦山生態(tài)修復(fù)本身是一個(gè)綜合性較強(qiáng)的學(xué)科，通過無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對數(shù)據(jù)的采集可以獲取大量的礦山現(xiàn)狀信息，結(jié)合這些信息可以對礦山生態(tài)修復(fù)的效果進(jìn)行綜合評價(jià)，對后期學(xué)者建立礦山生態(tài)修復(fù)效果評價(jià)體系也提供了數(shù)據(jù)支持[18]。同時(shí)，礦山生態(tài)修復(fù)的技術(shù)也在不斷更新，可以從不同礦山生態(tài)修復(fù)技術(shù)的適用和后期效果的呈現(xiàn)對比中，提取出最佳的邊坡復(fù)綠經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)邊坡復(fù)綠技術(shù)的改進(jìn)。

4 結(jié)論

本文在系統(tǒng)介紹無人機(jī)遙控測繪的基礎(chǔ)上，結(jié)合圖像分析技術(shù)，開發(fā)了一種高效、可持續(xù)的礦山恢復(fù)評估系統(tǒng)。通過研究煤礦這一案例的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析，完成了裸巖區(qū)域生態(tài)修復(fù)方案的制定和復(fù)綠區(qū)域的生態(tài)修復(fù)效果監(jiān)測，針對不同該區(qū)域的地理特征，提出了適應(yīng)的恢復(fù)建議。與傳統(tǒng)人工現(xiàn)場勘測的方式相比，無人機(jī)勘測最終數(shù)據(jù)可以通過空間三維模型的形式直觀呈現(xiàn)。該方法可以實(shí)現(xiàn)從地形勘測到數(shù)據(jù)分析，再將分析結(jié)果服務(wù)于生態(tài)修復(fù)方案設(shè)計(jì)，并對修復(fù)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，最終可以對礦山生態(tài)修復(fù)效果進(jìn)行評價(jià)。這項(xiàng)工作為進(jìn)行基于無人機(jī)的礦井康復(fù)的安全性、穩(wěn)定性和可持續(xù)性評估提供了一個(gè)框架和工作流程，并為未來的礦山恢復(fù)評估工作提供了一些建議。