無人機攝影技術(shù)在綠色礦山建設(shè)中的應(yīng)用研究

康 鋒，李連蘋

(河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450053)

近年來，由于無序開采和非法開采造成的地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境破壞越來越多。一個有效合理的開采計劃和監(jiān)管對保護礦產(chǎn)資源和生態(tài)恢復(fù)具有重要意義。三維可視化技術(shù)和地理空間信息分析技術(shù)是實現(xiàn)采礦活動直觀呈現(xiàn)、定量評價和生產(chǎn)監(jiān)測的關(guān)鍵手段。因此，近年來國內(nèi)一些學(xué)者利用新的地理空間信息采集技術(shù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)、 Internet 技術(shù)，建立了真實的礦區(qū)三維模型，輔助智能綠色礦山建設(shè)決策。雖然現(xiàn)有的方法在建立真實的礦區(qū)三維模型方面取得了很大的突破和發(fā)展，但如何將真實的礦區(qū)模型與礦山設(shè)計和生態(tài)恢復(fù)管理方案相結(jié)合，更真實、準確地反映礦山開采和生態(tài)恢復(fù)后的狀況，對規(guī)劃方案進行可靠的評價仍然是一個難題[1]。本文以無人機傾斜攝影為基礎(chǔ)，在三維GIS平臺上進行二次開發(fā)，實現(xiàn)了綠色礦山建設(shè)的真實場景，完成綠色礦山建設(shè)的三維模型與采礦、生態(tài)恢復(fù)規(guī)劃方案的集成。實景與設(shè)計的結(jié)合使規(guī)劃方案的三維定量評價成為可能，并使輔助方案的評價和決策最優(yōu)化。

1 綠色礦山建設(shè)背景

根據(jù)《部委實施意見》，國家相關(guān)部門聯(lián)合發(fā)布關(guān)于加快綠色礦山建設(shè)的報告(國土資源部第1994號)，此外還有《綠色礦山建設(shè)規(guī)范》 (DZ/T 0317—2018)、《煤炭工業(yè)綠色礦山建設(shè)規(guī)范》 (DZ/T 0315—2018)等規(guī)范和自然資源部發(fā)布的綠色礦山建設(shè)規(guī)范[2]。

綠色礦山建設(shè)評價指標包括礦山環(huán)境特征、開發(fā)利用方式、資源集約經(jīng)濟利用、礦山建設(shè)現(xiàn)代化、礦業(yè)產(chǎn)業(yè)和諧、企業(yè)文化形象等多個因素，其中煤礦山的綠色建設(shè)的部分指標：①總體要求。礦區(qū)布局合理，有標志、標志牌等，規(guī)格統(tǒng)一，清晰美觀，礦區(qū)生產(chǎn)生活有序、規(guī)范。②礦區(qū)環(huán)境。完全關(guān)閉對生產(chǎn)、運輸、倉儲、地面的管理；雨、污水分離，“三廢”標準化排放；綠色覆蓋率，高達綠色覆蓋面積的100%。③開發(fā)利用模式。選擇資源生態(tài)服務(wù)、環(huán)保的開采模式；在中部和東部地區(qū)，原則上采用條帶或回填采礦，不需要出井；煤矸石等固體廢棄物的適當處置率應(yīng)達到100%。履行礦山地質(zhì)環(huán)境的恢復(fù)、治理和土地復(fù)墾的義務(wù)。另外，綠色礦山應(yīng)當是持有有效采礦許可證的獨立礦山。近3年來，該礦沒有受到自然資源和生態(tài)環(huán)境相關(guān)部門的行政處罰，采礦權(quán)所有人也沒有被列入異常清單。新礦通常至少生產(chǎn)1年，礦山剩余開采年限不得少于5年，且運行正常。

對于綠色礦山建設(shè)信息化技術(shù)要求，尤其是數(shù)字礦山建設(shè)方面。每個煤礦企業(yè)應(yīng)當實現(xiàn)生產(chǎn)技術(shù)和技術(shù)設(shè)備現(xiàn)代化，煤礦開采自動化，生產(chǎn)管理信息化，建立工業(yè)院?？萍紕?chuàng)新平臺。

2 綠色礦山建設(shè)遙感監(jiān)測內(nèi)容

根據(jù)國家有關(guān)通知和規(guī)范，綠色礦山應(yīng)當是礦區(qū)環(huán)境、資源開發(fā)模式、資源綜合利用、節(jié)能減排、 科技創(chuàng)新與信息化、企業(yè)管理和企業(yè)形象6個方面的產(chǎn)業(yè)龍頭[3]。比較不同類型綠色礦山的建設(shè)要求，根據(jù)遙感技術(shù)在自然資源調(diào)查監(jiān)測工作中的應(yīng)用現(xiàn)狀，建議對煤礦方面的綠色礦山的獲取條件、礦山的外觀特征、生態(tài)環(huán)境保護、節(jié)能減排、礦產(chǎn)和諧等方面的選礦條件和合格條件進行遙感調(diào)查和監(jiān)測，為綠色礦山的選礦和監(jiān)測提供技術(shù)支持，見表1[4]。

表1 綠色礦山無人機遙感攝影主要監(jiān)測因素Tab.1 Main monitoring factors of UAV remote sensing photography in green mine

3 應(yīng)用分析

3.1 應(yīng)用流程

微波遙感技術(shù)和高光譜遙感技術(shù)尚未形成應(yīng)用技術(shù)體系，不能滿足礦山監(jiān)測工作的實際需要。利用國產(chǎn)高分辨率遙感數(shù)據(jù)作為主要數(shù)據(jù)源[5]，輔以無人機遙感數(shù)據(jù)，進行目視判讀和人機交互判讀。對無人機進行合理的選型，滿足工業(yè)使用的需要，利用傾斜攝影技術(shù)擴大對于礦山的掃描范圍。無人機傾斜攝影技術(shù)被用來收集傾斜的圖像：①建立當前采礦場景的三維模型。②基于ArcGIS軟件，將采礦設(shè)計方案從二維多邊形線條轉(zhuǎn)換為三維曲面。③將真實場景模型和3D采礦設(shè)計導(dǎo)入到3DGIS軟件Skyline中。通過二次開發(fā)，將三維開采設(shè)計與真實場景模型結(jié)合起來，可以直接反映礦區(qū)在開采階段和開采結(jié)束時的景觀變化。④根據(jù)恢復(fù)和管理計劃安排三維重新綠化景觀。流程如圖1所示。

3.2 無人機攝影測量技術(shù)

根據(jù)無人機傾斜攝影測量的相關(guān)技術(shù)標準及有關(guān)文獻，本次對航線設(shè)計、飛行質(zhì)量及攝影質(zhì)量要求、航攝時間選擇、坐標系統(tǒng)、航攝精度、影像接邊、影像成果質(zhì)量等按以下相關(guān)要求執(zhí)行，均符合以下傾斜攝影測量基本要求[6]。 無人機攝影系統(tǒng)的電控組件如圖2所示。

(1)航線設(shè)計。①航線飛行方向無固定要求，一般為東—西向，若地形條件限制則根據(jù)地形走向，也可為任意方向或者南—北向；②航線一般按圖幅中心線設(shè)計。

圖1 無人機傾斜攝影流程Fig.1 UAV tilt photography process

圖2 無人機攝影系統(tǒng)的電控組件Fig.2 Electronic control components of UAV camera system

(2)飛行質(zhì)量及攝影質(zhì)量要求。①圖像重疊度。正射影像航向重疊60%～80%，最小53%，旁向重疊15%～60%，最小8%；傾斜攝影航向重疊大于75%，旁向重疊大于65%。重疊度根據(jù)地物特征及地物分布適當調(diào)整，本實驗航向重疊度為85%以上。 ②像片傾斜度。像片傾斜角不大于2°，個別最大4°。 ③像片旋偏角。旋偏角一般不超過10°，最大不超過12°；在航攝區(qū)內(nèi)達到或接近最大旋偏角的像片不得連續(xù)超過3張。 ④航線的彎曲度。航線的彎曲度不得大于3%。 ⑤航高。如果選用的攝影鏡頭一定，其航高與影像的地面分辨率的關(guān)系為航高越高。⑥攝區(qū)、分區(qū)覆蓋要求。航向覆蓋超出攝區(qū)邊界線不少于1條基線。旁向覆蓋超出攝區(qū)邊界線一般不少于像幅的50%，最少不少于像幅的30%；按圖幅中心線設(shè)計航線時，旁向覆蓋超出攝區(qū)邊界線最少不得少于像幅的12%。

3.3 建立真實場景挖掘模型

挖掘真實場景模型是三維挖掘設(shè)計和再綠色規(guī)劃的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文采用無人機傾斜攝影技術(shù)，采集多視點傾斜圖像(圖3)，建立當前礦山的三維模型。獲得了大約9 km2的真實3D模型，精度為8 cm(圖4)。

圖3 無人機像點布控示意Fig.3 Schematic diagram of image point deployment of UAV

圖4 無人機攝像3D模型示意Fig.4 Schematic diagram of 3D model of drone camera

生成3D模型圖之后，要將模型與設(shè)計模型進行集成。由于原始采礦模型是二維多線數(shù)據(jù)(圖5)，而采礦模型是三維數(shù)據(jù)，為了實現(xiàn)采礦設(shè)計模型與現(xiàn)有實際三維模型的精確集成，使現(xiàn)有實際模型的變化與采礦設(shè)計模型一致，必須將采礦設(shè)計模型從二維轉(zhuǎn)換為三維。礦山的原始采礦設(shè)計通常以AutoCAD數(shù)據(jù)格式表示[7]。本文利用ArcGIS技術(shù)，將只包含平面位置和高程信息的原始采礦設(shè)計轉(zhuǎn)化為采礦平臺和邊坡的三維采礦設(shè)計，與實際采礦情況相吻合。

從二維轉(zhuǎn)化為三維后，基于天際線軟件平臺進行二次開發(fā)，根據(jù)三維采礦設(shè)計模型對現(xiàn)有采礦模型進行編輯，使采礦設(shè)計能夠在采礦模型上準確地表現(xiàn)出來，并能直觀地呈現(xiàn)采礦過程和采礦結(jié)束時的景觀，計算出各采礦階段的采礦量[8]，為礦山綠色恢復(fù)規(guī)劃提供空間信息參考，采礦邊界如圖6所示。結(jié)合變換后的三維采礦設(shè)計和地形修改程序，得到了與采礦設(shè)計一致的最終采礦三維模型。

圖5 二維轉(zhuǎn)三維地形示意Fig.5 2D to 3D terrain schematic

圖6 煤礦山采礦邊界線的識別Fig.6 Identification of mining boundary line in coal mine

4 無人機攝像圖像特征因素分析

4.1 數(shù)據(jù)準備

數(shù)據(jù)準備階段包括遙感基礎(chǔ)圖制作、信息抽取、現(xiàn)場驗證、解釋數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查等步驟。 無人機攝像圖是初步篩選礦井每年監(jiān)測綠色發(fā)展的基礎(chǔ)。選擇適當?shù)臄?shù)據(jù)進行遙感基地的生產(chǎn)地圖。露天礦山的選擇和監(jiān)測可以使用空間分辨率在2.5 m以上的遙感數(shù)據(jù)，因為礦山地面物體總面積過100 m2。地下礦山的選擇和監(jiān)測應(yīng)當使用空間分辨率在1.0 m以上的遙感數(shù)據(jù)，因為它需要識別地面物體，平面坐標感基圖系統(tǒng)采用2000年中國大地坐標系，高程系統(tǒng)采用 1985 年國家高程基準[9]。

圖像應(yīng)保持原始圖像數(shù)據(jù)的最佳分辨率。信息抽取、現(xiàn)場驗證和解釋資料質(zhì)量檢查，按照 《礦山勘探遙感監(jiān)測條例》。在圖像上清楚標記和識別的信息不需要現(xiàn)場驗證，但是需要對煤礦開采地面上的有效特征進行辨識，常見的地面標識包括采場、工業(yè)廣場、固體廢棄物、復(fù)綠復(fù)墾區(qū)、主干道硬化區(qū)、排水溝、沉淀池、攔擋壩等，如圖7所示，需要將標志轉(zhuǎn)化成為無人機圖像能夠識別的語言尤為重要。

圖7 礦山開采典型識別標志示意Fig.7 Typical identification signs for mining

4.2 評估指標和監(jiān)測因素比較

以 ArcGIS 軟件為基礎(chǔ)，建立了“綠色礦山遙感監(jiān)測信息系統(tǒng)”，對候選礦山和綠色礦山遙感基礎(chǔ)圖的測量監(jiān)測信息和相關(guān)管理信息(如采礦權(quán)信息、自然保護區(qū)信息等)進行統(tǒng)一管理。在此基礎(chǔ)上，對候選礦山和綠色礦山(或稱為監(jiān)測因子)的評估指標進行初步比較或識別[10]。

(1)準入條件因素的比較。準入條件可以監(jiān)測獨立礦山是否有效，礦山是否正常生產(chǎn)，以及在三年內(nèi)是否有非法采礦行為[11]。以山西某礦山為例(圖8)，露天礦坑在礦權(quán)范圍內(nèi)均勻分布，礦址、煤矸石山、礦山建設(shè)等齊全，北側(cè)的礦坑道路和矸石山已投入使用，可滿足綠色礦山的進出和年檢條件。

(2)礦山外觀和特征因素的比較。根據(jù)礦山的外觀和特點，監(jiān)測礦區(qū)功能區(qū)是否劃定，是否有未經(jīng)許可的施工，是否有綠化面積。以湖南某煤礦為例(圖9)，生產(chǎn)井、巷圈、選煤場和煤矸石堆有序堆放，確定了礦區(qū)功能分區(qū)，采煤塌陷區(qū)已恢復(fù)治理或正在恢復(fù)治理，滿足了綠色煤礦形貌特征的選擇條件或年檢條件。

(3)生態(tài)環(huán)境保護因子的比較。可以對生態(tài)環(huán)境保護進行監(jiān)測:礦區(qū)道路的內(nèi)側(cè)是否可以加固，外側(cè)是否可以種植邊境樹木，固體廢物是否有恢復(fù)治理的措施，以及以前的非法土地是否已恢復(fù)治理。以湖南省某鉛鋅礦為例(圖10)，該礦尾礦庫已覆蓋土壤，恢復(fù)了綠色，植被生長與周圍環(huán)境基本協(xié)調(diào)，固體廢棄物堆頂部部分覆蓋土壤和草地，邊緣部分恢復(fù)，通礦公路內(nèi)部經(jīng)現(xiàn)場驗證硬化，基本達到了綠色礦山生態(tài)環(huán)境保護的條件。

圖8 山西某礦山的攝影識別情況Fig.8 Photographic identification of a mine in Shanxi

圖9 煤礦無人機攝影識別示意Fig.9 Schematic diagram of photographic identification of coal mine UAV

圖10 對象礦山地物信息提取結(jié)果Fig.10 Extraction results of object mining feature information

(4)節(jié)能減排因素的比較。能源節(jié)約和減排可以監(jiān)測礦山廢水是否達到排放標準(礦區(qū)周圍的水體沒有被污染)以及貧瘠的巖石是否被利用。以圖10為例，尾礦庫廢水積累正常，地表無異常水流，低洼地區(qū)無異常植被，尾礦庫下游地表無滲漏，礦山廢水排放無異常，可滿足礦山節(jié)能減排的條件。

(5)礦業(yè)產(chǎn)業(yè)和諧因素的比較。礦山地質(zhì)災(zāi)害是否危及基本農(nóng)田、建筑物建設(shè)和重要交通設(shè)施，是否存在居民區(qū)水體水色、水質(zhì)異常等問題，可以監(jiān)測礦產(chǎn)資源的和諧性。以湖南省某煤礦為例(圖9)，西北地區(qū)經(jīng)過多年治理植被已恢復(fù)的采空塌陷區(qū)，對礦區(qū)建設(shè)和重要交通設(shè)施基本沒有影響，流經(jīng)礦區(qū)的水系水色沒有變化，基本能夠滿足綠色礦區(qū)礦產(chǎn)資源協(xié)調(diào)發(fā)展的條件。

5 結(jié)語

建設(shè)綠色礦山是促進自然資源集約經(jīng)濟利用的有效途徑。通過對綠色礦山建設(shè)要求和評價指標的綜合分析，綠色礦山遙感監(jiān)測的主要內(nèi)容應(yīng)包括以下指標:礦山當年是否繼續(xù)開采，礦山近年來是否有非法開采行為，礦山環(huán)境是否清潔，固體廢棄物是否得到妥善處置，廢水排放是否符合標準，應(yīng)恢復(fù)治理的礦區(qū)是否得到治理，貧瘠巖石是否達到資源利用。

通過對研究對象礦山的監(jiān)測試驗結(jié)果表明，并非所有的評價指標值都可以通過無人機遙感攝影獲得，但是，無人機遙感攝影遙感技術(shù)可以用于監(jiān)測綠色礦山的獲取條件、礦山的外觀特征、生態(tài)環(huán)境保護、節(jié)能減排、礦產(chǎn)資源和諧等方面的選礦條件和合格條件，為綠色礦山的選礦和監(jiān)督提供技術(shù)支持。同時本文建議在綠色礦山監(jiān)測工作中加強微波遙感技術(shù)和高光譜遙感技術(shù)的應(yīng)用，進一步確定采空區(qū)沉降范圍和環(huán)境污染面積，為綠色礦山監(jiān)測評價提供堅實的技術(shù)支持。