無人機測繪技術(shù)在露天礦勘查及生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用

劉 欣，陳小歌

（河南測繪職業(yè)學(xué)院 國土信息與管理系，鄭州 454000）

某地區(qū)國土資源部門在轄區(qū)內(nèi)礦山普查及生態(tài)修復(fù)工程項目調(diào)研時發(fā)現(xiàn)，由于長期開發(fā)利用及山體滑坡等自然因素影響，傳統(tǒng)測繪法提供的礦區(qū)測繪地形圖件與當(dāng)前礦區(qū)開發(fā)利用范圍及周圍地形地貌差別較大，導(dǎo)致所在礦區(qū)礦產(chǎn)儲量計算結(jié)果與礦區(qū)現(xiàn)狀明顯不符，且區(qū)域內(nèi)廢棄露天礦山區(qū)域滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，影響測繪效果。為進一步查實各礦區(qū)開采范圍內(nèi)的地形地貌，核準(zhǔn)其實際礦區(qū)開采范圍和位置，為礦區(qū)礦產(chǎn)儲量動態(tài)連續(xù)監(jiān)測及露天礦山礦區(qū)綜合生態(tài)環(huán)境整治修復(fù)打下良好基礎(chǔ)，本文在分析其地形特點的基礎(chǔ)上，將無人機測繪技術(shù)應(yīng)用于露天礦區(qū)的地形地貌勘查和生態(tài)修復(fù)，并驗證其優(yōu)勢與可靠性，可為將其推廣應(yīng)用于廢棄露天礦山和廢棄礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)等提供參考。

1 任務(wù)分析及實施過程

圖1 技術(shù)流程

1.1 項目特點及任務(wù)

某區(qū)廢棄露天礦山核定的修復(fù)治理面積為20.33 hm2，廢棄露天礦山9個，由于項目位處典型山區(qū)，點多分散、交通不便，區(qū)域廣而山高林密，測繪難度大，甚至有些點人工無法到達(dá)。由于各礦區(qū)面積均不是很大，若采用傳統(tǒng)人工測繪方法，不僅成本高，成圖周期長，且效率低下。

無人機飛行器具有“障礙感知”“智能跟隨”“指點飛行”三項創(chuàng)新功能，支持分段飛行，可斷點續(xù)飛；內(nèi)置谷歌全球高程模型，航線規(guī)劃可防止撞山；內(nèi)置谷歌混合地圖，偏遠(yuǎn)山區(qū)也有詳細(xì)的衛(wèi)星底圖；飛行狀態(tài)實時信息顯示，可全程語音播報；飛行任務(wù)具有可視化回放功能，調(diào)取飛行記錄方便快捷；一鍵起飛，能低電量自動返航；系統(tǒng)支持正射、傾斜多種作業(yè)模式，有專業(yè)航線設(shè)計與全自動飛行控制功能，能實現(xiàn)高精度的大比例尺應(yīng)用，并提供DSM、真正射、三維模型等多種測繪成果。

鑒于無人機飛行器具有上述諸多優(yōu)勢，擬采用無人機航拍對轄區(qū)內(nèi)所有露天開采礦山全面開展實地測量，形成電子版地質(zhì)地形圖數(shù)據(jù)；對不同坐標(biāo)系之間數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換造成的誤差進行修正；對實際范圍、位置與其采礦許可證附圖標(biāo)定的坐標(biāo)位置變動較大的，查找分析原因，找出解決方案，提出相應(yīng)建議。

1.2 技術(shù)路線

為盡可能收集轄區(qū)內(nèi)相關(guān)測區(qū)的測繪資料，采用“智航線”無人機管家軟件模塊對各礦區(qū)進行航線優(yōu)化設(shè)計；充分利用無人機掛載的多鏡頭相機，獲取礦區(qū)當(dāng)前開采現(xiàn)狀影像及POS數(shù)據(jù)；采用無人機管家自帶“智拼圖”模塊和CCCM（ContextCapture Center Master）數(shù)據(jù)處理軟件，輸出正射影像圖DOM及OSGB格式實景三維模型；利用清華三維測圖軟件EPS輸出數(shù)字線畫圖（DLG），輔助完成礦區(qū)實際開采范圍勘界、埋樁等測繪工作。航飛測繪技術(shù)路線流程如圖1所示。

1.3 實施方案

（1）航線規(guī)劃

根據(jù)露天礦山開采面積、占損情況及影響區(qū)域，獲取生態(tài)修復(fù)范圍，生成飛行航線如圖2?？紤]飛行面積和飛行時間，并保證較高的地面分辨率，相對飛行高度為200 m，航向重疊率為80%，旁向重疊率為60%，平均地面分辨率約10 cm。9個點位的總飛行面積約23 hm2，最大面積9.3 hm2，最小面積0.4 hm2。

圖2 航線規(guī)劃

（2）礦區(qū)圖根控制

通過收集資料得知，無人機航飛作業(yè)礦區(qū)內(nèi)具有該地區(qū)衛(wèi)星連續(xù)運行參考站系統(tǒng)（CORS），因此，采用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)進行圖根平面控制測量。在礦區(qū)選定穩(wěn)固的巖石上鉆孔、埋設(shè)事先準(zhǔn)備的十字釘，并印制“測量標(biāo)志、嚴(yán)禁移動”標(biāo)識。由網(wǎng)絡(luò)RTK所測大地高，經(jīng)轉(zhuǎn)換得到國家1985高程，以此作為作業(yè)區(qū)內(nèi)圖根點的高程。

（3）礦區(qū)像控測量

為滿足作業(yè)區(qū)域精度要求，在測區(qū)內(nèi)同時設(shè)置一定數(shù)量的像控點及測繪結(jié)果精度檢查點。采用事前布點方式,所有點均為平高控制點?？刂泣c數(shù)據(jù)要進行后期校正處理，需多次平滑測量后取均值，使其測量精度小于2 cm?？刂泣c應(yīng)選擇在相對平坦的地面，避開建筑物房角點或高差點，避免因檢查點選擇不當(dāng)導(dǎo)致點位判斷錯誤、降低數(shù)據(jù)精度或作業(yè)精度不符合要求。

飛行平臺具備五相機獨立打標(biāo)能力及RTK/PPK的融合作業(yè)模式，可大大減少控制點的布設(shè)。軟件通過少量控制點和高精度POS的聯(lián)合平差，能滿足項目對獲取高精度數(shù)據(jù)的特定要求。將RTK儀器連接至某地區(qū)的衛(wèi)星連續(xù)運行參考站系統(tǒng)，通過RTK自帶的平滑采點功能測定所布設(shè)的像控點位置坐標(biāo)。為確保小于2 cm的點位精度，每組像控點數(shù)據(jù)均采集3個測次，求取算術(shù)平均值，并做好測區(qū)的像控點整理工作。

（4）航空飛行及質(zhì)量控制

無人機作業(yè)除了盡量選擇光線充足的時間段，還必須嚴(yán)格選擇太陽高度角，以確保安全航飛。飛手在地面站要隨時關(guān)注和了解其飛行姿態(tài)、電池電量、速度和航高等各項飛行狀態(tài)指標(biāo)，實時監(jiān)控?zé)o人機工作狀態(tài)。

航飛作業(yè)完成后，要求在航飛現(xiàn)場下載其存儲的POS數(shù)據(jù)，并對航攝影像進行初步檢查和分析，包括所攝影像的重疊度、彎曲度、旋角、傾角，檢查POS數(shù)據(jù)和圖片數(shù)是否對應(yīng)，航飛作業(yè)區(qū)域影像是否清晰、是否有漏洞等。如果發(fā)現(xiàn)下載的數(shù)據(jù)不滿足要求，應(yīng)及時安排重飛作業(yè)。

2 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果

使用無人機自帶“智理圖”數(shù)據(jù)處理模塊，對無人機航飛時獲取的差分POS觀測數(shù)據(jù)進行融合差分GPS數(shù)據(jù)處理，解算得到無人機所掛載的五組相機的高精度POS數(shù)據(jù)。

采用無人機管家“智拼圖”模塊，對傾斜數(shù)據(jù)進行高精度POS的空中三角測量。設(shè)置航攝影像照片和無人機航飛POS數(shù)據(jù)的一一對應(yīng)關(guān)系，并對拍攝的每張影像進行地物和地貌特征點檢測與匹配。將導(dǎo)出的XML格式空三文件導(dǎo)入CC（ContextCapture）軟件中，加入控制點，將控制點與空三網(wǎng)聯(lián)合平差。在空三數(shù)據(jù)解算處理完成后，進行自動化建模作業(yè)[1]。

2.1 實景三維模型生產(chǎn)

CC軟件經(jīng)過格網(wǎng)切塊、構(gòu)建TIN網(wǎng)白模、自動紋理映射等作業(yè)后，制作出所飛礦區(qū)的三維高精度實景模型。生成的三維模型，要求紋理清晰，以確保后期測圖軟件點位數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性[2-3]。然后，使用所布設(shè)的檢查點對三維模型的精度進行檢查。如果精度檢查合格，則進行下一步作業(yè)，否則分析、查找原因，直至模型精度合格。實景三維模型展示如圖3所示。

圖3 實景三維模型展示

2.2 數(shù)字正射影像圖制作

采用無人機管家“智拼圖”模塊生成數(shù)字正射影像如圖4。影像圖應(yīng)清晰，影像相鄰片之間應(yīng)盡量保持反差不大，色調(diào)均勻。如發(fā)現(xiàn)色調(diào)差別較大，應(yīng)予以調(diào)整。保持色調(diào)最小密度不小于0.4，最大密度在1.4～1.8，且注意影像不能留下處理痕跡，確保影像在屏幕顯示時具有良好的視覺效果[4-5]。

圖4 項目區(qū)正射影像

2.3 全數(shù)字?jǐn)z影測圖

使用清華三維EPS測圖軟件進行測圖作業(yè)。將制作完成的航飛作業(yè)區(qū)域?qū)嵕叭S模型導(dǎo)入清華三維測圖軟件，根據(jù)具體技術(shù)規(guī)范要求對要素賦予屬性信息，對點、線、面等矢量信息進行繪制編輯，并制作工程文件。輸出DLG圖后，使用網(wǎng)絡(luò)RTK，通過實測檢查點方式對輸出結(jié)果進行精度檢核，對照結(jié)果如表1所示。

表1 精度檢核對照結(jié)果 m

3 礦區(qū)開采范圍核查

如圖5所示，某礦山邊界一角，如果采用傳統(tǒng)測繪方法，需要先外業(yè)現(xiàn)場測繪，再內(nèi)業(yè)編輯成圖，不僅交通不便難以到達(dá)，且會面臨一定危險，還需承擔(dān)較高的人工成本和時間成本[6-7]。

圖5 礦山開采邊界

但是，如果將實景三維模型導(dǎo)入EPS軟件，采集礦山實際開采范圍邊界線，再導(dǎo)入采礦證、采礦權(quán)邊界線，可檢查項目作業(yè)礦區(qū)當(dāng)前實際開采范圍是否超越劃定邊界線或發(fā)生偏位。圖6顯示，與傳統(tǒng)的平面圖疊加分析相比，三維實景模型不僅提高了輸出結(jié)果的作業(yè)效率，且視覺效果更為直觀，其結(jié)果可為國土資源管理部門正確決策提供有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖6 礦山開采范圍示意

4 結(jié)論與展望

（1）項目位處典型山區(qū)，露天礦山的實際情況差異較大，傳統(tǒng)人工勘查難度較大。利用無人機航拍攝影技術(shù)，降低了勘查成本，大大提高了效率，且獲取的高分辨率影像數(shù)據(jù)更能直觀反映項目區(qū)的真實現(xiàn)狀。

（2）使用無人機測繪技術(shù)能方便快捷地探查礦區(qū)開采范圍內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害、土地?fù)p毀及地貌破壞現(xiàn)狀。通過核查礦山圖斑數(shù)據(jù)，可調(diào)整露天礦山生態(tài)修復(fù)范圍和面積。

（3）將無人機測繪與傳統(tǒng)測繪相結(jié)合，兩種手段互為補充，相互印證，既豐富了測繪技術(shù)，使測繪手段多元化，也提高了測繪精度。生態(tài)修復(fù)勘查和設(shè)計在高質(zhì)量的影像結(jié)果中布局和作業(yè)，不僅直觀簡明，而且便于溝通交流。

（4）礦山修復(fù)生態(tài)項目可考慮和地質(zhì)災(zāi)害治理、工礦企業(yè)廢棄土地治理、鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實施、山水林田湖草生態(tài)修復(fù)工程、生態(tài)移民搬遷等相結(jié)合。開展土地綜合整治，無人機測繪具有廣闊的應(yīng)用前景。

（5）無人機管家系統(tǒng)充分實現(xiàn)了外業(yè)與內(nèi)業(yè)的有效銜接，高效快捷輸出影像和數(shù)據(jù)結(jié)果，全過程服務(wù)于生產(chǎn)實踐，可滿足多行業(yè)的應(yīng)用需求，值得宣傳和推廣。