無人機傾斜攝影技術(shù)在露天礦山監(jiān)管中的應(yīng)用

張維生

(漳州市測繪設(shè)計研究院，福建 漳州 363000)

1 引 言

中國是全世界最大的礦產(chǎn)資源開發(fā)利用國家之一，礦產(chǎn)資源的開采促進了我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，但是也極大地破壞了原始生態(tài)環(huán)境。早期礦山的不規(guī)范開采行為嚴重破壞了礦山周邊生態(tài)環(huán)境，造成了大量的廢棄石堆、危巖，常常引發(fā)泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，嚴重影響著人們的生命財產(chǎn)安全和正常的生活秩序。因此，有必要對礦山開發(fā)利用狀況、礦產(chǎn)資源規(guī)劃執(zhí)行情況和礦山地質(zhì)環(huán)境治理恢復(fù)執(zhí)行情況進行動態(tài)監(jiān)管，保證礦山的可持續(xù)發(fā)展[1]。

傳統(tǒng)的礦山監(jiān)管大多以人工實地巡查為主、衛(wèi)星遙感影像解譯為輔，但是人工實地巡查受客觀因素影響較大，容易出現(xiàn)遺漏，且需要大量的人力、物力和財力投入，效率低下，在露天礦邊坡容易出現(xiàn)的滑坡裂隙地段，人員進入存在很大的安全隱患；而衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)獲取周期長，現(xiàn)勢性不夠[2]。為了適應(yīng)新形勢下礦山動態(tài)監(jiān)管的要求，無人機傾斜攝影技術(shù)開始被廣泛應(yīng)用。無人機傾斜攝影技術(shù)通過無人機平臺上搭載多臺傳感器，運用多角度相機同步獲取地面物體各個角度高分辨率航攝影像，配合先進的定位、融合、三維模型處理系統(tǒng)等技術(shù)，自動生成高精度數(shù)字正射影像、數(shù)字高程模型和實景三維模型。相比傳統(tǒng)測量技術(shù)，無人機傾斜攝影技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)空間三維地理信息數(shù)據(jù)的快速獲取、處理與應(yīng)用，成果信息量豐富，且具有三維分析量測功能[3]。同時無人機具有輕巧靈動的特性、作業(yè)高效迅速、可高頻監(jiān)測、成本低廉及數(shù)據(jù)成果精確等優(yōu)點[4]，已經(jīng)在礦山測量[5]、礦山修復(fù)[6]、礦山地質(zhì)環(huán)境治理[7]中得到廣泛應(yīng)用。文章以漳州市2021年度全市65個持證露天礦山的動態(tài)監(jiān)管工作為契機，開展無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析，探討無人機傾斜攝影技術(shù)在露天礦山違法開采、礦山開發(fā)利用狀況、地質(zhì)環(huán)境治理恢復(fù)等動態(tài)監(jiān)管中的應(yīng)用。

2 監(jiān)管工作情況介紹

根據(jù)《福建省礦產(chǎn)資源監(jiān)督管理辦法》要求，為有效監(jiān)管礦山的違法開采問題，確實規(guī)范礦山邊開采邊治理和資源節(jié)約集約利用，為漳州市“大抓工業(yè)、抓大工業(yè)”提供有效的礦產(chǎn)資源支撐和生態(tài)環(huán)境保障作用，漳州市開展了2021年度持證露天礦山無人機監(jiān)管測繪工作。工作要求每個季度對65個持證礦山進行一次全覆蓋無人機航攝，并結(jié)合礦山成果數(shù)據(jù)、礦山監(jiān)管要求編制監(jiān)管報告，為礦山管理、生態(tài)修復(fù)、耕地保護、地災(zāi)治理等問題提供意見。漳州市65個持證露天礦山分布于各個縣區(qū)，分布較為零散，且大多位于山區(qū)，交通困難。礦山分布位置如圖1所示。

圖1 漳州市持證礦山分布圖

3 無人機傾斜攝影技術(shù)

本文通過無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析，編制礦山監(jiān)管成果報告，為礦山監(jiān)管工作提供數(shù)據(jù)支撐。詳細流程圖如圖2所示：

圖2 生產(chǎn)流程圖

3.1 飛行平臺

本文采用大疆PHANTON 4 RTK作為飛行平臺，PHANTON 4 RTK是一款具備高精度測繪功能的航測無人機，具備厘米級導(dǎo)航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng)，搭載DJI FC6310R單鏡頭傾斜相機，有效像素 2 000萬。

3.2 傾斜攝影

開展無人機傾斜攝影前，首先需收集各個礦山的采礦權(quán)范圍線，轉(zhuǎn)換成谷歌kml文件，導(dǎo)入奧維地圖，做好路線規(guī)劃，并進行前期設(shè)備質(zhì)量檢驗、相機校驗等工作。

由于搭載的相機是單鏡頭，實施傾斜攝影時采用將鏡臺傾斜一個角度并加大重疊度井字形飛行，首先平行飛行一個來回獲取前后兩個方向目標影像，再從垂直方向飛行一個來回獲取左右兩個方向的目標影像：最后再飛一組正射影像，然后再飛一組正射影像，來完成5個不同方向采集地表目標影像[8]。無人機傾斜攝影航線設(shè)計要求如下：

(1)影像地面分辨率優(yōu)于2 cm；

(2)航向重疊70%～80%，旁向重疊70%～80%；

(3)相對航高80 m～100 m，相機傾斜角度30°(云臺角度-60°)。

(4)飛行航線至少超出礦山范圍線一個相對航高值。

3.3 像控布設(shè)

為了提高航測精度，保證成果質(zhì)量，每個礦山在航飛前必須先布設(shè)像控點。像控點布設(shè)方案采用周旺輝等在控制點布設(shè)對低空小型無人機高分影像精度的影響[9]一文中提到的四周均勻布點加少量內(nèi)部控制的方法為最優(yōu)布點方式進行布設(shè)。像控選點應(yīng)充分考慮現(xiàn)場地形地物情況，將控制點布設(shè)在清晰的明顯地物折角，交角良好的線狀地物交點，且像控點周邊地形高差不大地區(qū)，在無明顯地物標志時，采用在硬化地刷油漆的方式進行布置，標志刷成“L”型。像控點測量時，應(yīng)對觀測處進行近照和遠照。近照要能夠反映測量桿落點位置，遠照要能夠反映刺點與周邊地物的位置關(guān)系。像控點外業(yè)觀測完成后，及時做好記錄，將礦山、像控點編號、照片編號進行一一關(guān)聯(lián)。

3.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要分為：數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)空三加密、生產(chǎn)DEM和DOM、生產(chǎn)實景三維模型四個部分。

(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是檢查外業(yè)航拍影像是否清晰，航拍是否有缺漏，影像成圖質(zhì)量是否符合要求，核查影像數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)是否一致，并將POS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成CGCS2000坐標系。

(2)數(shù)據(jù)空三加密?？杖用懿捎肕etashape軟件，該軟件空三計算能力優(yōu)秀，影像畸變糾正能力比較強[10]。將傾斜影像、POS數(shù)據(jù)、像控點、相機參數(shù)等分別導(dǎo)入Metashape進行空三加密。空三加密具體流程為：首先將傾斜影像進行連接點自動匹配，對獲取的特征點采用圖像特征匹配及跟蹤技術(shù)尋找和匹配不同像片間公共點，構(gòu)建自由網(wǎng)，導(dǎo)入控制點后進行人工刺點，再進行光束法區(qū)域網(wǎng)平差，檢查控制點精度，調(diào)整控制點后再平差至空三結(jié)果滿足精度要求。

(3)生產(chǎn)DEM、DOM?？杖用軡M足精度要求后，可以導(dǎo)入空三成果進行DEM、DOM的生產(chǎn)。礦山數(shù)字正射影像圖成果如圖3所示。

圖3 礦山數(shù)字正射影像圖

(4)生產(chǎn)實景三維模型。ContextCapture軟件在三維重建方面具體獨特優(yōu)勢[11]。在Metashape中導(dǎo)出空三成果，選擇Blocks Exchange*xml格式，再導(dǎo)入ContextCapture中新建三維重建項目，設(shè)置好三維模型的坐標系統(tǒng)、平面切片格網(wǎng)大小、輸出范圍及成果格式等，最后生成三維模型。礦山實景三維模型成果如圖4所示。

圖4 礦山實景三維模型

4 監(jiān)管工作成果數(shù)據(jù)分析

4.1 越界及超深開采分析

以采礦權(quán)人采礦權(quán)證書確定的采礦權(quán)范圍線和開采深度范圍作為監(jiān)管分析基準，在ArcGIS軟件中將采礦權(quán)范圍線與礦山開采現(xiàn)狀DOM影像進行套合，可以判斷礦區(qū)是否存在越界開采行為，并初步計算其越界面積，在礦山三維模型上直接量取礦山現(xiàn)狀最低點高程，即可判斷礦區(qū)是否存在超深開采行為。圖5為某礦山正北側(cè)越界開采情況。

圖5 礦山越界開采情況

4.2 占用耕地情況分析

在ArcGIS軟件中將采礦權(quán)范圍線與礦山開采現(xiàn)狀DOM影像進行套合，并且疊加第二次全國土地調(diào)查耕地圖斑數(shù)據(jù)進行分析，可以判斷礦區(qū)是否存在占用耕地行為。圖6為某礦山紅線外西北側(cè)工業(yè)廣場侵占耕地情況。

圖6 礦山占用耕地情況

4.3 礦山開發(fā)利用方案執(zhí)行情況

露天礦山開采需要及時監(jiān)測和確定礦山是否存在違規(guī)開采礦產(chǎn)資源行為、開采現(xiàn)場是否按開采設(shè)計的要求自上而下分臺階或分層開采，臺階三要素是否符合相關(guān)設(shè)計要求，以確保礦山開采安全。通過礦山現(xiàn)狀三維模型，可以直觀地查看礦山開采總體情況，分析、量測礦山開采臺階情況，包括臺階高度、臺階安全平臺寬度等。根據(jù)數(shù)據(jù)高程模型DEM，利用ArcGIS軟件的坡度分析工具自動計算出礦區(qū)DEM的坡度值，可監(jiān)測礦山臺階坡面角是否符合設(shè)計要求。

4.4 礦山地質(zhì)環(huán)境治理恢復(fù)方案執(zhí)行情況

礦山在開采過程及終了后，會存在土地植被破壞，廢棄物排放、采場邊坡治理、水文地質(zhì)條件變化等礦山生態(tài)環(huán)境問題，需要進行礦山地質(zhì)環(huán)境治理恢復(fù)及土地復(fù)墾復(fù)綠，通過礦山現(xiàn)狀高分辨率數(shù)字正射影像和傾斜三維模型，可以清楚直觀地監(jiān)管礦山“邊開采邊治理”執(zhí)行情況，核對礦山地質(zhì)環(huán)境治理恢復(fù)情況及治理效果。如表1為某礦山監(jiān)管情況表。

表1 礦山監(jiān)管情況表

4.5 礦山監(jiān)管問題清單

對每一季度所有持證礦山的監(jiān)管結(jié)果進行整理統(tǒng)計，編制所有礦山的監(jiān)管問題清單匯總表，如表2所示，了解每個礦山可能存在的違法開采行為，掌握每個礦山開發(fā)利用方案執(zhí)行情況和地質(zhì)環(huán)境治理恢復(fù)情況，并制定相應(yīng)的整改措施，為規(guī)范礦山開采提供保障。

表2 礦山監(jiān)管問題清單匯總表

5 監(jiān)管工作成效

經(jīng)過四個季度對持證露天礦山的無人機航飛監(jiān)督管理工作，漳州市礦產(chǎn)資源開采行為得到有效的規(guī)范。

(1)礦山越界及超深開采行為得到有效遏制。第一季度發(fā)現(xiàn)的越界開采礦山全部停止了越界開采行為，并對越界區(qū)域進行了整改恢復(fù)。如圖7為某礦山紅線外西南側(cè)越界開采行為進行整治效果圖。

圖7 礦山越界開采整治效果

(2)礦山占用耕地情況得到有效治理。礦山占用耕地區(qū)域全部進行了土地復(fù)墾，并恢復(fù)了植被種植。如圖8為某礦山紅線外東北側(cè)剝離土堆放侵占耕地行為進行整治效果圖。

圖8 礦山占用耕地整治效果

(3)礦山開發(fā)利用方案得到有效執(zhí)行?；径糁屏瞬糠值V山亂采濫挖、采富棄貧等破壞和浪費礦產(chǎn)資源的行為和跡象，大部分礦山能夠?qū)嵭凶陨隙路峙_階或分層開采，并修建治理臺階，對臺階進行削坡、開級、加固，建立完善的截排水設(shè)施，礦山邊坡外側(cè)修建鐵絲網(wǎng)防護欄等，以保證礦山開采安全。如圖9為某礦山依據(jù)開發(fā)利用方案自上而下分臺階開采過程。

圖9 礦山自上而下分臺階開采

(4)邊開采邊治理要求得到進一步落實。大部分礦山都已對已開采完成區(qū)域進行了地質(zhì)環(huán)境治理恢復(fù)，對已開采完成臺階平臺進行種植樹木、藤、草等植物，覆蓋裸露巖面，恢復(fù)礦山地質(zhì)環(huán)境。如圖10、圖11為某礦山對已開采完成區(qū)域進行臺階治理及復(fù)綠。

圖10 礦山邊開采邊治理(正射影像)

圖11 礦山邊開采邊治理(局部三維模型)

6 結(jié)論及展望

無人機傾斜攝影技術(shù)現(xiàn)已成為一種高效的礦山監(jiān)管手段。利用無人機傾斜攝影技術(shù)快速安全地獲取礦山現(xiàn)狀高分辨率正射影像圖和實景三維模型，可以為自然資源礦管部門提供更為直觀的礦山開采現(xiàn)狀成果，輔助礦管部門有效監(jiān)管礦山的違法開采問題，促進礦山科學(xué)化、規(guī)范化開采，確實規(guī)范礦山邊開采邊治理行為，并為礦山的日常管理、耕地保護、生態(tài)修復(fù)、地災(zāi)治理等問題提供數(shù)據(jù)支撐。

下步的研究工作是建立礦山監(jiān)管系統(tǒng)平臺，將每一期礦山航飛成果進行數(shù)據(jù)入庫，實現(xiàn)礦山開采情況可追溯管理，為礦管部門動態(tài)監(jiān)管礦山每一階段的開采情況，制定礦山管理計劃提供參考，助力礦山高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展。