無人機技術(shù)在關(guān)閉建筑石料礦山生態(tài)環(huán)境綜合治理工程中的應(yīng)用

無人機技術(shù)在關(guān)閉建筑石料礦山生態(tài)環(huán)境綜合治理工程中的應(yīng)用

□ 德清縣國土資源局 張臘平

一、引言

黨的十八大以來，在習(xí)總書記“綠水青山就是金山銀山”的思想指導(dǎo)下，為保護生態(tài)環(huán)境，德清縣大力開展礦山整治，先后關(guān)閉了20多家“小、散、亂”建筑石料礦山。為加快推進生態(tài)文明建設(shè)和建設(shè)“兩富兩美”現(xiàn)代化浙江，響應(yīng)省委省政府開展的“五水共治”“四邊三化”行動號召，改善關(guān)閉礦山生態(tài)環(huán)境，消除地質(zhì)災(zāi)害隱患，減少水土流失，增加可利用土地資源，美化視覺景觀，德清縣全面開展關(guān)閉建筑石料礦山生態(tài)環(huán)境綜合治理工程。為確保治理工程按照設(shè)計方案施工，杜絕以治理之名亂采、亂挖和竊取國家礦產(chǎn)資源的現(xiàn)象和行為發(fā)生，及時掌握關(guān)閉礦山生態(tài)環(huán)境治理工程項目現(xiàn)狀與進度，有效掌控治理過程及工程質(zhì)量，2015年6月，德清縣國土資源局與測繪單位合作，引入無人機技術(shù)進行不定期監(jiān)測，加強對關(guān)閉建筑石料礦山生態(tài)環(huán)境綜合治理工程的監(jiān)管。

二、工作原理及工作流程

1.概念和工作原理

無人機技術(shù)的概念：簡單來說就是無人機載移動測量系統(tǒng)。這項技術(shù)是無人機與航空攝影測量相結(jié)合，構(gòu)成無人機低空攝影測量系統(tǒng)，是航空攝影領(lǐng)域的一個新的發(fā)展方向。

近年來，隨著各種新型傳感器和攝影測量平臺的不斷發(fā)展，無人機數(shù)字航攝技術(shù)以其機動靈話、經(jīng)濟、便捷等顯著特點，成為了傳統(tǒng)航空攝影測量手段的有力補充，在應(yīng)急數(shù)據(jù)獲取及小范圍快速成圖方面顯示出了無人機航攝系統(tǒng)獨特的優(yōu)勢，使得這項技術(shù)在關(guān)閉建筑石料礦山生態(tài)環(huán)境綜合治理工程中的應(yīng)用成為可能。

無人機技術(shù)的工作原理：本次治理工程監(jiān)測采用的無人機載移動測量系統(tǒng)是利用八旋翼無人機作為搭載平臺，安置影像分辨率2400萬像素的相機，進行低空監(jiān)測，拍攝高分辨率數(shù)碼航攝影像；搭載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（POS系統(tǒng)）,提供穩(wěn)定、連續(xù)的三維高精度位置、速度、姿態(tài)信息；安裝GNSS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，獲取高精度位置信息。

2.工作內(nèi)容及流程

主要工作流程：在治理礦區(qū)內(nèi)及礦區(qū)附近選擇明顯穩(wěn)固的特征點作為像片控制點和檢測點，使用RTK設(shè)備和浙江省衛(wèi)星連續(xù)運行綜合服務(wù)系統(tǒng)（簡稱ZJCORS系統(tǒng)）實地施測像控點和檢測點三維坐標；無人機低空數(shù)碼航攝，獲取治理工程區(qū)域影像數(shù)據(jù)；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，包括影像拼接，數(shù)字正射影像圖（DOM）、數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字線劃圖（DLG）制作；數(shù)據(jù)分析，包括本期數(shù)據(jù)與初期數(shù)據(jù)對比分析、本期數(shù)據(jù)與上期數(shù)據(jù)對比分析、本期數(shù)據(jù)與設(shè)計終了數(shù)據(jù)對比分析；編寫并提交報告等。

圖1 工作流程圖

具體工作流程如（圖1）。

三、外業(yè)測量及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

1.外業(yè)測量

外業(yè)測量包括像控點（檢測點）布設(shè)和測量、無人機低空數(shù)碼航攝。

為滿足無人機攝影測量需要，先要布設(shè)必要數(shù)量的像控點、檢測點，像控點、檢測點布設(shè)應(yīng)均勻且能控制整個治理區(qū)域。用RTK進行像控點、檢測點平面坐標和高程測量時，各環(huán)節(jié)都應(yīng)符合相關(guān)規(guī)程、規(guī)范要求。

圖3 制作數(shù)字正射影像圖（DOM）

圖4 制作數(shù)字高程模型（DEM）

執(zhí)行無人機飛行前，需對天氣、風(fēng)力、成像清晰度等進行分析評估，選擇合適的天氣和時間段作業(yè)；對無人機狀態(tài)進行全面檢查，確保無人機各部件連接正常，慣導(dǎo)系統(tǒng)、拍攝系統(tǒng)、定位系統(tǒng)工作正常，同時還要確保飛行安全。準備就緒后，結(jié)合治理工程區(qū)域形狀、走向、地形及周邊有無臨近治理礦區(qū)等實際情況，按1∶2000比例尺成圖要求敷設(shè)航線，設(shè)置航高（相對航高一般控制在200米以內(nèi)），像片重疊度設(shè)置：航向重疊度0.8，旁向重疊度0.6。航攝結(jié)束后，對數(shù)碼攝影質(zhì)量進行檢查，包括影像的清晰度、色彩反差和色調(diào)柔和情況，影像有無缺陷，拼接有無明顯模糊、重影和錯位、像點位移誤差等。航攝成果符合要求后，進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。

2.內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要包括影像拼接、制作數(shù)字正射影像圖（DOM）和數(shù)字高程模型（DEM）等。

影像拼接，利用無人機自帶軟件系統(tǒng)Photoscan，對航攝低空數(shù)碼影像進行自動拼接，見（圖2），得到整個礦區(qū)的完整影像圖。

內(nèi)業(yè)制圖，按照航測成圖技術(shù)流程，利用Photoscan軟件，數(shù)據(jù)處理過程中加入像控點、檢測點，在（圖3）軟件界面上制作數(shù)字正射影像圖（DOM）見（圖5），在（圖4）軟件界面上制作數(shù)字高程模型（DEM）見（圖6）。

四、數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析主要采用對比分析法，在無人機監(jiān)測形成的DOM、DEM等圖基礎(chǔ)上，用Arcgis、Mapstation軟件處理后續(xù)的操作，主要分析內(nèi)容包括：本期數(shù)據(jù)與初期數(shù)據(jù)對比分析、本期數(shù)據(jù)與上期數(shù)據(jù)對比分析、本期數(shù)據(jù)與設(shè)計終了數(shù)據(jù)對比分析等方面內(nèi)容。

本期數(shù)據(jù)與初期數(shù)據(jù)對比分析：本期DEM數(shù)據(jù)減去初期DEM數(shù)據(jù)得到的分析圖，用不同色調(diào)標注高程低于初期數(shù)據(jù)的區(qū)域和高于初期數(shù)據(jù)的區(qū)域，計算已回填土石方和已開挖土石方方量，統(tǒng)計完成工程量等情況。

圖2 影像拼接

本期數(shù)據(jù)與上期數(shù)據(jù)對比分析：本期DEM數(shù)據(jù)減去上期DEM數(shù)據(jù)得到的分析圖，計算回填土石方和開挖土石方方量，判斷治理進度。

圖5 數(shù)字正射影像圖（DOM）

圖6 數(shù)字高程模型（DEM）

本期數(shù)據(jù)與設(shè)計終了數(shù)據(jù)對比分析：本期DEM數(shù)據(jù)減去終了DEM數(shù)據(jù)得到的分析圖，對未擾動而超深的區(qū)域進行剔除，得到本期高程低于終了的區(qū)域和高程高于終了的區(qū)域。由分析圖可以看出本期有沒有超采超挖區(qū)域，并計算需回填土石方和可開挖土石方方量，統(tǒng)計尚剩余土石方方量。本期臺階與設(shè)計終了臺階對比分析：將設(shè)計終了圖中的臺階線，插入到本期圖上比較，分析實際形成的臺階與設(shè)計終了臺階之間差別，從臺階高度、形狀、長度和寬度四個方面進行比較，分析并判定施工是否按設(shè)計要求進行。本期邊坡與設(shè)計終了圖對比分析：將設(shè)計終了圖中所有剖面線插入到本期圖上比較，分析實際剖面與設(shè)計剖面的差值，形成的剖面低于設(shè)計剖面時及時預(yù)警，杜絕超采超挖現(xiàn)象發(fā)生，高于設(shè)計剖面應(yīng)繼續(xù)開采開挖，直到達到設(shè)計坡度要求為止。

數(shù)據(jù)分析是無人機監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)，通過對無人機監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，一方面可以及時掌握治理工程進度、設(shè)計方案執(zhí)行情況和工程質(zhì)量情況，另一方面是為杜絕超采超挖、非法獲取礦產(chǎn)資源的現(xiàn)象和行為發(fā)生，為對違規(guī)、違法行為進行處罰提供依據(jù)。

五、質(zhì)量控制

測量各個操作環(huán)節(jié)、各項成果數(shù)據(jù)都需要進行質(zhì)量控制，尤其是應(yīng)用在關(guān)閉礦山治理工程中，要切實起到監(jiān)管作用，就必須做到“打鐵還需自身硬”，一方面嚴禁測繪人員與治理工程施工方有任何接觸，杜絕一切人為因素影響,確保如實進行監(jiān)測；另一方面，測繪成果數(shù)據(jù)必須達到一定的數(shù)學(xué)精度，確保監(jiān)測成果質(zhì)量。

礦山治理方案按照1∶2000進行設(shè)計，無人機監(jiān)測也按此比例成圖，在影像數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理過程中，對像控點、檢測點進行檢查和統(tǒng)計，其殘差皆小于2厘米；DOM分辨率為0.2米，DOM成果精度符合《CH／T 9008.3-2010基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶500 、1∶1000 、1∶2000數(shù)字正射影像圖》中平面位置中誤差小于0.6毫米的標準；DEM格網(wǎng)尺寸為2米，DEM成果精度符合《CH／T 9008.2-2010基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶500 、1∶1000 、1∶2000數(shù)字高程模型》中高程中誤差小于0.7米的標準；DLG圖精度符合《CH／T 9008.1-2010基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶500 、1∶1000 、1∶2000數(shù)字線劃圖》中平面位置中誤差小于1.2米的標準。

可見，通過質(zhì)量控制，無人機低空數(shù)碼航攝最終各項數(shù)據(jù)成果質(zhì)量都符合相關(guān)規(guī)程、規(guī)范的精度要求，能滿足礦山治理工程動態(tài)監(jiān)測的需要。

六、結(jié)語

無人機技術(shù)具有低成本、高機動性和實時觀測地面的優(yōu)勢，在測繪行業(yè)中得到了廣泛運用。無人機攝影測量從技術(shù)層面上，在礦山綜合治理動態(tài)監(jiān)測中有著很強的適用性，與常規(guī)礦山測量方法相比，具有數(shù)據(jù)點密集、精度高、速度快、成本低、安全系數(shù)高、管理方便的特點，經(jīng)過后處理軟件進行處理生成的數(shù)據(jù)，快速構(gòu)出被測物的三維模型即點、線、面、體、空間各種相關(guān)數(shù)據(jù)，是解決常規(guī)測量無法完成任務(wù)的最好方式；與航空攝影測量技術(shù)相比，表現(xiàn)為更經(jīng)濟、更高效、更安全、更時效、更多能的特點。從實際應(yīng)用效果看，主要起到四個方面作用：一是建筑石料礦山坡面情況比較復(fù)雜，無人機技術(shù)的應(yīng)用，能減少各種人為因素影響，對未按設(shè)計施工行為能得到及時制止，對惡意亂采亂挖現(xiàn)象能及時反饋到相關(guān)部門進行查處，提高了監(jiān)管工作效率；二是無人機獲得高分辨率數(shù)字正射影像（DOM）和數(shù)字高程模型（DEM）具有較高的可信度，在日常監(jiān)管中，施工方對無人機發(fā)現(xiàn)的各種問題無一例提出質(zhì)疑；三是對各種違規(guī)、違法行為具有較強的威懾作用，降低了違規(guī)、違法行為發(fā)生率；四是為相關(guān)部門日常監(jiān)管提供依據(jù)和技術(shù)支撐，使日常監(jiān)管工作有了得力的抓手。

通過無人機技術(shù)的引入，采用“天上飛、地上查”的監(jiān)管模式，使得德清縣關(guān)閉建筑石料礦山生態(tài)環(huán)境綜合治理工程得到更加有序的推進，并取得了一定成效。