消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)遙感在礦區(qū)土地調(diào)查中的應(yīng)用

康新亮

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司 地質(zhì)處，山西 太原 030053)

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，設(shè)備費(fèi)用不斷降低，操作不斷智能化、自動(dòng)化，使得無(wú)人機(jī)的使用成本和學(xué)習(xí)成本可以被一般工程作業(yè)單位和科研機(jī)構(gòu)所接受，在日常測(cè)繪、調(diào)查中也得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1-3].目前，在很多調(diào)查、監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)遙感發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，比如農(nóng)林調(diào)查[4, 5]、地災(zāi)調(diào)查[6]、生態(tài)監(jiān)測(cè)[7]等。

常規(guī)的礦區(qū)土地資源調(diào)查通常以調(diào)查人員地面巡查為主，任務(wù)重、工作強(qiáng)度大，需要的周期較長(zhǎng)，而且還會(huì)受地形、天氣和人為因素等限制。在調(diào)查過(guò)程中，如需獲取對(duì)象的位置、尺寸數(shù)據(jù)，還需測(cè)量工作輔助。如果使用無(wú)人機(jī)配合礦區(qū)土地調(diào)查工作，可以部分解決傳統(tǒng)作業(yè)方式人為因素大、效率低、大范圍工作成本高、工作時(shí)間長(zhǎng)等弊端[8]，并可提供一定精度的位置信息。

1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

該次調(diào)查是針對(duì)西山煤電集團(tuán)某礦的土地利用，并選取其中的典型對(duì)象——排矸場(chǎng)，進(jìn)行無(wú)人機(jī)遙感成果的建模和應(yīng)用。

某礦位于山西省西北部興縣與保德縣交界處，屬于剝蝕堆積低中山區(qū)，分布于嵐漪河南北兩側(cè)的黃土梁峁地區(qū)。底部為三疊系中、下統(tǒng)砂頁(yè)巖，表面被第四系黃土覆蓋，溝谷兩側(cè)砂頁(yè)巖出露，山頂多為塬峁?fàn)?，為典型的黃土高原景觀。

該礦排矸場(chǎng)位于礦區(qū)中東部的溝谷內(nèi)，緊鄰工業(yè)場(chǎng)地，占地面積40.93 hm2，設(shè)計(jì)容量1 384萬(wàn)m3，分三級(jí)堆放，設(shè)計(jì)排棄標(biāo)高分別為1 042 m、1 100 m、1 124 m.排矸場(chǎng)現(xiàn)狀見(jiàn)圖1，大部分已進(jìn)行覆土造林，一、二級(jí)矸石壩治理措施良好，一二級(jí)壩之間的平臺(tái)已治理成礦山公園。排矸場(chǎng)所在位置的溝谷原始地形已不復(fù)存在。

圖1 調(diào)查對(duì)象照片(二級(jí)壩附近)

2 消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)獲取與處理

利用無(wú)人機(jī)低空遙感進(jìn)行三維建模，多鏡頭傾斜相機(jī)是首選，但存在硬件成本高、使用門檻高等局限性。土地調(diào)查不是測(cè)繪，不需要很高的絕對(duì)點(diǎn)位(坐標(biāo))精度，在保證相對(duì)位置正確的前提下，分米甚至米級(jí)的成果也是可以接受的。因此，嘗試使用較易獲取的消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)(大疆精靈4 pro)、搭載2 000萬(wàn)像素單鏡頭光學(xué)相機(jī)(原機(jī)標(biāo)配相機(jī))，采用預(yù)規(guī)劃航線的航拍模式，建立模型并應(yīng)用。無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)獲取與處理過(guò)程如下。

1)外業(yè)航拍。

在航飛前，使用配套的飛控軟件規(guī)劃航線5條，S行線路，覆蓋目標(biāo)排矸場(chǎng)及周邊。設(shè)置飛行高度150 m，航向重疊度80%，旁向重疊度65%.共飛行一架次，照相曝光間隔2 s，總飛行時(shí)間約12.5 min.手動(dòng)剔除不合格的航片后(如曝光嚴(yán)重、對(duì)焦失敗、拍攝拖影等)，共獲取有效航片379張。

該調(diào)查不需要準(zhǔn)確的絕對(duì)坐標(biāo)信息，因此未布設(shè)像控點(diǎn)，使用無(wú)人機(jī)自帶POS系統(tǒng)提供位置信息。

2)空中三角測(cè)量。

將篩選后的相片全部導(dǎo)入軟件ContextCapture中，軟件結(jié)合大疆精靈4 pro拍攝相片中所含的GPS信息進(jìn)行空三運(yùn)算，主要包括以下步驟：對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算提取、匹配同名點(diǎn)、解算相片的空間位置和姿態(tài)角度、確定相片的相互關(guān)系。

3)三維建模。

三維模型構(gòu)建主要包括密集點(diǎn)云生成、Tin模型構(gòu)建和紋理自動(dòng)映射3個(gè)步驟，由軟件自動(dòng)完成。期間需人工確定分割的瓦片數(shù)，使當(dāng)前的計(jì)算機(jī)硬件性能被最大化利用。

最終生成的三維模型見(jiàn)圖2，該模型包含了排矸場(chǎng)一級(jí)壩、二級(jí)壩和兩級(jí)壩體間的平臺(tái)。無(wú)人機(jī)遙感建立的三維建模，可以縮放、旋轉(zhuǎn)，對(duì)于調(diào)查對(duì)象及其周邊情況的掌握有很大的幫助，可以形象的展示、較為量化的測(cè)算，為決策提供依據(jù)。

圖2 排矸場(chǎng)三維模型

正射影像模型和數(shù)字地表模型也可由無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)計(jì)算獲取，非本文內(nèi)容，不再討論。

3 三維模型在礦區(qū)土地調(diào)查中的應(yīng)用

建成的排矸場(chǎng)三維模型，不只是可以用來(lái)演示觀摩，在需要的時(shí)候可以在模型上對(duì)長(zhǎng)度、面積、體積進(jìn)行量測(cè)，一方面減少了外業(yè)工作量，另一方面也可以在調(diào)查方案不完備的情況下，隨時(shí)進(jìn)行“補(bǔ)測(cè)”。

1)長(zhǎng)度測(cè)量。

如圖3所示，在ContextCapture軟件中進(jìn)行指定兩點(diǎn)間的距離測(cè)量，獲取排矸場(chǎng)一級(jí)壩頂部長(zhǎng)度為115.79 m.

圖3 排矸場(chǎng)的一級(jí)壩上緣長(zhǎng)度測(cè)量圖

現(xiàn)場(chǎng)使用全站儀實(shí)測(cè)該兩點(diǎn)的距離為116.05 m，說(shuō)明無(wú)人機(jī)三維模型可達(dá)亞米級(jí)精度。需要注意的是，由于沒(méi)有像控點(diǎn)，模型只可用其相對(duì)位置(如長(zhǎng)度、面積、體積)，不可用模型上點(diǎn)的絕對(duì)位置(如坐標(biāo))。

2)面積測(cè)量。

一級(jí)壩和二級(jí)壩之間的平臺(tái)規(guī)劃為礦山公園，如需測(cè)量面積進(jìn)行設(shè)計(jì)、評(píng)估，可以在軟件中對(duì)平臺(tái)的邊緣進(jìn)行勾劃，如圖4所示，得到該平臺(tái)周長(zhǎng)為952.43 m、面積為5.11 hm2.

圖4 排矸場(chǎng)平臺(tái)面積測(cè)量圖

3)體積測(cè)量。

如圖5(取自模型上距現(xiàn)排矸場(chǎng)西南約300 m處溝谷)，如需要在礦山周邊再尋找矸石排放場(chǎng)地，可以在建好的模型上勾劃平面設(shè)計(jì)范圍，然后填寫設(shè)計(jì)標(biāo)高(本例為985 m)，即可通過(guò)計(jì)算得到挖(設(shè)計(jì)標(biāo)高低于山體表面高程時(shí)需開挖，共6.09萬(wàn)m3)、填(設(shè)計(jì)標(biāo)高高于山體表面高程時(shí)需充填，共13.25萬(wàn)m3)方量。對(duì)于矸石排放而言，無(wú)需開挖已有山體，計(jì)算得到的填方量13.25萬(wàn)m3即為設(shè)計(jì)堆放范圍中可以容納的最大矸石排放量。

圖5 排矸場(chǎng)周邊擴(kuò)容能力測(cè)量(挖、填方測(cè)量)圖

在實(shí)際操作中，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)的各級(jí)平臺(tái)的高程分塊計(jì)算該溝谷的容量，然后根據(jù)該礦每年矸石量，可進(jìn)一步計(jì)算該排矸場(chǎng)的設(shè)計(jì)服務(wù)年限。

4 結(jié) 論

土地資源調(diào)查中的外業(yè)調(diào)繪工作相對(duì)艱苦。在礦區(qū)土地利用調(diào)查中，利用消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)遙感構(gòu)建某礦排矸場(chǎng)的三維模型，對(duì)無(wú)人機(jī)遙感在土地調(diào)查中的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)分析。

1)土地資源調(diào)查中，外業(yè)調(diào)繪工作費(fèi)時(shí)、任務(wù)重，應(yīng)用無(wú)人機(jī)遙感可減輕這部分工作量，包括不可達(dá)、不易達(dá)位置的調(diào)查和地物尺寸的量測(cè)。

2)結(jié)合某礦排矸場(chǎng)調(diào)查的成果，構(gòu)建的無(wú)人機(jī)三維模型可進(jìn)行演示、量測(cè)，由內(nèi)業(yè)處理可獲取所需位置或區(qū)域的長(zhǎng)度、面積和體積等參數(shù)，簡(jiǎn)化外業(yè)工作。

3)相對(duì)于專業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)，消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)使用靈活、硬件和學(xué)習(xí)成本低，可滿足以調(diào)查為目的的精度要求。在免像控的條件下，獲取的長(zhǎng)度可達(dá)到亞米級(jí)精度(本文實(shí)例為26 cm).