無人機(jī)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(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，福建 漳州 363000）

中國(guó)是全世界最大的礦產(chǎn)資源開發(fā)利用國(guó)家之一，礦產(chǎn)資源的開采促進(jìn)了我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，但是也極大的破壞了原始生態(tài)環(huán)境。早期礦山的不規(guī)范開采行為嚴(yán)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(yán)重影響著人們的生命財(cái)產(chǎn)安全和正常的生活秩序。因此，有必要對(duì)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(jìn)行動(dòng)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)管手段主要為人工實(shí)地巡查和衛(wèi)星遙感影像解譯。人工實(shí)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(cái)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(jìn)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(zhǎng)，現(xiàn)勢(shì)性不夠[2]。為了適應(yīng)新形勢(shì)下礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)管的要求，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)開始被廣泛應(yīng)用。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)通過無人機(jī)平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，運(yùn)用多角度相機(jī)同步獲取地面物體各個(gè)角度高分辨率航攝影像，配合先進(jìn)的定位、三維模型處理系統(tǒng)等技術(shù)，自動(dòng)生成高精度數(shù)字正射影像、數(shù)字高程模型和實(shí)景三維模型。相比傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)，無人機(jī)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(cè)功能[3]。同時(shí)無人機(jī)具有輕巧靈動(dòng)的特性、作業(yè)高效迅速、可高頻監(jiān)測(cè)、成本低廉及數(shù)據(jù)成果精確等優(yōu)點(diǎn)[4]，已經(jīng)在礦山測(cè)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。為此，以漳州市2021 年度全市65 個(gè)持證露天礦山的動(dòng)態(tài)監(jiān)管工作為契機(jī)，開展無人機(jī)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(jī)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(dòng)態(tài)監(jiān)管中的應(yīng)用。

1 監(jiān)管工作情況

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(shí)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(jī)監(jiān)管測(cè)繪工作。漳州市65 個(gè)持證露天礦山分布于各個(gè)縣區(qū)，分布較為零散，且大多位于山區(qū)，交通困難。工作要求每個(gè)季度對(duì)65 個(gè)持證礦山進(jìn)行1 次全覆蓋無人機(jī)航攝，全年航飛4 次，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(bào)告，為礦山管理、生態(tài)修復(fù)、耕地保飛護(hù)、地災(zāi)治理等問題提供意見。監(jiān)管流程圖如圖1。

圖1 監(jiān)管流程圖

2 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

采用大疆PHANTON 4 RTK 作為飛行平臺(tái)，PHANTON 4 RTK 是一款具備高精度測(cè)繪功能的航測(cè)無人機(jī)，具備厘米級(jí)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(jī)，有效像素2 000 萬。

2.1 傾斜攝影

開展無人機(jī)傾斜攝影前，首先需收集各個(gè)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(jìn)行前期設(shè)備質(zhì)量檢驗(yàn)、相機(jī)校驗(yàn)等工作。由于搭載的相機(jī)是單鏡頭，實(shí)施傾斜攝影時(shí)采用將鏡臺(tái)傾斜一個(gè)角度并加大重疊度井字形飛行。首先平行飛行1 個(gè)來回獲取前后2 個(gè)方向目標(biāo)影像；再?gòu)拇怪狈较蝻w行1 個(gè)來回獲取左右2 個(gè)方向的目標(biāo)影像；最后再飛1 組正射影像，然后再飛1 組正射影像，來完成5 個(gè)不同方向采集地表目標(biāo)影像[8]。無人機(jī)傾斜攝影航線設(shè)計(jì)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(duì)航高80～100 m，相機(jī)傾斜角度30°（云臺(tái)角度－60°）；④飛行航線至少超出礦山范圍線一個(gè)相對(duì)航高值。

2.3 像控布設(shè)

為了提高航測(cè)精度，保證成果質(zhì)量，每個(gè)礦山在航飛前必須先布設(shè)像控點(diǎn)。像控點(diǎn)布設(shè)方案采用四周均勻布點(diǎn)加少量?jī)?nèi)部控制的方法為最優(yōu)布點(diǎn)方式進(jìn)行布設(shè)[9]。像控選點(diǎn)應(yīng)充分考慮現(xiàn)場(chǎng)地形地物情況，將控制點(diǎn)布設(shè)在清晰的明顯地物折角，交角良好的線狀地物交點(diǎn)，且像控點(diǎn)周邊地形高差不大地區(qū)，在無明顯地物標(biāo)志時(shí)，采用在硬化地刷油漆的方式進(jìn)行布置，標(biāo)志刷成“L”型。像控點(diǎn)測(cè)量時(shí)，應(yīng)對(duì)觀測(cè)處進(jìn)行近照和遠(yuǎn)照。近照要能夠反映測(cè)量桿落點(diǎn)位置，遠(yuǎn)照要能夠反映刺點(diǎn)與周邊地物的位置關(guān)系。像控點(diǎn)外業(yè)觀測(cè)完成后，及時(shí)做好記錄，將礦山、像控點(diǎn)編號(hào)、照片編號(hào)進(jìn)行一一關(guān)聯(lián)。

2.4 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(shí)景三維模型。

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(biāo)系。

2）數(shù)據(jù)空三加密?？杖用懿捎肕etashape 軟件，該軟件空三計(jì)算能力優(yōu)秀，影像畸變糾正能力較強(qiáng)[10]。將傾斜影像、POS 數(shù)據(jù)、像控點(diǎn)、相機(jī)參數(shù)等分別導(dǎo)入Metashape 進(jìn)行空三加密?？杖用芫唧w流程為：首先將傾斜影像進(jìn)行連接點(diǎn)自動(dòng)匹配，對(duì)獲取的特征點(diǎn)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(diǎn)，構(gòu)建自由網(wǎng)，導(dǎo)入控制點(diǎn)后進(jìn)行人工刺點(diǎn)，再進(jìn)行光束法區(qū)域網(wǎng)平差，檢查控制點(diǎn)精度，調(diào)整控制點(diǎn)后再平差至空三結(jié)果滿足精度要求。

3）生產(chǎn)DEM、DOM。空三加密滿足精度要求后，可以導(dǎo)入空三成果進(jìn)行DEM、DOM 的生產(chǎn)。

4）生產(chǎn)實(shí)景三維模型。ContextCapture 軟件在三維重建方面具體獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[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(xiàng)目，設(shè)置好三維模型的坐標(biāo)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

3 監(jiān)管工作成果數(shù)據(jù)

1）越界及超深開采。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(zhǔn)，在Arc GIS 軟件中將采礦權(quán)范圍線與礦山開采現(xiàn)狀DOM 影像進(jìn)行套合，判斷礦區(qū)是否存在越界開采行為，并初步計(jì)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(diǎn)高程，判斷礦區(qū)是否存在超深開采行為。某礦山越界開采情況如圖2。

圖2 某礦山越界開采情況

2）占用耕地情況。在Arc GIS 軟件中將采礦權(quán)范圍線與礦山開采現(xiàn)狀DOM 影像進(jìn)行套合，并且疊加第二次全國(guó)土地調(diào)查耕地圖斑數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以判斷礦區(qū)是否存在占用耕地行為。某礦山紅線外西北側(cè)工業(yè)廣場(chǎng)侵占耕地情況如圖3。

圖3 某礦山占用耕地情況

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(shí)監(jiān)測(cè)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(chǎng)是否按開采設(shè)計(jì)的要求自上而下分臺(tái)階或分層開采，臺(tái)階三要素是否符合相關(guān)設(shè)計(jì)要求，以確保礦山開采安全。通過礦山現(xiàn)狀三維模型，可以直觀的查看礦山開采總體情況，分析、量測(cè)礦山開采臺(tái)階情況，包括臺(tái)階高度、臺(tái)階安全平臺(tái)寬度等。根據(jù)數(shù)據(jù)高程模型DEM，利用Arc GIS 軟件的坡度分析工具自動(dòng)計(jì)算出礦區(qū)DEM 的坡度值，可監(jiān)測(cè)礦山臺(tái)階坡面角是否符合設(shè)計(jì)要求。

4）礦山地質(zhì)環(huán)境治理恢方案執(zhí)行情況。礦山在開采過程及終了后，會(huì)存在土地植被破壞，廢棄物排放、采場(chǎng)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(jìn)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，可以清楚直觀的監(jiān)管礦山“邊開采邊治理”執(zhí)行情況，核對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境治理恢復(fù)情況及治理效果。礦山監(jiān)管情況表見表1 。

表1 礦山監(jiān)管情況表

5）礦山監(jiān)管問題清單。對(duì)每一季度所有持證礦山的監(jiān)管結(jié)果進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)了解每個(gè)礦山可能存在的違法開采行為，掌握每個(gè)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。

4 監(jiān)管工作成效

經(jīng)過4 個(gè)季度對(duì)持證露天礦山的無人機(jī)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1 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(duì)越界區(qū)域進(jìn)行了整改恢復(fù)。某礦山紅線外西南側(cè)越界開采行為進(jìn)行整治效果圖如圖4。

圖4 礦山越界開采整治效果圖

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(jìn)行了土地復(fù)墾，并恢復(fù)了植被種植。某礦山紅線外東北側(cè)剝離土堆放侵占耕地行為進(jìn)行整治效果圖如圖5 。

圖5 礦山占用耕地整治效果圖

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(fèi)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_(tái)階或分層開采，并修建治理臺(tái)階，對(duì)臺(tái)階進(jìn)行削坡、開級(jí)、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(hù)欄等，從而保證礦山開采安全。

4）邊開采邊治理要求得到進(jìn)一步落實(shí)。大部分礦山都已對(duì)已開采完成區(qū)域進(jìn)行了地質(zhì)環(huán)境治理恢復(fù)，對(duì)已開采完成臺(tái)階平臺(tái)進(jìn)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。某礦山對(duì)已開采完成區(qū)域進(jìn)行臺(tái)階治理及復(fù)綠如圖6。

圖6 礦山邊開采邊治理（局部三維模型）

5 結(jié)語(yǔ)

無人機(jī)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(jī)傾斜攝影技術(shù)快速安全的獲取礦山現(xiàn)狀高分辨率正射影像圖和實(shí)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(jìn)礦山科學(xué)化、規(guī)范化開采，確實(shí)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(hù)、生態(tài)修復(fù)、地災(zāi)治理等問題提供數(shù)據(jù)支撐。