無人機測繪技術在礦區(qū)土地復墾中的應用研究

文／胡南達 云南省地質礦產(chǎn)勘查院 云南昆明 650000

引言：

隨著我國無人機技術的發(fā)展成熟，其應用領域不斷拓展。與傳統(tǒng)測繪技術相比，無人機測繪能夠更好地適應復雜地形條件下的測繪要求，且測繪精度較高，能夠為繪制大比例地形圖等提供高清晰度、高分辨率的測繪圖像資料，因此無人機測繪技術在礦區(qū)測繪以及地質勘測等工作中具有明顯的技術應用優(yōu)勢。土地復墾礦區(qū)地形地貌往往較為復雜，且不利于人工實地勘測的開展，而無人機以其高機動性、靈活性以及廣泛適應性能夠較好地滿足礦區(qū)土地復墾測繪工作的要求。測繪人員應加強對無人機測繪技術的研究，準確掌握測繪技術特點和操作方法，合理規(guī)劃無人機航線，科學布設控制點，并要對無人機測繪數(shù)據(jù)進行處理分析，以完成復墾區(qū)域內礦區(qū)地形圖的繪制，為礦區(qū)土地復墾奠定良好的基礎。

1、礦區(qū)土地復墾工作中無人機測繪技術應用概述

1.1 礦區(qū)土地復墾

所謂礦區(qū)土地復墾主要指的是對棄置的礦區(qū)土地進行回填平整以及科學的開發(fā)利用。礦區(qū)在開采作業(yè)的過程中，采礦場、尾礦場以及廢石場等區(qū)域的土地環(huán)境都會受到嚴重的破壞，地表沉陷不均勻，往往會出現(xiàn)塌方事故并引發(fā)地質災害，對礦區(qū)以及周邊區(qū)域環(huán)境都產(chǎn)生了較大的污染，這是制約礦山行業(yè)可持續(xù)性發(fā)展的重要因素。隨著近年來我國綠色環(huán)保發(fā)展指導方針的提出，對礦區(qū)土地進行修復治理并實現(xiàn)復墾已經(jīng)成為了礦山發(fā)展的主要方向之一。礦區(qū)的土地復墾工作涉及了多個學科領域，在土地狀況評價、土地重整以及復墾規(guī)劃等方面都對測繪技術水平以及測繪數(shù)據(jù)的精度和時效性等都提出了較高的要求，傳統(tǒng)的測繪技術已經(jīng)難以滿足礦區(qū)土地復墾工程實施的實際需要，因此測繪部門應將目前在其他領域中應用已經(jīng)較為廣泛的無人機測繪技術引入到礦區(qū)土地復墾工作中來，以全面提高土地復墾礦區(qū)測繪的質量和效率。

1.2 無人機測繪技術優(yōu)勢

（1）數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)臅r效性

與衛(wèi)星遙感等測繪技術相比，在礦區(qū)土地復墾工作中應用無人機測繪技術能夠有效提高數(shù)據(jù)存檔的時效性，并能夠及時將拍攝采集的影像數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理中心。同時，無人機測繪技術的應用成本也相對較低，其經(jīng)濟性優(yōu)勢十分明顯。

（2）機動靈活性

在礦區(qū)土地復墾工作中應用無人機測繪技術能夠減少氣候條件對外業(yè)施測的影響，同時由于無人機主要在低空開展飛行作業(yè)活動，因此其申請空域更加容易。且無人機起降對場地條件的要求相對較低，在一般平整路面上即可完成起降，無人作業(yè)方式也極大地提高了外業(yè)測繪工作的安全性和適應性。此外，無人機一般僅需要15min左右的升空準確時間，不僅操作容易，而且具較高的快速反應能力，能夠較好地滿足礦區(qū)土地復墾工作的要求。

（3）數(shù)據(jù)處理能力

在礦區(qū)土地復墾工作中應用無人機測繪技術時，可以根據(jù)測繪任務需要在無人機平臺上搭載相應的數(shù)碼航攝測量設備以及各種傳感裝置，且無人機能夠按照預設航向、飛行高度等技術參數(shù)自動完成對地表數(shù)據(jù)的采集，且其所采集影像資料的精度以及分辨率均較高。同時，在完成測繪數(shù)據(jù)的采集后，無人機測繪系統(tǒng)能夠自動完成數(shù)據(jù)的存儲、傳輸，并利用專業(yè)軟件自動完成數(shù)據(jù)的處理分析、正射影像和三維模型的構建以及地形圖的繪制等工作，極大地提高了測繪的精度和效率。

（4）廣泛適應性

很多礦區(qū)土地復墾項目區(qū)域內的地形地貌條件較為復雜，采用傳統(tǒng)測繪技術施測的難度較大，且外業(yè)作業(yè)還比較容易受到氣候變化以及云層遮蔽等因素的影響，在部分地區(qū)也難以采用航空測量等技術方法。而無人機測繪技術由于能夠在低空空域開展拍攝測量工作，且其影像數(shù)據(jù)采集的全面性和精度均有明顯的提高，可以更好地適應多種復雜工況條件下的礦區(qū)土地復墾測繪要求，因此在礦區(qū)土地復墾工作實踐中得到了越來越廣泛的應用。

2、無人機測繪技術在礦區(qū)土地復墾中的應用途徑分析

目前在礦區(qū)土地復墾工作中主要利用無人機測繪技術為制定精細化的土地復墾方案提供高精度的測繪數(shù)據(jù)。同時，在礦區(qū)土地復墾工作中還可以利用無人機測繪數(shù)據(jù)處理后所獲取的點云數(shù)據(jù)為基礎進行地形三維模型的構建，并以其為基礎準確計算土地復墾中的復墾面積以及土石方量等。此外，根據(jù)無人機測繪的點云數(shù)據(jù)來可以進行地形區(qū)的繪制，從而為礦區(qū)土地復墾工作提供可靠的參考依據(jù)。測繪人員應結合無人機測繪技術在礦區(qū)土地復墾工作中的實踐應用經(jīng)驗，積極探索技術應用途徑，進一步拓展無人機測繪技術的應用范圍。

2.1 礦區(qū)土地狀況測繪中的應用

礦區(qū)土地復墾工作中，由于所涉區(qū)域范圍往往較大，且地形地貌較為復雜，傳統(tǒng)測繪技術在測繪效率、數(shù)據(jù)采集的全面性以及數(shù)據(jù)精度等方面難以滿足礦區(qū)土地復墾工作的實際需要。而應用無人機測繪技術則可以快速高效地完成對目標區(qū)域的數(shù)據(jù)采集工作，且可以根據(jù)礦區(qū)土地復墾的測繪要求搭載高分辨率、高清晰度的拍攝測量設備，并從不同角度對測區(qū)進行全方位的測量拍攝。無人機測繪技術能夠獲得顏色飽和度高、色彩更為真實準確的高清影像資料，且航測影像具有豐富的圖層結構以及適度的圖像反差，能夠為了解目標區(qū)域內的真實土地狀況、制定科學的礦區(qū)土地復墾方案提供可靠的參考依據(jù)。

2.2 在地表塌陷礦區(qū)測繪中的應用

礦區(qū)土地復墾工作的主要對象是礦區(qū)內無積水存在的地表塌陷區(qū)。在地表塌陷區(qū)內傳統(tǒng)測繪技術的應用受到了較大的限制，而無人機測繪技術則能夠通過航測方式清晰準確的呈現(xiàn)目標區(qū)域內地貌特征，為礦區(qū)土地復墾工作人員對土地是否具備可復墾條件的判斷提供了重要的影像資料依據(jù)。同時，在礦區(qū)土地復墾工作中還可以將無人機測繪圖像作為土地類型判斷以及土地復墾面積計算的工作底圖，為準確掌握礦區(qū)內地表塌陷區(qū)域的地形地貌提供了技術支持。

2.3 在復墾礦區(qū)地塊圖測繪中的應用

在礦區(qū)土地復墾工作中還可以將無人機測繪技術應用在地塊圖的繪制等方面。在工作實踐中應首先通過經(jīng)營權權屬調查等方式了解承包權利人信息以及承包地塊相關參數(shù)信息，然后結合無人機測繪所得的正射影像資料對地塊面積、邊長等進行測量，同時應采取圖斑分割方式處理無人機航測影像中的溝渠、田間道路和田埂等，為繪制地塊圖提供可靠的參考依據(jù)。應用無人機測繪技術進行礦區(qū)土地復墾的地塊圖繪制，能夠有效提高地塊圖的繪制效率和精度，使地塊圖能夠更為客觀準確地反映實際情況，為制定礦區(qū)土地復墾計劃以及采取相應的修復措施奠定了基礎。

3、無人機測繪技術在礦區(qū)土地復墾中的應用目標分析

在礦區(qū)土地復墾過程中，應用無人機技術開展測繪工作的主要目標是進行土地復墾項目精細測量方案的制定，以密集匹配處理后的點云數(shù)據(jù)為基礎構建具有較高精度的測區(qū)三維地形模型，以便于精確計算復墾面積以及土石方量等數(shù)據(jù)。同時，還需要應用無人機測繪技術所獲取的三維點云數(shù)據(jù)制作三維可視化圖件以及精細地形圖，從而為礦區(qū)土地復墾方案的制定以及生態(tài)恢復措施的選擇提供可靠的數(shù)據(jù)基礎。

4、無人機測繪技術在礦區(qū)土地復墾中的應用技術路線分析

在礦區(qū)土地復墾工作中應用無人機測繪技術時，應首先利用無人機傾斜攝影測量技術采集目標區(qū)域和控制點的相關數(shù)據(jù)信息，以獲取相關高精度影像資料和野外控制點坐標數(shù)據(jù)，為無人機測繪技術的應用做好各項準備工作。當無人機完成對目標區(qū)域影像資料的采集后，測繪人員應通過預處理程序將冗余數(shù)據(jù)剔除，以簡化后續(xù)的數(shù)據(jù)處理分析。之后，應通過Smart 3D等專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件的應用，利用密集匹配算法等對外業(yè)影像數(shù)據(jù)進行處理，以生產(chǎn)制作測區(qū)的正射影像圖和實景三維模型。同時應綜合應用CASS以及EPS等軟件對三維模型產(chǎn)品進行計算分析，以準確掌握測區(qū)面積以及邊界等各項基礎數(shù)據(jù)，為礦區(qū)土地現(xiàn)狀的判斷、礦區(qū)土地復墾措施的選擇以及礦區(qū)土地復墾方案的制定提供可靠的參考依據(jù)。其技術應用流程主要包括：航攝準備—實地踏勘、布設控制點、規(guī)劃航線—攝影測量—預處理數(shù)據(jù)—提取特征點、內業(yè)刺點、空三測量、密集匹配、精細3D模型構建—繪制地形圖、計算土方面積、規(guī)劃設計—整理數(shù)據(jù)信息，確定礦區(qū)土地復墾方案。

5、無人機測繪技術在礦區(qū)土地復墾中的應用實踐分析

5.1 某礦區(qū)土地復墾項目概況

某礦區(qū)土地復墾項目地處平原丘陵區(qū)域，其海拔高度在15m-40m范圍內。經(jīng)前期勘察，在該礦區(qū)內地表嚴重裸露，僅存稀疏植被。同時礦區(qū)內土質主要呈潮土特征，且土壤厚度不等，一般在0-2.5m左右。為準確掌握該礦區(qū)土地復墾項目區(qū)域內的土地狀況，提高測繪工作的質量和效率，決定采用無人機測繪技術開展礦區(qū)測繪工作。

5.2 礦區(qū)土地復墾項目中無人機測繪準備階段技術要點

在應用無人機技術對土地復墾礦區(qū)進行測繪前，測繪人員應做好如下準備工作：

（1）對目標區(qū)域的各種數(shù)據(jù)資料進行全面的收集，充分了解測區(qū)的地名資料、高程基準、當?shù)刈鴺讼到y(tǒng)、已知控制點成果以及相關地形圖資料等數(shù)據(jù)信息，準確掌握目標區(qū)域的四角84坐標數(shù)據(jù)。

（2）測繪人員應提前對目標區(qū)域進行現(xiàn)場勘察，以了解測區(qū)飛行空域情況以及當?shù)氐目罩泄苤埔螅侠磉x擇無人機的起降場地。

在獲得上述數(shù)據(jù)信息后，測繪人員應科學制定無人機飛行計劃，確定無人機的具體飛行架次、飛行高度以及飛行航線等技術參數(shù)。一般要求無人機航線彎曲度不應超過3%，航偏距應控制在5m以內，飛行高度則應根據(jù)地形圖繪制比例尺要求來確定。測繪人員應根據(jù)測繪任務選擇搭載相應的載荷，例如在無人機平臺上搭載監(jiān)控傳感裝置、數(shù)字影像拍攝設備以及視頻設備等，為無人機測繪工作的開展做好各項準備工作。

在該礦區(qū)土地復墾項目中，經(jīng)過測繪人員的現(xiàn)場勘察，并結合相關的資料分析，選擇了精靈4RTK型號的無人機作為本次測繪工作的飛行平臺，搭載了相應焦距和拍攝分辨率的數(shù)碼相機等拍攝設備。同時，測繪人員將傾斜角設定為45o，且影像重疊度應達到60%，以確保能夠準確描述地表起伏情況。此外，在規(guī)劃本次無人機測繪航線時，根據(jù)實地踏勘結果發(fā)現(xiàn)在目標區(qū)域內有大面積水域存在，且水域數(shù)量為2塊，因此在設置無人機飛行參數(shù)時，應按照水域來確定測區(qū)類型。

5.3 礦區(qū)土地復墾項目中無人機測繪技布設像控點技術要點

在布設像控點時，測繪人員應根據(jù)目標區(qū)域的具體面積或者無人機每一航次的測繪范圍來合理確定像控點密度，并選擇特征較為明顯的地點布設像控點。如土地復墾礦區(qū)地形圖的繪制對測量數(shù)據(jù)的精度有較高要求時，可以適當增加像控點的布設數(shù)量。

通過實地踏勘可知，在本次礦區(qū)土地復墾工作中，目標區(qū)域內包括水域、水泥路、旱地和農(nóng)地等類型，因此在布設像控點時可以利用鐵釘以及油漆等來標識像控點。測繪人員應選擇不易被遮擋、具有標志性且具有長期穩(wěn)定性的地物來設置像控點。像控點應確保能夠對目標區(qū)域全面覆蓋，且應分布均勻合理。該礦區(qū)土地復墾項目區(qū)域內有已知控制點3個，像控點的布設數(shù)量則為28個。在該礦區(qū)土地復墾項目區(qū)域內由于無CORS存在，因此可以通過主控站與流動站配合的法國式對象控點進行測量。在施測時應將主控站設置與測區(qū)中心位置，以便整個測區(qū)均能夠接收到差分信號。在完成主控站的架設后，測繪人員應進行各項參數(shù)的舌子，并連接流動站，這樣就可以對已確定的像控點施測了。當像控點坐標測定后，應根據(jù)測區(qū)內3個已知控制點坐標對其進行點校正處理，以利用其作為內業(yè)處理的繪圖刺點。

5.4 礦區(qū)土地復墾項目中無人機測繪數(shù)據(jù)采集技術要點

在完成像控點的布設和測量工作后，測繪人員應按照飛機計劃安排執(zhí)行無人機航測測量任務。在執(zhí)行無人機測繪任務時，測繪應選擇天氣較好的時段開展飛行測繪工作。測繪人員在啟動無人機以及遙控系統(tǒng)后，應首先連接網(wǎng)絡并將網(wǎng)絡RTK打開，以實現(xiàn)無人機的實時定位測量。同時利用遙控器選擇測區(qū)以及拍攝方式，并要確保各項預設參數(shù)準確無誤。在無人機測繪過程中，其平臺上搭載的各種傳感裝置能夠從各個角度完成地形數(shù)據(jù)的采集工作，極大地提高了數(shù)據(jù)采集的全面性和準確性。同時，無人機測繪所需的工作人員數(shù)量也相對較少，客觀上降低了測繪成本。

5.5 礦區(qū)土地復墾項目中無人機測繪內業(yè)處理技術要點

在應用無人機測繪技術對土地復墾礦區(qū)進行測量時，測繪人員還需要對無人機測繪數(shù)據(jù)進行內業(yè)處理，通過空三加密以及點云數(shù)據(jù)的處理分析完成測區(qū)實景三維模型的構建。測繪人員可以利用專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件自動完成無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)信息的導入以及解算，并通過聯(lián)合平差技術對多視影像數(shù)據(jù)進行區(qū)域網(wǎng)平差處理，同時結合密集匹配技術對多視影像進行點云數(shù)據(jù)提取，以獲得具有較高密度以及精度的點云數(shù)據(jù)基礎。同時，無人機內業(yè)處理系統(tǒng)的專業(yè)軟件還能夠以聯(lián)機運算方式對數(shù)據(jù)進行處理分析，進一步提高數(shù)據(jù)處理的效率。

（1）建立正射影像圖以及礦區(qū)土地復墾區(qū)域三維模型

在該礦區(qū)土地復墾項目中主要通過Smart 3D專業(yè)軟件來完成正射影像制作和建模工作。工作人員在將Smart 3D軟件打開后應首先進行工程名稱的新建，然后在prj文件下設置工程目錄。之后進入軟件操作界面，并在指定文件夾內導入無人機航測影像資料，以便后續(xù)操作。工作人員通過點擊視頻導入選項將無人機航測的所有影像資料選定并導入。在完成影像導入操作后，系統(tǒng)會自動提示是否有不可用影像存在。當提示有不可用影像時，應將其刪除。在完成上述操作后，工作人員可在操作界面內選擇所有焦距和感應尺寸，并通過右鍵操作將光學屬性導入，寫入相關相機參數(shù)。之后工作人員就可以以無人機所采集的航攝影像為基礎進行刺點以及空三計算了。當上述處理完成后，內業(yè)處理人員應將EPS軟件打開并建立工程項目，然后將該工程項目的EDB文件打開，點擊下一界面內三維測圖文件，并將本地傾斜模型加載，自后應打開Production1文件下的Data.dsm，即可獲得三維模型文件。而如果在三維測圖文件下將超大影像加載，再打開Production2文件下的所有文件，就可以完成金字塔文件的構建并獲得正射影像。

（2）繪制土地復墾礦區(qū)地形圖

在該礦區(qū)土地復墾項目中，地形圖繪制主要通過CASS和EPS等專業(yè)軟件來完成。內業(yè)處理人員應首先在EPS軟件的操作界面上將制作完成正射影像和三維模型打開，并以二者為依據(jù)進行地形圖的繪制。而CASS軟件則能夠自動完善缺少的部分，提高地形圖繪制的效率和精度。

5.6 基于無人機測繪數(shù)據(jù)確定礦區(qū)土地復墾方案

在通過無人機測繪技術的應用完成了對土地復墾礦區(qū)的測量拍攝后，應以測繪所得的正射影像、三維模型以及礦區(qū)地形圖等為基礎來制定礦區(qū)土地復墾方案。同時，在制定礦區(qū)土地復墾方案時要加強對無人機所采集測繪數(shù)據(jù)的處理分析，并利用CASS等專業(yè)軟件對礦區(qū)土地復墾的不同方案進行工程量計算，根據(jù)平場面積、最大及最小高程數(shù)據(jù)、平場設計標高等參數(shù)準確測算挖填方量，對不同方案進行綜合性的對比分析，不斷優(yōu)化礦區(qū)土地復墾方案，使復墾方案具有較高的合理性、可行性、經(jīng)濟性以及可持續(xù)性。

通過應用無人機測繪技術掌握了該土地復墾礦區(qū)內的實際土地狀況，同時根據(jù)對目標區(qū)域的測繪數(shù)據(jù)、實景三維模型以及地形圖的分析，結合當?shù)氐纳鐣?jīng)濟條件等因素，決定因地制宜的采用桑基魚塘模式來對該礦區(qū)土地復墾項目進行修復治理，以達到建立可循環(huán)可持續(xù)的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式的目的。

結語：

礦區(qū)土地復墾是一項涉及多個專業(yè)領域的系統(tǒng)性工程，土地復墾措施的選擇以及土地復墾方案的最終確定都是建立在全面、準確地測繪數(shù)據(jù)基礎上的。與傳統(tǒng)的測繪技術相比，以無人機為平臺搭載相關測繪儀器設備的新型測繪技術由于具有使用靈活、技術適應性強等特點，因此能夠更好地滿足礦區(qū)土地復墾工作中的測繪要求。測繪人員應針對礦區(qū)土地復墾區(qū)域的地形地貌特點，合理制定無人機測繪方案，提高無人機測繪的效率和安全性，并確保無人機測繪數(shù)據(jù)的精度能夠達到相關技術標準要求，為礦區(qū)土地復墾工作的順利開展奠定良好的基礎。