無(wú)人機(jī)在露天礦開(kāi)采監(jiān)管中的應(yīng)用研究?

張 航,盧小平,郝 波,王如意

(河南理工大學(xué) 礦山空間信息技術(shù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河南 焦作市 454003)

0 引 言

露天礦山資源的非法開(kāi)采不僅浪費(fèi)了自然資源,而且對(duì)自然環(huán)境造成了破壞,導(dǎo)致土地荒漠化、水土流失,甚至誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。近年來(lái),國(guó)土、環(huán)保等部門加大了對(duì)露天礦山資源開(kāi)采的監(jiān)管力度[1-3]。但由于許多露天礦山所處位置較為偏僻且地形復(fù)雜,監(jiān)管難度較大,監(jiān)管效率低,因此迫切需要探尋更為有效的監(jiān)管方式,實(shí)現(xiàn)礦山開(kāi)發(fā)秩序的良性發(fā)展。

傳統(tǒng)的監(jiān)管方式需要執(zhí)法人員到達(dá)執(zhí)法現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拍照取證,不僅耗費(fèi)人力物力,還有可能引起執(zhí)法沖突。并且由于交通等其他因素,部分違法開(kāi)采區(qū)域執(zhí)法人員很難到達(dá)。而無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展為上述難題提供了新的解決思路,無(wú)人機(jī)低空遙感具有操作簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)靈活、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn),而且空間分辨率高,可以進(jìn)行多角度拍攝,尤其適應(yīng)于地形復(fù)雜露天礦山的監(jiān)管監(jiān)控。同時(shí),對(duì)于某些需要進(jìn)行快速精確監(jiān)測(cè)的特定區(qū)域,無(wú)人機(jī)能夠及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[4]。

近年來(lái),無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)快速發(fā)展,已經(jīng)在基礎(chǔ)測(cè)繪、礦山監(jiān)管、工程測(cè)量、地籍測(cè)繪等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5]。利用無(wú)人機(jī)低空遙感得到的影像數(shù)據(jù),不僅可以獲取監(jiān)管區(qū)域的數(shù)字正射影像圖(DOM),還可以制作三維景觀模型,從而為礦山非法開(kāi)采執(zhí)法取證提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

1 研究方法

1．1 無(wú)人機(jī)平臺(tái)

無(wú)人機(jī)(unmanned aerial vehicle,UAV)是自帶飛行控制系統(tǒng)和導(dǎo)航定位系統(tǒng)的無(wú)人駕駛飛行器,廣義上為不需要駕駛員登機(jī)駕駛的、通過(guò)無(wú)線遙控或規(guī)劃航線飛行的各式飛行器[6]。

在縣級(jí)監(jiān)管部門中,由于采用專業(yè)航測(cè)無(wú)人機(jī)會(huì)受到人員和經(jīng)費(fèi)的限制,對(duì)礦區(qū)進(jìn)行高頻率的飛行監(jiān)測(cè)不太現(xiàn)實(shí)。所以本文采用的無(wú)人機(jī)為大疆PHANTOM 4 PRO,此無(wú)人機(jī)為消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī),且操作簡(jiǎn)單,無(wú)需專業(yè)人員進(jìn)行操控,其相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 無(wú)人機(jī)相機(jī)參數(shù)

1．2 技術(shù)路線

為了實(shí)現(xiàn)礦區(qū)監(jiān)測(cè)的任務(wù),整個(gè)過(guò)程需要解決以下3個(gè)方面的問(wèn)題:

(1)航拍視頻的預(yù)處理:對(duì)無(wú)人機(jī)航拍得到的視頻影像進(jìn)行關(guān)鍵幀的提取,為建立地面三維景觀模型和DOM的生成提供數(shù)據(jù)源,并剔除因航飛時(shí)飛行平臺(tái)抖動(dòng)而產(chǎn)生的過(guò)于模糊的關(guān)鍵幀影像,提高三維建模和DOM的精度和質(zhì)量。

(2)影像匹配與三維建模:需要對(duì)提取出的關(guān)鍵幀影像進(jìn)行特征點(diǎn)的提取,并基于提取的特征點(diǎn)進(jìn)行影像的匹配,進(jìn)而完成三維建模的過(guò)程。

(3)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析:將無(wú)人機(jī)航拍影像處理后得到的DOM與Google Earth遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)對(duì)比分析得到變化區(qū)域,從而為判定礦區(qū)是否存在違法開(kāi)采行為提供依據(jù)。

具體實(shí)施的技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 技術(shù)流程

2 實(shí)驗(yàn)與分析

2．1 測(cè)區(qū)概況

本次監(jiān)測(cè)于2017年11月16日在鄂爾多斯某礦區(qū)進(jìn)行。測(cè)區(qū)南北長(zhǎng)約0．35 km,東西寬約0．34 km,測(cè)區(qū)面積約0．12 km2。測(cè)區(qū)內(nèi)有簡(jiǎn)易工棚、道路、車輛、煤場(chǎng)、樹(shù)木等建(構(gòu))筑物和其它人工設(shè)施。當(dāng)天天氣晴朗,風(fēng)力小于4級(jí)。飛行區(qū)域地勢(shì)起伏較大,側(cè)風(fēng)飛行。

2．2 外業(yè)航飛技術(shù)流程

在Google Earth中查找所要監(jiān)測(cè)的區(qū)域,如圖2所示,對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的概貌有大致的了解,并通過(guò)框選區(qū)域的方法得出測(cè)區(qū)最低海拔和最高海拔近似分別為1256 m和1352 m,從而得出該地區(qū)高差大致為96 m,為航高設(shè)置提供了參考依據(jù)。

無(wú)人機(jī)飛到指定的高度后,采用Z字形對(duì)所飛的區(qū)域進(jìn)行視頻采集,如圖3所示。時(shí)實(shí)圖傳的視頻既可以及時(shí)了解礦區(qū)的作業(yè)情況,也可以避免因手動(dòng)拍照而發(fā)生的漏幀情況,為后期地表三維景觀建模和DOM的生成提供可靠的數(shù)據(jù)源。

圖2 航拍區(qū)域衛(wèi)星影像

圖3 航拍路線

2．3 內(nèi)業(yè)處理技術(shù)流程

本次監(jiān)測(cè)得到的原始數(shù)據(jù)為視頻數(shù)據(jù),而建立地表三維景觀模型和DOM所需要的數(shù)據(jù)為帶有一定重疊度的影像數(shù)據(jù),由于視頻是由按照時(shí)間順序排列的一幀幀影像構(gòu)成,根據(jù)本次無(wú)人機(jī)飛行的特點(diǎn),采用基于采樣的關(guān)鍵幀提取算法(SKF),該算法等時(shí)間差從視頻中抽取關(guān)鍵幀,按3 s每幀的間隔抽取關(guān)鍵幀,一共抽取173張影像,抽取的部分關(guān)鍵幀影像如圖4所示。

傳統(tǒng)的空間位置坐標(biāo)測(cè)量是利用空間后方交匯,但這種方法需要知道相機(jī)的方位和控制點(diǎn)的坐標(biāo)。而SFM算法,即運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)算法,是指從多幅不同角度的圖像序列中匹配點(diǎn),并根據(jù)匹配點(diǎn)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的三維點(diǎn)位置和圖像相機(jī)參數(shù),利用非線性最小二乘法進(jìn)行不斷優(yōu)化的過(guò)程,SFM與傳統(tǒng)攝影測(cè)量的區(qū)別是,其不需要上述已知條件,對(duì)影像姿態(tài)要求低,并且匹配效果好,在圖像三維重建領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[7-9]。

本次實(shí)驗(yàn)采用的建模軟件為Agisoft Photoscan Profession,此軟件為一款基于影像數(shù)據(jù)生成三維模型的專業(yè)軟件,此軟件通過(guò)影像匹配技術(shù)來(lái)尋找不同影像間的公共點(diǎn),自動(dòng)解算與匹配公共點(diǎn)在影像中空間坐標(biāo)位置,利用內(nèi)置的SFM算法來(lái)進(jìn)行三維場(chǎng)景重建。地表三維模型建模在Agisoft Photoscan Profession中的操作步驟如下:

圖4 抽取的部分關(guān)鍵幀影像

(1)把提取出的關(guān)鍵幀圖片導(dǎo)入Agisoft Photoscan Profession,并對(duì)照片質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià),如圖5所示,在保證重疊度的條件下,將質(zhì)量小于0．8的照片刪除掉。

圖5 照片質(zhì)量評(píng)價(jià)

(2)進(jìn)行影像的匹配,在本過(guò)程中,Agisoft Photoscan Profession將基于SFM算法完成影像數(shù)據(jù)的三維解算,并生成相應(yīng)的連接點(diǎn),如圖6所示。

圖6 連接點(diǎn)示意

(3)進(jìn)行生成網(wǎng)格處理,處理完成后,生成測(cè)區(qū)光滑曲面,如圖7所示。

(4)生成紋理操作,如果只進(jìn)行生成網(wǎng)格處理,所生成的地表模型會(huì)比較模糊。進(jìn)行生成紋理操作后,整個(gè)地表模型會(huì)表現(xiàn)出清晰的紋理信息,如圖8所示。

圖7 光滑曲面圖

圖8 生成的紋理信息

(5)生成瓦片模型,對(duì)生成的模型進(jìn)分區(qū)和按金字塔等級(jí)存儲(chǔ),完成三維建模的整個(gè)過(guò)程,并導(dǎo)出正射影像,如圖9所示。

圖9 礦區(qū)正射影像

2．4 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

Google Earth是谷歌公司開(kāi)發(fā)的一款虛擬地球軟件,是現(xiàn)行階段數(shù)據(jù)最為完善的網(wǎng)絡(luò)遙感數(shù)據(jù)集,可以瀏覽歷史衛(wèi)星影像[10]。將從Google Earth上下載的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖2)與無(wú)人機(jī)飛行處理獲取的正射影像(見(jiàn)圖9)進(jìn)行對(duì)比,可知整個(gè)礦區(qū)的變化還是比較明顯的,監(jiān)測(cè)區(qū)域西北部原來(lái)是沒(méi)有工棚的,而現(xiàn)在工棚數(shù)量明顯增多,如圖10所示。南部工棚區(qū)域周邊聚集大量的作業(yè)車輛,如圖11所示,疑似礦區(qū)開(kāi)采仍有活動(dòng)跡象。

圖10 變化區(qū)域

圖11 疑似作業(yè)車輛

3 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展為監(jiān)管露天礦山資源的非法開(kāi)采提供了極大便利,通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理獲取露天礦山監(jiān)管所需的高分辨率的DOM數(shù)據(jù)和地表三維景觀模型數(shù)據(jù),能夠直觀地看到整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的范圍、地形概況,通過(guò)對(duì)比無(wú)人機(jī)拍攝的高分辨率的正射影像和Google Earth衛(wèi)星影像,輔以礦區(qū)地表三維景觀模型成果,執(zhí)法者能夠直觀清楚地觀察露天煤礦的開(kāi)采情況,方便管理者制定相應(yīng)的措施以減少違法開(kāi)采行為。