無人機測繪技術在礦區土地復墾中的應用研究

宋志鵬，李春梅，趙長勝，金 威，王 奇，李賦吟，耿譽峰

（江蘇師范大學科文學院，江蘇 徐州 221116）

礦產資源是我國促進經濟發展過程中最重要的物質基礎，尤其是改革開放以來，黨和政府十分重視礦產開發工業的發展，發展了大批的新興礦井。但是大量礦山開采，引起了地表塌陷，損害了土地結構，在一定程度上毀壞了地表的許多耕地以及基礎設施，同時也給礦區生態環境造成了嚴重的破壞。在追求人與自然和諧發展的今天，礦區的土地復墾和生態恢復也成為一個亟待解決的問題。

礦區土地復墾和生態恢復是涉及土地、礦業、測繪、水利、農業等多學科的綜合性工作,是一項系統工程。針對于此，習近平總書記曾在十九大報告中明確指出:“人類只有尊重自然規律才能有效的防止在開發利用自然上走向彎路，還自然寧靜、和諧、美麗。”提倡金山銀山不如綠水青山。提高礦區土地利用率和重建礦區生態迫在眉睫，盡快恢復礦區土地的作用以及加強對其生態的保護以及重建，為推動礦區的經濟發展，也為我國的可持續發展提供支撐。

無人機測繪技術在當前得到了廣泛的應用，其涉及到了城市規劃、地質勘測、資源調查與監測多個領域[1]。無人機航測技術是無人機和數碼相機不斷發展最終結合得到的產物，是傳統航空攝影測量的衍生，能快速的采取地形等數據。在測繪方面，由于對地形精度的要求越來越高，較之部分區域地形較為測量，傳統測量方法測量存在較大困難，無人機航測技術的優勢也逐漸體現出來。王湘文等[2]通過無人機測繪技術進行大比例尺地形圖繪制，并證實了其可行性；姜尚潔等[3]利用無人機，實時獲取道路車輛多源影像，從而測算車輛速度，為道路監控管理部門提供一種高效率、機動靈活的監測模式。無人機測繪技術在信息收集、信息處理以及影像資料獲取等工作中,有著重要作用[4]。隨著我國進入到生態文明建設時期,學者們對礦山土地復墾的研究不再僅限于復墾適宜性評價和效益評價,而是更關注礦區土地的生態恢復治理問題[5-7]。

本文結合安徽省淮北市劉橋二礦實際問題，通過實地踏勘、方案設計，應用無人機進行了野外數據采集，并進行了圖像和數據處理，在此基礎上，對礦區塌陷地進行了土地復墾以及生態恢復問題研究。

1 基于無人機測繪的礦區土地復墾與生態恢復研究

1.1 研究目標

①無人機測繪技術應用于土地復墾精細測量方案；②通過密集匹配獲得的點云數據，建立精確的地形三維模型，實現土石方，面積等的精細計算，為土地復墾和生態恢復提供依據；③利用三維點云數據繪制測區的精細地形圖和三維可視化圖件，為土地復墾和生態恢復提供詳細，準確的測量數據資料。

1.2 研究方案

根據項目研究的內容和研究方法，制定技術路線圖。技術路線主要包括如下內容：①對目標物體進行傾斜攝影及控制點量測，獲得影像圖及高精度野外控制點，為后續工作提供好的數據資料;②對采集的數據進行預處理，去除不需要的冗余數據，為后續工作提供精簡的數據資料;③對外業獲得的航空影像及控制點數據利用Smart 3D數據處理軟件及密集匹配算法進行精細三維建模及正攝影像圖的制作，并結合EPS三維測圖、CASS等軟件進行模型分析，獲得邊界線，面積，體積等基本資料，為土地復墾提供初始數據資料;④通過上述資料進行土地復墾研究，分析土地可利用狀況，提出有效的土地復墾與生態恢復方案。具體流程如圖。

圖1 工作流程

2 數據采集

2.1 測區概況

劉橋二礦位于東經116°32′-116°44′，北緯33°44′-33°52′之間，坐落于安徽省淮北市濉溪縣境內，距縣城20公里，東距宿州市、西距河南省永城市各34公里,地處蘇、魯、豫、皖4省交界處，屬于平原丘陵地區，海拔在15m～40m之間[8]。平川廣野是淮北市地貌的主要特征，隸屬暖溫帶半濕潤季風氣候區，總的氣候特點是四季分明，礦區土質主要以潮土為主，土質疏松且濕度較大。土壤的透氣性較差，土壤厚度在0m～2.5m之間，表層0.25m為腐殖層，有機物含量較高，土質較松散。其下0.25m土壤層為塊狀結構，砂石較少，植被較為稀疏，地表裸露嚴重。

2.2 像控點布設與量測

為了提高測量區域精度的有效性，在前期踏勘工作完成時，針對于礦區主要區域為旱地、農地、水域以及水泥路，準備了油漆、鐵釘等其他物品，對測區進行了像控點布設，主要原則在測區內均勻覆蓋，覆蓋整個測區，選擇標志性物體以及避開較容易遮擋的地方，能夠長期保存。在遵循這些原則下，在測區內布設了28個控制點，以及三個已知控制點。

由于所測區域沒有CORS，在進行像控點測量時，采用“1+1模式”1個主控站加上1個流動站，在所測區域中心位置架設主控站，確保發射的差分信號能夠輻射整個測區，架設好主控站后，設置相關參數，將流動站連接上主控站。之后即可到布設好的像控點處進行測量，將測量完成后的像控點坐標，根據三個已知點的坐標進行點校正，作為內頁制圖時刺點。

2.3 無人機影像拍攝

采用大疆精靈4 RTK無人機，通過實地踏勘，確定航高、規劃航線，為了更好地表達地表起伏設置傾斜角為45°，影像重疊度60%，攝影分辨率為5472×3078，焦距為8.8mm。

無人機航線規劃主要分為5個步驟：①啟動遙控與飛行器，并連接上網絡。②打開網絡RTK，確保實時定位。③設置測區。選擇相應的攝影方式，遙控器上會出現相對應的區域，則可手動選擇，或者在踏勘完成時，可在谷歌地圖上選擇所需測量區域。④設置相應的參數。例如：飛行高度、重疊度、攝影傾斜角度等。⑤執行飛行計劃。在設置完成后，點擊“確定”鍵，右滑開始作業即可。由于測區內存在兩塊較大區域的水域，故測區類型選擇為水域。

3 數據處理

3.1 礦區三維模型與正射影像圖的生產

利用Smart 3D軟件進行三維建模以及建立正射影像。首先打開Smart 3D軟件，新建一個工程與修改工程名稱，并將工程目錄選到prj文件下。進入到Smart 3D軟件界面，事先將所有航飛影像加入到一個文件夾下，方便后面選擇，點擊導入視頻后，選擇所有的航飛影像，即可開始導入影像，導入完成后，會提示有無不可用圖片，如有把不可用圖片刪除即可，之后在操作界面把所有的感應尺寸以及焦距選中，右鍵選擇導入光學屬性，根據大疆無人機精靈四代寫入相機參數，然后在航飛影像上根據之前的像控點采集，找到相應位置，進行刺點，完成后選擇提交，就開始進行空中三角測量計算，結束后利用EPS軟件，打開軟件，建立工程打開此工程EDB文件，在下一界面點擊三維測圖下的加載本地傾斜模型，然后找到Production1下的Data.dsm文件并打開，就能打開三維模型；正射影像就在三維測圖下的加載超大影像，找到Production2選擇所有文件打開，然后建立金字塔文件，完成后就顯現出正射影像。

3.2 礦區地形圖的繪制

運用EPS軟件以及CASS軟件進行地形圖繪制，首先在EPS上按上述步驟打開其三維模型以及正射影像，根據這兩份影像繪制出地形圖，然后利用CASS軟件將缺少部分完善。

4 礦區生態恢復

為了能使采礦業得以存在，在開采礦產資源的同時，又保護環境以及土地，礦區的土地復墾和生態恢復工作顯得尤為重要。針對于淮北市劉橋二礦，根據全面系統、因地制宜、可持續利用原則，對礦區土地進行復墾和生態恢復工作。

圖2 正射影像（左）與三維模型（右）

圖3 礦區地形圖

通過對所采集數據的分析和處理，設計出以下兩種分案。

（1）將土地復墾工程技術與生態工程技術相結合，對采煤塌陷地進行系統設計、整治和開發利用，由于實驗區存在塌陷區，根據“挖深墊淺”的原則選取了“桑基魚塘”模型，充分發揮生態系統中的物質循環作用，以最小的成本達到最大的經濟效益。

（2）遵循因地制宜原則，由于其所處地交通便利，規劃時，將原本塌陷處做成濕地，對原有的水系進行適當溝通與調整，不做大量額外的工作，對之前的旱地進行改造，修建游樂園、商業區等，將其建設成為一個微型濕地公園。

設計完成后，利用CASS軟件分別對兩個分案進行各區域填挖方量的計算。計算結果如表1。

表1 方案一中各塊區域的計算結果

為滿足魚塘養魚深度為2～3米需求，實地測量出魚塘平均深度約為2.3米，滿足需求，在計算填挖量時，只需將魚塘規劃擴建區域的面積乘以填挖高度就可以求出,設計下挖高度2.3米。針對于魚塘Y1,通過cass軟件查詢規劃后的面積減去為規劃前的面積為擴建面積：95670.1平方米減去81534.5平方米為14135.6平方米，則求出所需挖方量為32511.88立方米；對于魚塘Y2，查詢得到規劃前面積為66461.3平方米，規劃后的面積為76574.6平方米，挖方量為23260.59立方米。本方案總挖方量159810.87立方米，總填方量159444.1立方米，合計需要填方量366.77立方米。

在兩片塌陷區的基礎上，進行挖深修建濕地湖泊，因為不進行養殖，不需要挖很深，設計下挖1.5米。采用于方案一一樣的方法計算出挖方量，濕地S1規劃前面積81534.5平方米，規劃后面積101783.4平方米，計算挖方量為30373.35立方米；濕地S2規劃前面積66461.3平方米，規劃后面積79868.2，挖方量為20110.4立方米。

最終，此方案總挖方量138791.55立方米，總填方量137819.8立方米，合計需要挖方量917.75立方米。

表2 方案二中各塊區域的計算結果

圖4 方案一

圖5 方案二

5 方案的比較與評價

從生態方面看，兩種方案都對塌陷區進行了土地復墾以及生態恢復工作，都解決了塌陷區土地荒廢的問題；從工程量上看，方案一的工程量大于方案二，但是方案一最終的結果更接近于規劃區域土方量平衡原則，方案二濕地公園成本太高；從區域經濟效益來看，方案一從養殖業以及手工業帶動了地方經濟發展，增加了更多就業機會，方案二主要從第三產業帶動了地方經濟，兩者各有優勢；從可持續性來看，方案一“桑基魚塘”是典型的因地制宜農業生產模式，體現了物質循環再生原理，方案二中，能夠長期帶動地方旅游業，但是會受到季節影響。

綜合考慮，在選取方案時，本文建議選擇方案一。

6 總結

將無人機測繪技術運用于礦山測量當中，充分發揮其低空攝影測量的優勢，不斷實現測繪手段向著自動化、智能化的方向轉變，減少測繪人員的工作量，滿足礦山測量要求，改善測繪手段。加強對礦山生態恢復和重建工作，對合理利用土地和人與自然相協調發展等方面具有較大意義[9]。充分利用無人機測繪技術，及時為礦區工作提供數據支持，有效提高礦山測量工作和礦山生態恢復工作的工作水平和效率。