無人機傾斜攝影技術在露天礦山監管中的應用

張維生

(漳州市測繪設計研究院，福建 漳州 363000)

1 引 言

中國是全世界最大的礦產資源開發利用國家之一，礦產資源的開采促進了我國社會經濟的快速發展，但是也極大地破壞了原始生態環境。早期礦山的不規范開采行為嚴重破壞了礦山周邊生態環境，造成了大量的廢棄石堆、危巖，常常引發泥石流、滑坡等地質災害，嚴重影響著人們的生命財產安全和正常的生活秩序。因此，有必要對礦山開發利用狀況、礦產資源規劃執行情況和礦山地質環境治理恢復執行情況進行動態監管，保證礦山的可持續發展[1]。

傳統的礦山監管大多以人工實地巡查為主、衛星遙感影像解譯為輔，但是人工實地巡查受客觀因素影響較大，容易出現遺漏，且需要大量的人力、物力和財力投入，效率低下，在露天礦邊坡容易出現的滑坡裂隙地段，人員進入存在很大的安全隱患；而衛星遙感影像數據獲取周期長，現勢性不夠[2]。為了適應新形勢下礦山動態監管的要求，無人機傾斜攝影技術開始被廣泛應用。無人機傾斜攝影技術通過無人機平臺上搭載多臺傳感器，運用多角度相機同步獲取地面物體各個角度高分辨率航攝影像，配合先進的定位、融合、三維模型處理系統等技術，自動生成高精度數字正射影像、數字高程模型和實景三維模型。相比傳統測量技術，無人機傾斜攝影技術能夠實現空間三維地理信息數據的快速獲取、處理與應用，成果信息量豐富，且具有三維分析量測功能[3]。同時無人機具有輕巧靈動的特性、作業高效迅速、可高頻監測、成本低廉及數據成果精確等優點[4]，已經在礦山測量[5]、礦山修復[6]、礦山地質環境治理[7]中得到廣泛應用。文章以漳州市2021年度全市65個持證露天礦山的動態監管工作為契機，開展無人機傾斜攝影數據獲取、數據處理、數據分析，探討無人機傾斜攝影技術在露天礦山違法開采、礦山開發利用狀況、地質環境治理恢復等動態監管中的應用。

2 監管工作情況介紹

根據《福建省礦產資源監督管理辦法》要求，為有效監管礦山的違法開采問題，確實規范礦山邊開采邊治理和資源節約集約利用，為漳州市“大抓工業、抓大工業”提供有效的礦產資源支撐和生態環境保障作用，漳州市開展了2021年度持證露天礦山無人機監管測繪工作。工作要求每個季度對65個持證礦山進行一次全覆蓋無人機航攝，并結合礦山成果數據、礦山監管要求編制監管報告，為礦山管理、生態修復、耕地保護、地災治理等問題提供意見。漳州市65個持證露天礦山分布于各個縣區，分布較為零散，且大多位于山區，交通困難。礦山分布位置如圖1所示。

圖1 漳州市持證礦山分布圖

3 無人機傾斜攝影技術

本文通過無人機傾斜攝影數據獲取、數據處理、數據分析，編制礦山監管成果報告，為礦山監管工作提供數據支撐。詳細流程圖如圖2所示：

圖2 生產流程圖

3.1 飛行平臺

本文采用大疆PHANTON 4 RTK作為飛行平臺，PHANTON 4 RTK是一款具備高精度測繪功能的航測無人機，具備厘米級導航定位系統和高性能成像系統，搭載DJI FC6310R單鏡頭傾斜相機，有效像素 2 000萬。

3.2 傾斜攝影

開展無人機傾斜攝影前，首先需收集各個礦山的采礦權范圍線，轉換成谷歌kml文件，導入奧維地圖，做好路線規劃，并進行前期設備質量檢驗、相機校驗等工作。

由于搭載的相機是單鏡頭，實施傾斜攝影時采用將鏡臺傾斜一個角度并加大重疊度井字形飛行，首先平行飛行一個來回獲取前后兩個方向目標影像，再從垂直方向飛行一個來回獲取左右兩個方向的目標影像：最后再飛一組正射影像，然后再飛一組正射影像，來完成5個不同方向采集地表目標影像[8]。無人機傾斜攝影航線設計要求如下：

(1)影像地面分辨率優于2 cm；

(2)航向重疊70%～80%，旁向重疊70%～80%；

(3)相對航高80 m～100 m，相機傾斜角度30°(云臺角度-60°)。

(4)飛行航線至少超出礦山范圍線一個相對航高值。

3.3 像控布設

為了提高航測精度，保證成果質量，每個礦山在航飛前必須先布設像控點。像控點布設方案采用周旺輝等在控制點布設對低空小型無人機高分影像精度的影響[9]一文中提到的四周均勻布點加少量內部控制的方法為最優布點方式進行布設。像控選點應充分考慮現場地形地物情況，將控制點布設在清晰的明顯地物折角，交角良好的線狀地物交點，且像控點周邊地形高差不大地區，在無明顯地物標志時，采用在硬化地刷油漆的方式進行布置，標志刷成“L”型。像控點測量時，應對觀測處進行近照和遠照。近照要能夠反映測量桿落點位置，遠照要能夠反映刺點與周邊地物的位置關系。像控點外業觀測完成后，及時做好記錄，將礦山、像控點編號、照片編號進行一一關聯。

3.4 數據處理

數據處理主要分為：數據預處理、數據空三加密、生產DEM和DOM、生產實景三維模型四個部分。

(1)數據預處理。數據預處理主要是檢查外業航拍影像是否清晰，航拍是否有缺漏，影像成圖質量是否符合要求，核查影像數據和POS數據是否一致，并將POS數據轉換成CGCS2000坐標系。

(2)數據空三加密。空三加密采用Metashape軟件，該軟件空三計算能力優秀，影像畸變糾正能力比較強[10]。將傾斜影像、POS數據、像控點、相機參數等分別導入Metashape進行空三加密。空三加密具體流程為：首先將傾斜影像進行連接點自動匹配，對獲取的特征點采用圖像特征匹配及跟蹤技術尋找和匹配不同像片間公共點，構建自由網，導入控制點后進行人工刺點，再進行光束法區域網平差，檢查控制點精度，調整控制點后再平差至空三結果滿足精度要求。

(3)生產DEM、DOM。空三加密滿足精度要求后，可以導入空三成果進行DEM、DOM的生產。礦山數字正射影像圖成果如圖3所示。

圖3 礦山數字正射影像圖

(4)生產實景三維模型。ContextCapture軟件在三維重建方面具體獨特優勢[11]。在Metashape中導出空三成果，選擇Blocks Exchange*xml格式，再導入ContextCapture中新建三維重建項目，設置好三維模型的坐標系統、平面切片格網大小、輸出范圍及成果格式等，最后生成三維模型。礦山實景三維模型成果如圖4所示。

圖4 礦山實景三維模型

4 監管工作成果數據分析

4.1 越界及超深開采分析

以采礦權人采礦權證書確定的采礦權范圍線和開采深度范圍作為監管分析基準，在ArcGIS軟件中將采礦權范圍線與礦山開采現狀DOM影像進行套合，可以判斷礦區是否存在越界開采行為，并初步計算其越界面積，在礦山三維模型上直接量取礦山現狀最低點高程，即可判斷礦區是否存在超深開采行為。圖5為某礦山正北側越界開采情況。

圖5 礦山越界開采情況

4.2 占用耕地情況分析

在ArcGIS軟件中將采礦權范圍線與礦山開采現狀DOM影像進行套合，并且疊加第二次全國土地調查耕地圖斑數據進行分析，可以判斷礦區是否存在占用耕地行為。圖6為某礦山紅線外西北側工業廣場侵占耕地情況。

圖6 礦山占用耕地情況

4.3 礦山開發利用方案執行情況

露天礦山開采需要及時監測和確定礦山是否存在違規開采礦產資源行為、開采現場是否按開采設計的要求自上而下分臺階或分層開采，臺階三要素是否符合相關設計要求，以確保礦山開采安全。通過礦山現狀三維模型，可以直觀地查看礦山開采總體情況，分析、量測礦山開采臺階情況，包括臺階高度、臺階安全平臺寬度等。根據數據高程模型DEM，利用ArcGIS軟件的坡度分析工具自動計算出礦區DEM的坡度值，可監測礦山臺階坡面角是否符合設計要求。

4.4 礦山地質環境治理恢復方案執行情況

礦山在開采過程及終了后，會存在土地植被破壞，廢棄物排放、采場邊坡治理、水文地質條件變化等礦山生態環境問題，需要進行礦山地質環境治理恢復及土地復墾復綠，通過礦山現狀高分辨率數字正射影像和傾斜三維模型，可以清楚直觀地監管礦山“邊開采邊治理”執行情況，核對礦山地質環境治理恢復情況及治理效果。如表1為某礦山監管情況表。

表1 礦山監管情況表

4.5 礦山監管問題清單

對每一季度所有持證礦山的監管結果進行整理統計，編制所有礦山的監管問題清單匯總表，如表2所示，了解每個礦山可能存在的違法開采行為，掌握每個礦山開發利用方案執行情況和地質環境治理恢復情況，并制定相應的整改措施，為規范礦山開采提供保障。

表2 礦山監管問題清單匯總表

5 監管工作成效

經過四個季度對持證露天礦山的無人機航飛監督管理工作，漳州市礦產資源開采行為得到有效的規范。

(1)礦山越界及超深開采行為得到有效遏制。第一季度發現的越界開采礦山全部停止了越界開采行為，并對越界區域進行了整改恢復。如圖7為某礦山紅線外西南側越界開采行為進行整治效果圖。

圖7 礦山越界開采整治效果

(2)礦山占用耕地情況得到有效治理。礦山占用耕地區域全部進行了土地復墾，并恢復了植被種植。如圖8為某礦山紅線外東北側剝離土堆放侵占耕地行為進行整治效果圖。

圖8 礦山占用耕地整治效果

(3)礦山開發利用方案得到有效執行。基本遏制了部分礦山亂采濫挖、采富棄貧等破壞和浪費礦產資源的行為和跡象，大部分礦山能夠實行自上而下分臺階或分層開采，并修建治理臺階，對臺階進行削坡、開級、加固，建立完善的截排水設施，礦山邊坡外側修建鐵絲網防護欄等，以保證礦山開采安全。如圖9為某礦山依據開發利用方案自上而下分臺階開采過程。

圖9 礦山自上而下分臺階開采

(4)邊開采邊治理要求得到進一步落實。大部分礦山都已對已開采完成區域進行了地質環境治理恢復，對已開采完成臺階平臺進行種植樹木、藤、草等植物，覆蓋裸露巖面，恢復礦山地質環境。如圖10、圖11為某礦山對已開采完成區域進行臺階治理及復綠。

圖10 礦山邊開采邊治理(正射影像)

圖11 礦山邊開采邊治理(局部三維模型)

6 結論及展望

無人機傾斜攝影技術現已成為一種高效的礦山監管手段。利用無人機傾斜攝影技術快速安全地獲取礦山現狀高分辨率正射影像圖和實景三維模型，可以為自然資源礦管部門提供更為直觀的礦山開采現狀成果，輔助礦管部門有效監管礦山的違法開采問題，促進礦山科學化、規范化開采，確實規范礦山邊開采邊治理行為，并為礦山的日常管理、耕地保護、生態修復、地災治理等問題提供數據支撐。

下步的研究工作是建立礦山監管系統平臺，將每一期礦山航飛成果進行數據入庫，實現礦山開采情況可追溯管理，為礦管部門動態監管礦山每一階段的開采情況，制定礦山管理計劃提供參考，助力礦山高質量可持續發展。