無人機技術在關閉建筑石料礦山生態環境綜合治理工程中的應用

無人機技術在關閉建筑石料礦山生態環境綜合治理工程中的應用

□ 德清縣國土資源局 張臘平

一、引言

黨的十八大以來，在習總書記“綠水青山就是金山銀山”的思想指導下，為保護生態環境，德清縣大力開展礦山整治，先后關閉了20多家“小、散、亂”建筑石料礦山。為加快推進生態文明建設和建設“兩富兩美”現代化浙江，響應省委省政府開展的“五水共治”“四邊三化”行動號召，改善關閉礦山生態環境，消除地質災害隱患，減少水土流失，增加可利用土地資源，美化視覺景觀，德清縣全面開展關閉建筑石料礦山生態環境綜合治理工程。為確保治理工程按照設計方案施工，杜絕以治理之名亂采、亂挖和竊取國家礦產資源的現象和行為發生，及時掌握關閉礦山生態環境治理工程項目現狀與進度，有效掌控治理過程及工程質量，2015年6月，德清縣國土資源局與測繪單位合作，引入無人機技術進行不定期監測，加強對關閉建筑石料礦山生態環境綜合治理工程的監管。

二、工作原理及工作流程

1.概念和工作原理

無人機技術的概念：簡單來說就是無人機載移動測量系統。這項技術是無人機與航空攝影測量相結合，構成無人機低空攝影測量系統，是航空攝影領域的一個新的發展方向。

近年來，隨著各種新型傳感器和攝影測量平臺的不斷發展，無人機數字航攝技術以其機動靈話、經濟、便捷等顯著特點，成為了傳統航空攝影測量手段的有力補充，在應急數據獲取及小范圍快速成圖方面顯示出了無人機航攝系統獨特的優勢，使得這項技術在關閉建筑石料礦山生態環境綜合治理工程中的應用成為可能。

無人機技術的工作原理：本次治理工程監測采用的無人機載移動測量系統是利用八旋翼無人機作為搭載平臺，安置影像分辨率2400萬像素的相機，進行低空監測，拍攝高分辨率數碼航攝影像；搭載慣性導航系統（POS系統）,提供穩定、連續的三維高精度位置、速度、姿態信息；安裝GNSS衛星定位系統，獲取高精度位置信息。

2.工作內容及流程

主要工作流程：在治理礦區內及礦區附近選擇明顯穩固的特征點作為像片控制點和檢測點，使用RTK設備和浙江省衛星連續運行綜合服務系統（簡稱ZJCORS系統）實地施測像控點和檢測點三維坐標；無人機低空數碼航攝，獲取治理工程區域影像數據；內業數據處理，包括影像拼接，數字正射影像圖（DOM）、數字高程模型（DEM）、數字線劃圖（DLG）制作；數據分析，包括本期數據與初期數據對比分析、本期數據與上期數據對比分析、本期數據與設計終了數據對比分析；編寫并提交報告等。

圖1 工作流程圖

具體工作流程如（圖1）。

三、外業測量及內業數據處理

1.外業測量

外業測量包括像控點（檢測點）布設和測量、無人機低空數碼航攝。

為滿足無人機攝影測量需要，先要布設必要數量的像控點、檢測點，像控點、檢測點布設應均勻且能控制整個治理區域。用RTK進行像控點、檢測點平面坐標和高程測量時，各環節都應符合相關規程、規范要求。

圖3 制作數字正射影像圖（DOM）

圖4 制作數字高程模型（DEM）

執行無人機飛行前，需對天氣、風力、成像清晰度等進行分析評估，選擇合適的天氣和時間段作業；對無人機狀態進行全面檢查，確保無人機各部件連接正常，慣導系統、拍攝系統、定位系統工作正常，同時還要確保飛行安全。準備就緒后，結合治理工程區域形狀、走向、地形及周邊有無臨近治理礦區等實際情況，按1∶2000比例尺成圖要求敷設航線，設置航高（相對航高一般控制在200米以內），像片重疊度設置：航向重疊度0.8，旁向重疊度0.6。航攝結束后，對數碼攝影質量進行檢查，包括影像的清晰度、色彩反差和色調柔和情況，影像有無缺陷，拼接有無明顯模糊、重影和錯位、像點位移誤差等。航攝成果符合要求后，進行內業數據處理。

2.內業數據處理

內業數據處理主要包括影像拼接、制作數字正射影像圖（DOM）和數字高程模型（DEM）等。

影像拼接，利用無人機自帶軟件系統Photoscan，對航攝低空數碼影像進行自動拼接，見（圖2），得到整個礦區的完整影像圖。

內業制圖，按照航測成圖技術流程，利用Photoscan軟件，數據處理過程中加入像控點、檢測點，在（圖3）軟件界面上制作數字正射影像圖（DOM）見（圖5），在（圖4）軟件界面上制作數字高程模型（DEM）見（圖6）。

四、數據分析

數據分析主要采用對比分析法，在無人機監測形成的DOM、DEM等圖基礎上，用Arcgis、Mapstation軟件處理后續的操作，主要分析內容包括：本期數據與初期數據對比分析、本期數據與上期數據對比分析、本期數據與設計終了數據對比分析等方面內容。

本期數據與初期數據對比分析：本期DEM數據減去初期DEM數據得到的分析圖，用不同色調標注高程低于初期數據的區域和高于初期數據的區域，計算已回填土石方和已開挖土石方方量，統計完成工程量等情況。

圖2 影像拼接

本期數據與上期數據對比分析：本期DEM數據減去上期DEM數據得到的分析圖，計算回填土石方和開挖土石方方量，判斷治理進度。

圖5 數字正射影像圖（DOM）

圖6 數字高程模型（DEM）

本期數據與設計終了數據對比分析：本期DEM數據減去終了DEM數據得到的分析圖，對未擾動而超深的區域進行剔除，得到本期高程低于終了的區域和高程高于終了的區域。由分析圖可以看出本期有沒有超采超挖區域，并計算需回填土石方和可開挖土石方方量，統計尚剩余土石方方量。本期臺階與設計終了臺階對比分析：將設計終了圖中的臺階線，插入到本期圖上比較，分析實際形成的臺階與設計終了臺階之間差別，從臺階高度、形狀、長度和寬度四個方面進行比較，分析并判定施工是否按設計要求進行。本期邊坡與設計終了圖對比分析：將設計終了圖中所有剖面線插入到本期圖上比較，分析實際剖面與設計剖面的差值，形成的剖面低于設計剖面時及時預警，杜絕超采超挖現象發生，高于設計剖面應繼續開采開挖，直到達到設計坡度要求為止。

數據分析是無人機監測的重要環節，通過對無人機監測數據進行對比分析，一方面可以及時掌握治理工程進度、設計方案執行情況和工程質量情況，另一方面是為杜絕超采超挖、非法獲取礦產資源的現象和行為發生，為對違規、違法行為進行處罰提供依據。

五、質量控制

測量各個操作環節、各項成果數據都需要進行質量控制，尤其是應用在關閉礦山治理工程中，要切實起到監管作用，就必須做到“打鐵還需自身硬”，一方面嚴禁測繪人員與治理工程施工方有任何接觸，杜絕一切人為因素影響,確保如實進行監測；另一方面，測繪成果數據必須達到一定的數學精度，確保監測成果質量。

礦山治理方案按照1∶2000進行設計，無人機監測也按此比例成圖，在影像數據內業處理過程中，對像控點、檢測點進行檢查和統計，其殘差皆小于2厘米；DOM分辨率為0.2米，DOM成果精度符合《CH／T 9008.3-2010基礎地理信息數字成果1∶500 、1∶1000 、1∶2000數字正射影像圖》中平面位置中誤差小于0.6毫米的標準；DEM格網尺寸為2米，DEM成果精度符合《CH／T 9008.2-2010基礎地理信息數字成果1∶500 、1∶1000 、1∶2000數字高程模型》中高程中誤差小于0.7米的標準；DLG圖精度符合《CH／T 9008.1-2010基礎地理信息數字成果1∶500 、1∶1000 、1∶2000數字線劃圖》中平面位置中誤差小于1.2米的標準。

可見，通過質量控制，無人機低空數碼航攝最終各項數據成果質量都符合相關規程、規范的精度要求，能滿足礦山治理工程動態監測的需要。

六、結語

無人機技術具有低成本、高機動性和實時觀測地面的優勢，在測繪行業中得到了廣泛運用。無人機攝影測量從技術層面上，在礦山綜合治理動態監測中有著很強的適用性，與常規礦山測量方法相比，具有數據點密集、精度高、速度快、成本低、安全系數高、管理方便的特點，經過后處理軟件進行處理生成的數據，快速構出被測物的三維模型即點、線、面、體、空間各種相關數據，是解決常規測量無法完成任務的最好方式；與航空攝影測量技術相比，表現為更經濟、更高效、更安全、更時效、更多能的特點。從實際應用效果看，主要起到四個方面作用：一是建筑石料礦山坡面情況比較復雜，無人機技術的應用，能減少各種人為因素影響，對未按設計施工行為能得到及時制止，對惡意亂采亂挖現象能及時反饋到相關部門進行查處，提高了監管工作效率；二是無人機獲得高分辨率數字正射影像（DOM）和數字高程模型（DEM）具有較高的可信度，在日常監管中，施工方對無人機發現的各種問題無一例提出質疑；三是對各種違規、違法行為具有較強的威懾作用，降低了違規、違法行為發生率；四是為相關部門日常監管提供依據和技術支撐，使日常監管工作有了得力的抓手。

通過無人機技術的引入，采用“天上飛、地上查”的監管模式，使得德清縣關閉建筑石料礦山生態環境綜合治理工程得到更加有序的推進，并取得了一定成效。