消費級無人機遙感在礦區土地調查中的應用

康新亮

(西山煤電(集團)有限責任公司 地質處，山西 太原 030053)

隨著無人機技術的快速發展，設備費用不斷降低，操作不斷智能化、自動化，使得無人機的使用成本和學習成本可以被一般工程作業單位和科研機構所接受，在日常測繪、調查中也得到越來越廣泛的應用[1-3].目前，在很多調查、監測領域，無人機遙感發揮著越來越重要的作用，比如農林調查[4, 5]、地災調查[6]、生態監測[7]等。

常規的礦區土地資源調查通常以調查人員地面巡查為主，任務重、工作強度大，需要的周期較長，而且還會受地形、天氣和人為因素等限制。在調查過程中，如需獲取對象的位置、尺寸數據，還需測量工作輔助。如果使用無人機配合礦區土地調查工作，可以部分解決傳統作業方式人為因素大、效率低、大范圍工作成本高、工作時間長等弊端[8]，并可提供一定精度的位置信息。

1 實驗區概況

該次調查是針對西山煤電集團某礦的土地利用，并選取其中的典型對象——排矸場，進行無人機遙感成果的建模和應用。

某礦位于山西省西北部興縣與保德縣交界處，屬于剝蝕堆積低中山區，分布于嵐漪河南北兩側的黃土梁峁地區。底部為三疊系中、下統砂頁巖，表面被第四系黃土覆蓋，溝谷兩側砂頁巖出露，山頂多為塬峁狀，為典型的黃土高原景觀。

該礦排矸場位于礦區中東部的溝谷內，緊鄰工業場地，占地面積40.93 hm2，設計容量1 384萬m3，分三級堆放，設計排棄標高分別為1 042 m、1 100 m、1 124 m.排矸場現狀見圖1，大部分已進行覆土造林，一、二級矸石壩治理措施良好，一二級壩之間的平臺已治理成礦山公園。排矸場所在位置的溝谷原始地形已不復存在。

圖1 調查對象照片(二級壩附近)

2 消費級無人機遙感數據獲取與處理

利用無人機低空遙感進行三維建模，多鏡頭傾斜相機是首選，但存在硬件成本高、使用門檻高等局限性。土地調查不是測繪，不需要很高的絕對點位(坐標)精度，在保證相對位置正確的前提下，分米甚至米級的成果也是可以接受的。因此，嘗試使用較易獲取的消費級無人機(大疆精靈4 pro)、搭載2 000萬像素單鏡頭光學相機(原機標配相機)，采用預規劃航線的航拍模式，建立模型并應用。無人機遙感數據獲取與處理過程如下。

1)外業航拍。

在航飛前，使用配套的飛控軟件規劃航線5條，S行線路，覆蓋目標排矸場及周邊。設置飛行高度150 m，航向重疊度80%，旁向重疊度65%.共飛行一架次，照相曝光間隔2 s，總飛行時間約12.5 min.手動剔除不合格的航片后(如曝光嚴重、對焦失敗、拍攝拖影等)，共獲取有效航片379張。

該調查不需要準確的絕對坐標信息，因此未布設像控點，使用無人機自帶POS系統提供位置信息。

2)空中三角測量。

將篩選后的相片全部導入軟件ContextCapture中，軟件結合大疆精靈4 pro拍攝相片中所含的GPS信息進行空三運算，主要包括以下步驟：對特征點進行計算提取、匹配同名點、解算相片的空間位置和姿態角度、確定相片的相互關系。

3)三維建模。

三維模型構建主要包括密集點云生成、Tin模型構建和紋理自動映射3個步驟，由軟件自動完成。期間需人工確定分割的瓦片數，使當前的計算機硬件性能被最大化利用。

最終生成的三維模型見圖2，該模型包含了排矸場一級壩、二級壩和兩級壩體間的平臺。無人機遙感建立的三維建模，可以縮放、旋轉，對于調查對象及其周邊情況的掌握有很大的幫助，可以形象的展示、較為量化的測算，為決策提供依據。

圖2 排矸場三維模型

正射影像模型和數字地表模型也可由無人機數據計算獲取，非本文內容，不再討論。

3 三維模型在礦區土地調查中的應用

建成的排矸場三維模型，不只是可以用來演示觀摩，在需要的時候可以在模型上對長度、面積、體積進行量測，一方面減少了外業工作量，另一方面也可以在調查方案不完備的情況下，隨時進行“補測”。

1)長度測量。

如圖3所示，在ContextCapture軟件中進行指定兩點間的距離測量，獲取排矸場一級壩頂部長度為115.79 m.

圖3 排矸場的一級壩上緣長度測量圖

現場使用全站儀實測該兩點的距離為116.05 m，說明無人機三維模型可達亞米級精度。需要注意的是，由于沒有像控點，模型只可用其相對位置(如長度、面積、體積)，不可用模型上點的絕對位置(如坐標)。

2)面積測量。

一級壩和二級壩之間的平臺規劃為礦山公園，如需測量面積進行設計、評估，可以在軟件中對平臺的邊緣進行勾劃，如圖4所示，得到該平臺周長為952.43 m、面積為5.11 hm2.

圖4 排矸場平臺面積測量圖

3)體積測量。

如圖5(取自模型上距現排矸場西南約300 m處溝谷)，如需要在礦山周邊再尋找矸石排放場地，可以在建好的模型上勾劃平面設計范圍，然后填寫設計標高(本例為985 m)，即可通過計算得到挖(設計標高低于山體表面高程時需開挖，共6.09萬m3)、填(設計標高高于山體表面高程時需充填，共13.25萬m3)方量。對于矸石排放而言，無需開挖已有山體，計算得到的填方量13.25萬m3即為設計堆放范圍中可以容納的最大矸石排放量。

圖5 排矸場周邊擴容能力測量(挖、填方測量)圖

在實際操作中，應根據設計的各級平臺的高程分塊計算該溝谷的容量，然后根據該礦每年矸石量，可進一步計算該排矸場的設計服務年限。

4 結 論

土地資源調查中的外業調繪工作相對艱苦。在礦區土地利用調查中，利用消費級無人機遙感構建某礦排矸場的三維模型，對無人機遙感在土地調查中的應用進行了總結分析。

1)土地資源調查中，外業調繪工作費時、任務重，應用無人機遙感可減輕這部分工作量，包括不可達、不易達位置的調查和地物尺寸的量測。

2)結合某礦排矸場調查的成果，構建的無人機三維模型可進行演示、量測，由內業處理可獲取所需位置或區域的長度、面積和體積等參數，簡化外業工作。

3)相對于專業級無人機，消費級無人機使用靈活、硬件和學習成本低，可滿足以調查為目的的精度要求。在免像控的條件下，獲取的長度可達到亞米級精度(本文實例為26 cm).