sUAS在露天礦山地質環境保護與恢復治理中的應用

劉建坡，王宇鑫

（1.河南省有色金屬礦產探測工程技術研究中心,河南 鄭州450016；2.河南省有色金屬地質礦產局第四地質大隊,河南 鄭州450016；3.昆明理工大學 城市學院,云南 昆明 650051）

習近平同志于2005年8月在浙江安吉考察時提出了“綠水青山就是金山銀山”的科學論斷。開采露天礦山時,地表覆蓋的大量植被遭到破壞,礦石上覆蓋的表土和巖石被剝離,對自然地貌和生態環境造成了嚴重破壞,從而限制了社會經濟的可持續發展[1-2]。露天礦山閉坑后會形成大大小小的露天采坑,不僅使良好的自然景觀變得支離破碎、滿目瘡痍,而且會使裸露的地表產生大量的揚塵,嚴重影響身心健康和生態環境。除此之外,露天礦山開采還破壞了原有的土壤結構,受重力沉降、開挖邊坡不穩定、排水設施不完善等因素影響,易引起水土流失、巖體崩塌、滑坡和泥石流等地質災害,危及人民生命財產安全。目前從中央到地方對環境的保護都非常重視,要求所有礦山企業都要嚴格執行國土資源部國土資源部令第44號《礦山地質環境保護規定》和河南省國土資源廳豫國土資發[2012]39號《關于進一步加強礦山地質環境恢復治理工作的意見》的要求,嚴格按照“邊開采邊治理,先設計后施工”的原則開展各項工作。 對廢棄和在開采的礦山進行恢復治理和生態復綠,是保護生態環境、提高人們生活質量和保持經濟可持續發展的必要措施。

1 無人機低空攝影測量的優勢

對露天礦山進行地質環境恢復治理,第一步需要獲取露天礦山的詳細測量數據。傳統的獲取礦山數據的手段為利用GNSS-RTK和全站儀進行人工野外數據采集。該作業模式不僅效率低下,而且作業過程中也很不安全。將無人機低空攝影測量技術應用于露天礦山地質環境恢復治理工程的前期基礎測繪中,能大大提高野外數據采集的效率、豐富性以及安全性,還能間接提高露天礦山恢復治理的效率和效益,從另一方面推動“數字礦山”建設,這也是航空攝影測量技術的發展趨勢[3-7]。無人機低空攝影測量較傳統測量的優勢如表1所示。

表1 傳統測量與無人機航測的比較

2 在露天礦山恢復治理中的應用

2.1 研究區概況

研究區位于河南省安陽市某露天礦區,占地面積約為2.467 km2,地形破碎、植被稀少,海拔高度為175～313 m（圖1）。

圖1 研究區位置概況圖

2.2 儀器裝備

本文采用大疆公司生產的Phantom 4 RTK無人機獲取航拍照片（圖2）。Phantom 4 RTK無人機因其價格低廉且具有先進的航測技術而被應用于專業測繪即泛在測繪領域。首先制作了多個1 m×1 m的地面控制點（GCP）標志牌,并實地布設于研究區；再利用天寶品牌（型號:SPS985）的RTK GNSS接收機對實地布設的GCP標志牌進行逐個測量；然后在飛行前利用Trimble Business Center和Google Earth制作航測作業KML文件,在航測時利用GS RTK App進行航線規劃和飛行控制；最后利用Agisoft PhotoScan和Global Mapper對無人機獲取的影像進行數據處理和輸出。

圖2 采用的儀器設備

2.3 飛行前準備

飛行前的準備工作對于影像數據質量至關重要。首先在開始作業前必須充分了解要航測區域和成果的應用領域；然后利用Trimble Business Center和Google Earth把GCP放置在指定研究區域內衛星地圖的合適位置,航飛時借助智能手機上的奧維互動地圖App把室內設計好的GCP放置在實地；最后利用GS RTK App進行航線規劃以及設置飛行高度、航向重疊、旁向重疊、照相機拍攝角度和無人機速度等信息參數[8]。主要飛行參數設置為:航高為120 m,航向重疊度為80%,旁向重疊度為70%,飛行速度為8 m/s。

2.4 數據采集與處理

整個研究區面積為2 819 665.5 m2,飛行6個架次,共用時2 h 9 min。在一個架次電池用完,更換電池后需接著上個架次繼續進行斷點續測,整個測區共獲得1 946張高精度航測影像。利用Agisoft PhotoScan對獲取的影像進行數據處理,獲得數字正射影像圖（圖3）、數字高程模型（圖4）、點云以及三維立體模型（圖5）等數字化成果[9]。在EPS2006、Global Mapper和南方地形地籍成圖軟件CASS9.2的支持下,制作了最終數字線劃圖局部（圖6）。

圖3 數字正射影像圖

圖4 數字高程模型

圖5 真三維立體模型

圖6 數字線劃圖

2.5 精度分析

通過比較實地布設的檢查點測量結果可知,研究區的平面位置中誤差為±0.053 m,高程中誤差為±0.064 m,滿足GB/T 7930-2008《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖航空攝影測量內業規范》[10]要求的平地、丘陵地地物點平面位置中誤差不大于圖上0.6 mm,以及1∶500比例尺、平地地形要求的0.2 m規定。結果表明,Phantom 4 RTK 無人機測繪能滿足地形測量精度要求。詳細結果如表2所示。

表2 GNSS RTK實測坐標與無人機航測量測坐標結果比較表/m

2.6 成果應用

十八大以來,國家對自然環境的保護越來越重視,從中央到地方都在積極推動礦山環境恢復治理工作。露天礦山開采將對自然環境造成極大破壞,嚴重影響當地居民的生活質量。礦山環境的恢復治理工作主要包括礦山綠化、裸露巖石邊坡植被恢復、工業尾礦和垃圾場的恢復治理等。常規測量很難對露天礦山進行詳細測繪,效率低下,且為礦山恢復治理提供的成果單一。采用無人機低空攝影測量技術能對整個礦山的全貌及其周邊環境進行快速攝影測量,形成正射影像圖、數字表面模型、數字線劃圖、數字高程模型、實景三維模型等；能為礦山恢復治理設計方案的編寫提供豐富、翔實的數據支持,為編寫切實可行、高效的礦山恢復治理設計方案做好了前期基礎資料準備工作；能為礦山的開發和治理規劃提供高效、直觀的幫助；能直觀利用實景三維模型、正射影像圖、數字線劃圖進行治理方案的設計編寫工作,還可利用數字高程模型進行礦山恢復治理所需的工程量計算工作,不僅大大提高了礦山恢復治理的效率,而且降低了礦山治理的成本。通過正射影像圖、數字表面模型、數字線劃圖、數字高程模型和實景三維模型,能很容易地確定需要開展邊坡清理工程、土地整治工程、擋土墻工程、排水渠工程以及生物綠化工程等的位置。通過礦山恢復治理,能最大程度地消除采礦活動對礦山周邊環境和居民生活的影響,恢復礦山生態環境和土地資源,使礦山恢復治理后獲得顯著的社會經濟效益和環境效益。

3 結 語

無人機低空攝影測量技術是一種全新的測量技術,已逐漸成為地理信息采集與實景三維建模的重要手段。首先利用無人機低空攝影測量技術獲取礦山恢復治理區域的精確二維照片,再通過專業攝影測量軟件Agisoft PhotoScan的數據處理,形成礦山治理區域的真正射影像圖、數字線劃圖、數字高程模型、實景三維模型等。本文主要以河南省安陽市一處露天礦山恢復治理任務為例,對小型旋翼無人機攝影測量成果進行了數據分析；通過分析檢查點的精度,闡述了小型旋翼無人機攝影測量能達到的精度 以及相較于傳統測量表現出來的優勢。實驗結果表明,小型多旋翼無人機攝影測量技術能滿足大比例尺數字線劃圖的數據采集生產要求。在復雜、危險的露天礦區采用小型多旋翼無人機進行低空攝影測量,能大大提高工作效率,為地質環境保護與恢復治理工程提供高精度多源數據。