無人機遙感技術在麻地梁煤礦中的精度分析及應用

徐十鋒，呂文星，高亞軍，李虎

(1.黃河水利委員會水文局， 河南 鄭州 450004；2.內蒙古智能煤炭有限責任公司， 內蒙古 鄂爾多斯市 017000)

0 引言

水土保持監測是指對水土流失發生、發展、危害及水土保持效益進行長期的調查、觀測和分析工作。我國一系列法律法規和技術標準明確了生產建設項目水土保持監測的相關責任、監測階段、監測內容、監測方法。2019 年水利部關于水土保持監管的意見和通知，進一步加強了水土保持監督管理，要求各級行政主管部門和流域管理機構采用遙感監管、現場檢等“互聯網+監管”的方式，實現項目全覆蓋，對生產建設項目實行水土保持監測“綠黃紅”三色評價[1]。在此背景下，傳統的水土保持監測手段存在精度不夠、工作量大、工作效率低等弊端[2]，認真做好生產建設項目水土保持監測工作是防治水土流失的重要手段。本文以黃土高原地區麻地梁煤礦水土保持監測項目為例，介紹了無人機遙感技術手段，分析了無人機遙感技術監測的精度影響因子[3]。項目監測過程中應用的傳統水土保持監測手段和無人機遙感監測手段相結合可為后續水土保持監測工作[4]提供參考。

1 研究區概況

內蒙古智能煤炭有限責任公司麻地梁煤礦位于內蒙古自治區鄂爾多斯市準格爾旗東南隅。礦區由工業廣場區、場外道路區、水源及供水管線、供電通訊線路和矸石臨時堆置場組成，于2010 年1 月開始施工，2019 年10 月完工。項目區地處鄂爾多斯黃土高原的東北部，區內第四系黃土覆蓋廣泛，厚度一般在15～120 m，地形破碎，溝谷縱橫，基巖大部分在溝谷出露。部分地段被風積沙覆蓋，由于受徑流的影響，溝谷多呈樹枝狀，地形總趨勢為東南高西北低；海拔標高在960～1350 m。項目區植被類型為典型干旱草原植被，林草覆蓋率在20%～30%左右，經實地調查項目區土壤侵蝕模數背景值為3124 t/(km2·a)。本項目建設期持續時間較長，在實際監測過程中，運用了傳統監測與無人機遙感監測相結合的方法。

2 傳統水土保持監測手段

生產建設項目水土保持監測內容主要包括施工準備期的地形地貌監測、地面組成物質監測、水文氣象監測、植被因子的監測、土地利用現狀、水土流失狀況，工程建設期的擾動土地情況監測、取土（石、料）棄土（石、渣）監測、水土流失情況監測、水土流失隱患及危害監測、水土保持措施監測，自然恢復期的水保措施運行狀況及防護效果監測、項目6 項指標達標情況評價。

生產建設項目的傳統監測方法主要包括徑流小區、控制站、測釬、沉沙池、侵蝕溝量測等地面小區監測、調查監測、現場巡查、測量等。地面監測、調查監測、資料分析等監測方法方便易行，已被廣泛應用于水土保持監測工作中。

隨著經濟社會的快速發展，傳統的水土保持監測手段出現了諸多弊端。實際監測過程中，項目建設區域擾動面積的監測主要采用GPS 巡航方法，要確定區域的邊界線和地理坐標，而且要同時確定不同分構的界線、面積，傳統的測量方法精度較低，人為影響因素較大。林草覆蓋度采用樣方法，先確定調查地樣方，現場量測、計算郁閉度（或蓋度），再計算出場地的林草覆蓋度，同樣存在樣方選擇誤差。臨時堆土面積、體積采用直接量測和調查分析結合方法，堆積形狀不規則時直接測量存在較大誤差。

綜上所述，傳統的監測手段需要投入更多的人力、物力和時間，已不能滿足水利行業強監管形勢下對水土保持監測工作精細化和智能化的新要求。

3 無人機遙感技術手段介紹

隨著社會的發展，衛星遙感逐步成為水土保持監測的手段，《生產建設項目水土保持監測規程（試行）》（2015?139）規定點型項目不小于100 hm2的應增加遙感監測方法；線型項目山區（丘陵區）長度不小于5 km、平原區長度不小于20 km 的應增加遙感監測方法。遙感影像空間分辨率應不低于2.5 m。衛星遙感技術能較快地獲得項目區的擾動土地面積等數據，但也存在諸多問題。一是分辨率低，難以滿足水土保持監測的工作需要；二是商用衛星遙感影像價格昂貴，制約了商用衛星遙感在水土保持監測工作中的應用[5]。小型無人機低空遙感技術解決了上述問題，在水土保持監測工作中得到了廣泛應用。

3.1 無人機遙感監測技術路線

無人機遙感技術作為遙感影像資料獲取手段之一，具有方便、快捷、高分辨率、低成本等[6]特點。近年來無人機遙感在技術水土保持監測工作中得到廣泛應用。大疆無人機Mavic 2 Pro 具有攜帶方便、操作簡單、起飛條件簡單、分辨率高等特點。本文以工作中應用的大疆無人機Mavic 2 Pro 為例。

大疆無人機Mavic 2 Pro 飛行器使用CMOS 圖像傳感器，可穩定拍攝4K 超高清視頻與4000 萬像素照片，最大飛行速度為72 km/h，最長飛行時間約為31 min。主要技術路線見圖1，步驟如下。

圖1 無人機遙感技術路線

（1）經現場查勘、施工單位報送資料及工程施工進度和工程范圍圖，在現場確定擾動區域的基礎上，劃定邊界位置，規劃出項目區無人機航線。

（2）根據場地地形地貌、面積、范圍，綜合確定項目區飛行高度、相機角度、重疊度、飛行速度、分辨率等參數。

（3）經過航線規劃、飛行參數確定及無人機各項指標信息檢查無誤后，開啟自動飛行拍攝。

（4）拍攝的影像數據可根據不同的處理軟件處理建模，本文以Pix4Dmapper 軟件為例，主要包括建立項目、輸入參數設定、輸出參數設定、自動處理等程序，生成正射影像、編輯云數據、DSM 數據。

（5）根據軟件處理生成的數據讀取項目各分區擾動土地情況、取土棄土情況、水土流失情況、水土保持措施、林草覆蓋面積等水土保持情況。

3.2 無人機遙感精度影響因子分析

無人機攜帶的照相機設置的光圈值、曝光時間、圖片重疊度、分辨率和飛行高度等參數直接影響拍攝照片的質量[7?8]。

無人機在飛行過程中，受到風力、氣流等影響，無人機飛行不穩定，發生位置偏離會影響拍攝圖片的重合度。同樣，外界因素或者人為操作會使角度發生偏離，影響正射影像質量。無人機的飛行速度也直接影響拍攝圖片的質量。

目前市面上有許多三維處理建模軟件，但不同的軟件側重點不同、算法不同，對計算結果有直接影響。

精度與角度（風速大、氣流影響會影響飛行偏航、角度偏離）、高度保持一致性，相片重疊度、飛行速度、分辨率要保持一致（由分辨率數學模型可知，在相機傳感器尺寸、鏡頭焦距與視場角等硬件參數一定的情況下，分辨率倍率值與航高無關，由傾斜角度決定），自動飛行可提高觀測精度。

4 無人機遙感技術的應用

在麻地梁煤礦水土保持監測中，采用了無人機遙感監測航拍進行水土保持監測，內容及方法見表1。

表1 麻地梁煤礦無人機遙感內容及方法

（1）參數設置。根據項目特點，本文采用DJI攜帶的FC220 照相機，設置的光圈值f/2.2，曝光時間1/562 s，水平和垂直分辨率72 dpi，圖片重疊度為70%，拍攝角度為90°，相對高度為100 m。

（2）飛行設置。為了保證拍攝圖片質量，選擇天氣較好、風速較小的時間飛行。由于人工控制飛行的速度和飛行的相對高度無法達到完全一致，拍攝的圖片重疊度無法保證，影響后期處理的精度。本項目借助Pix4D 軟件進行無人機自動飛行，保證了無人機飛行控制，最大限度提高了拍攝圖片的質量。

（3）圖像處理。本項目選擇Pix4Dmapper 軟件作為圖像處理軟件建立相應模型。主要包括建立項目、輸入參數設定、輸出參數設定、自動處理等程序，生成正射影像、編輯云數據、DSM、DEM等數據，如圖2～圖3 所示。

圖2 麻地梁煤礦無人機遙感監測正射影像圖（DOM）

圖3 麻地梁煤礦無人機遙感監測合成數字地表模型（DSM）

（4）精度分析。根據前文參數設置，Pix4D mapper 軟件自動生成質量報告。結果顯示，項目平均地面分辨率為8.25 cm。每張影像特征點數量中位數為63 746 個。初始和優化的內部相機參數之間的相對差異為2.68%。生成圖像精度滿足生產建設項目水土保持精度的要求，并且遠優于人工測量的精度。

5 結果與分析

本文根據Pix4Dmapper 軟件進行相關計算分析。根據Pix4Dmapper 平面對象創建功能實現擾動土地等面積量取；根據擾動前原地貌與不同時期監測成果，導入Pix4Dmapper 空三射線進行疊加分析計算臨時堆土等方量（見圖4）。根據Pix4Dmapper點云分類操作計算得出不同的水土保持措施情況。

圖4 Pix4Dmapper 軟件測量臨時堆土面積、體積

5.1 擾動土地情況監測

經遙感監測和實地調查，項目區水土流失防治責任范圍總面積為55.04 hm2（永久占地36.04 hm2，臨時占地19.00 hm2）。其中，工業廣場占地29.74 hm2，場外道路占地5.53 hm2，水源及供水管線占地6.45 hm2（永久占地0.05 hm2，臨時占地6.4 hm2），供電通訊線路占地12.71 hm2，矸石臨時堆置場占地0.61 hm2。

5.2 臨時堆土監測

根據水土保持方案報告書、初步設計等，結合遙感監測和實地調查，本項目臨時堆土來源于項目區表土剝離。項目區共剝離表土29 610 m3，其中工業廣場剝離表土19 800 m3，矸石臨時堆置場剝離表土900 m3，場外道路剝離表土8910 m3。

5.3 水土流失情況監測

水土流失情況監測主要包括土壤流失面積、土壤流失量、臨時堆土場潛在土壤流失量和水土流失危害等內容。

通過監測，工程共擾動地表面積為55.04 hm2，產生水土流失面積為35.85 hm2。

經監測分析，麻地梁礦井及選煤廠工程水土流失總量為22 588.8 t（其中施工期水土流失總量為21 575.1 t，自然恢復期水土流失總量為1013.7 t）。新增水土流失量為8187.8 t。

5.4 水土保持措施監測

水土保持措施監測內容主要包括工程措施、植物措施和臨時措施的類型、開（完）工日期、位置、規格、尺寸、數量、林草覆蓋度（郁閉度）、防治效果、運行狀況等。

經監測，項目區擾動土地整治率為98.5%，水土流失總治理度為97.7%，土壤流失控制比為0.9，攔渣率98.8%，林草植被恢復率為97.2%，林草覆蓋率為52.2%。滿足批復的水土保持方案的防治目標要求，工程建設新增水土流失得到了有效控制，改善了項目區的植被生態環境。

6 結論與展望

無人機遙感技術作為遙感影像資料獲取手段之一，具有方便、快捷、高分辨率、低成本等特點。本文將傳統水土保持監測手段和無人機遙感監測手段相結合對麻地梁煤礦項目進行水土保持監測，提高了監測精度，減少了資源投入，取得了良好效果。隨著信息系統、移動端、互聯網+等相關技術的發展，無人機遙感技術將更廣泛地應用于生產建設項目水土保持監測、水土保持設施驗收、水土保持監管工作中，本文無人機遙感技術的應用可為類似項目提供參數。