无人机技术在关闭建筑石料矿山生态环境综合治理工程中的应用

无人机技术在关闭建筑石料矿山生态环境综合治理工程中的应用

□ 德清县国土资源局 张腊平

一、引言

党的十八大以来，在习总书记“绿水青山就是金山银山”的思想指导下，为保护生态环境，德清县大力开展矿山整治，先后关闭了20多家“小、散、乱”建筑石料矿山。为加快推进生态文明建设和建设“两富两美”现代化浙江，响应省委省政府开展的“五水共治”“四边三化”行动号召，改善关闭矿山生态环境，消除地质灾害隐患，减少水土流失，增加可利用土地资源，美化视觉景观，德清县全面开展关闭建筑石料矿山生态环境综合治理工程。为确保治理工程按照设计方案施工，杜绝以治理之名乱采、乱挖和窃取国家矿产资源的现象和行为发生，及时掌握关闭矿山生态环境治理工程项目现状与进度，有效掌控治理过程及工程质量，2015年6月，德清县国土资源局与测绘单位合作，引入无人机技术进行不定期监测，加强对关闭建筑石料矿山生态环境综合治理工程的监管。

二、工作原理及工作流程

1.概念和工作原理

无人机技术的概念：简单来说就是无人机载移动测量系统。这项技术是无人机与航空摄影测量相结合，构成无人机低空摄影测量系统，是航空摄影领域的一个新的发展方向。

近年来，随着各种新型传感器和摄影测量平台的不断发展，无人机数字航摄技术以其机动灵话、经济、便捷等显著特点，成为了传统航空摄影测量手段的有力补充，在应急数据获取及小范围快速成图方面显示出了无人机航摄系统独特的优势，使得这项技术在关闭建筑石料矿山生态环境综合治理工程中的应用成为可能。

无人机技术的工作原理：本次治理工程监测采用的无人机载移动测量系统是利用八旋翼无人机作为搭载平台，安置影像分辨率2400万像素的相机，进行低空监测，拍摄高分辨率数码航摄影像；搭载惯性导航系统（POS系统）,提供稳定、连续的三维高精度位置、速度、姿态信息；安装GNSS卫星定位系统，获取高精度位置信息。

2.工作内容及流程

主要工作流程：在治理矿区内及矿区附近选择明显稳固的特征点作为像片控制点和检测点，使用RTK设备和浙江省卫星连续运行综合服务系统（简称ZJCORS系统）实地施测像控点和检测点三维坐标；无人机低空数码航摄，获取治理工程区域影像数据；内业数据处理，包括影像拼接，数字正射影像图（DOM）、数字高程模型（DEM）、数字线划图（DLG）制作；数据分析，包括本期数据与初期数据对比分析、本期数据与上期数据对比分析、本期数据与设计终了数据对比分析；编写并提交报告等。

图1 工作流程图

具体工作流程如（图1）。

三、外业测量及内业数据处理

1.外业测量

外业测量包括像控点（检测点）布设和测量、无人机低空数码航摄。

为满足无人机摄影测量需要，先要布设必要数量的像控点、检测点，像控点、检测点布设应均匀且能控制整个治理区域。用RTK进行像控点、检测点平面坐标和高程测量时，各环节都应符合相关规程、规范要求。

图3 制作数字正射影像图（DOM）

图4 制作数字高程模型（DEM）

执行无人机飞行前，需对天气、风力、成像清晰度等进行分析评估，选择合适的天气和时间段作业；对无人机状态进行全面检查，确保无人机各部件连接正常，惯导系统、拍摄系统、定位系统工作正常，同时还要确保飞行安全。准备就绪后，结合治理工程区域形状、走向、地形及周边有无临近治理矿区等实际情况，按1∶2000比例尺成图要求敷设航线，设置航高（相对航高一般控制在200米以内），像片重叠度设置：航向重叠度0.8，旁向重叠度0.6。航摄结束后，对数码摄影质量进行检查，包括影像的清晰度、色彩反差和色调柔和情况，影像有无缺陷，拼接有无明显模糊、重影和错位、像点位移误差等。航摄成果符合要求后，进行内业数据处理。

2.内业数据处理

内业数据处理主要包括影像拼接、制作数字正射影像图（DOM）和数字高程模型（DEM）等。

影像拼接，利用无人机自带软件系统Photoscan，对航摄低空数码影像进行自动拼接，见（图2），得到整个矿区的完整影像图。

内业制图，按照航测成图技术流程，利用Photoscan软件，数据处理过程中加入像控点、检测点，在（图3）软件界面上制作数字正射影像图（DOM）见（图5），在（图4）软件界面上制作数字高程模型（DEM）见（图6）。

四、数据分析

数据分析主要采用对比分析法，在无人机监测形成的DOM、DEM等图基础上，用Arcgis、Mapstation软件处理后续的操作，主要分析内容包括：本期数据与初期数据对比分析、本期数据与上期数据对比分析、本期数据与设计终了数据对比分析等方面内容。

本期数据与初期数据对比分析：本期DEM数据减去初期DEM数据得到的分析图，用不同色调标注高程低于初期数据的区域和高于初期数据的区域，计算已回填土石方和已开挖土石方方量，统计完成工程量等情况。

图2 影像拼接

本期数据与上期数据对比分析：本期DEM数据减去上期DEM数据得到的分析图，计算回填土石方和开挖土石方方量，判断治理进度。

图5 数字正射影像图（DOM）

图6 数字高程模型（DEM）

本期数据与设计终了数据对比分析：本期DEM数据减去终了DEM数据得到的分析图，对未扰动而超深的区域进行剔除，得到本期高程低于终了的区域和高程高于终了的区域。由分析图可以看出本期有没有超采超挖区域，并计算需回填土石方和可开挖土石方方量，统计尚剩余土石方方量。本期台阶与设计终了台阶对比分析：将设计终了图中的台阶线，插入到本期图上比较，分析实际形成的台阶与设计终了台阶之间差别，从台阶高度、形状、长度和宽度四个方面进行比较，分析并判定施工是否按设计要求进行。本期边坡与设计终了图对比分析：将设计终了图中所有剖面线插入到本期图上比较，分析实际剖面与设计剖面的差值，形成的剖面低于设计剖面时及时预警，杜绝超采超挖现象发生，高于设计剖面应继续开采开挖，直到达到设计坡度要求为止。

数据分析是无人机监测的重要环节，通过对无人机监测数据进行对比分析，一方面可以及时掌握治理工程进度、设计方案执行情况和工程质量情况，另一方面是为杜绝超采超挖、非法获取矿产资源的现象和行为发生，为对违规、违法行为进行处罚提供依据。

五、质量控制

测量各个操作环节、各项成果数据都需要进行质量控制，尤其是应用在关闭矿山治理工程中，要切实起到监管作用，就必须做到“打铁还需自身硬”，一方面严禁测绘人员与治理工程施工方有任何接触，杜绝一切人为因素影响,确保如实进行监测；另一方面，测绘成果数据必须达到一定的数学精度，确保监测成果质量。

矿山治理方案按照1∶2000进行设计，无人机监测也按此比例成图，在影像数据内业处理过程中，对像控点、检测点进行检查和统计，其残差皆小于2厘米；DOM分辨率为0.2米，DOM成果精度符合《CH／T 9008.3-2010基础地理信息数字成果1∶500 、1∶1000 、1∶2000数字正射影像图》中平面位置中误差小于0.6毫米的标准；DEM格网尺寸为2米，DEM成果精度符合《CH／T 9008.2-2010基础地理信息数字成果1∶500 、1∶1000 、1∶2000数字高程模型》中高程中误差小于0.7米的标准；DLG图精度符合《CH／T 9008.1-2010基础地理信息数字成果1∶500 、1∶1000 、1∶2000数字线划图》中平面位置中误差小于1.2米的标准。

可见，通过质量控制，无人机低空数码航摄最终各项数据成果质量都符合相关规程、规范的精度要求，能满足矿山治理工程动态监测的需要。

六、结语

无人机技术具有低成本、高机动性和实时观测地面的优势，在测绘行业中得到了广泛运用。无人机摄影测量从技术层面上，在矿山综合治理动态监测中有着很强的适用性，与常规矿山测量方法相比，具有数据点密集、精度高、速度快、成本低、安全系数高、管理方便的特点，经过后处理软件进行处理生成的数据，快速构出被测物的三维模型即点、线、面、体、空间各种相关数据，是解决常规测量无法完成任务的最好方式；与航空摄影测量技术相比，表现为更经济、更高效、更安全、更时效、更多能的特点。从实际应用效果看，主要起到四个方面作用：一是建筑石料矿山坡面情况比较复杂，无人机技术的应用，能减少各种人为因素影响，对未按设计施工行为能得到及时制止，对恶意乱采乱挖现象能及时反馈到相关部门进行查处，提高了监管工作效率；二是无人机获得高分辨率数字正射影像（DOM）和数字高程模型（DEM）具有较高的可信度，在日常监管中，施工方对无人机发现的各种问题无一例提出质疑；三是对各种违规、违法行为具有较强的威慑作用，降低了违规、违法行为发生率；四是为相关部门日常监管提供依据和技术支撑，使日常监管工作有了得力的抓手。

通过无人机技术的引入，采用“天上飞、地上查”的监管模式，使得德清县关闭建筑石料矿山生态环境综合治理工程得到更加有序的推进，并取得了一定成效。