无人机在露天矿开采监管中的应用研究∗

张 航,卢小平,郝 波,王如意

(河南理工大学 矿山空间信息技术国家测绘地理信息局重点实验室, 河南 焦作市 454003)

0 引 言

露天矿山资源的非法开采不仅浪费了自然资源,而且对自然环境造成了破坏,导致土地荒漠化、水土流失,甚至诱发地质灾害。近年来,国土、环保等部门加大了对露天矿山资源开采的监管力度[1-3]。但由于许多露天矿山所处位置较为偏僻且地形复杂,监管难度较大,监管效率低,因此迫切需要探寻更为有效的监管方式,实现矿山开发秩序的良性发展。

传统的监管方式需要执法人员到达执法现场进行拍照取证,不仅耗费人力物力,还有可能引起执法冲突。并且由于交通等其他因素,部分违法开采区域执法人员很难到达。而无人机技术的发展为上述难题提供了新的解决思路,无人机低空遥感具有操作简单、机动灵活、成本低、效率高等优点,而且空间分辨率高,可以进行多角度拍摄,尤其适应于地形复杂露天矿山的监管监控。同时,对于某些需要进行快速精确监测的特定区域,无人机能够及时准确地进行动态监测[4]。

近年来,无人机低空摄影测量技术快速发展,已经在基础测绘、矿山监管、工程测量、地籍测绘等领域得到广泛应用[5]。利用无人机低空遥感得到的影像数据,不仅可以获取监管区域的数字正射影像图(DOM),还可以制作三维景观模型,从而为矿山非法开采执法取证提供了可靠的数据支持。

1 研究方法

1．1 无人机平台

无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)是自带飞行控制系统和导航定位系统的无人驾驶飞行器,广义上为不需要驾驶员登机驾驶的、通过无线遥控或规划航线飞行的各式飞行器[6]。

在县级监管部门中,由于采用专业航测无人机会受到人员和经费的限制,对矿区进行高频率的飞行监测不太现实。所以本文采用的无人机为大疆PHANTOM 4 PRO,此无人机为消费级无人机,且操作简单,无需专业人员进行操控,其相关参数如表1所示。

表1 无人机相机参数

1．2 技术路线

为了实现矿区监测的任务,整个过程需要解决以下3个方面的问题:

(1)航拍视频的预处理:对无人机航拍得到的视频影像进行关键帧的提取,为建立地面三维景观模型和DOM的生成提供数据源,并剔除因航飞时飞行平台抖动而产生的过于模糊的关键帧影像,提高三维建模和DOM的精度和质量。

(2)影像匹配与三维建模:需要对提取出的关键帧影像进行特征点的提取,并基于提取的特征点进行影像的匹配,进而完成三维建模的过程。

(3)数据的对比分析:将无人机航拍影像处理后得到的DOM与Google Earth遥感卫星影像数据对比分析得到变化区域,从而为判定矿区是否存在违法开采行为提供依据。

具体实施的技术流程如图1所示。

图1 技术流程

2 实验与分析

2．1 测区概况

本次监测于2017年11月16日在鄂尔多斯某矿区进行。测区南北长约0．35 km,东西宽约0．34 km,测区面积约0．12 km2。测区内有简易工棚、道路、车辆、煤场、树木等建(构)筑物和其它人工设施。当天天气晴朗,风力小于4级。飞行区域地势起伏较大,侧风飞行。

2．2 外业航飞技术流程

在Google Earth中查找所要监测的区域,如图2所示,对监测区域的概貌有大致的了解,并通过框选区域的方法得出测区最低海拔和最高海拔近似分别为1256 m和1352 m,从而得出该地区高差大致为96 m,为航高设置提供了参考依据。

无人机飞到指定的高度后,采用Z字形对所飞的区域进行视频采集,如图3所示。时实图传的视频既可以及时了解矿区的作业情况,也可以避免因手动拍照而发生的漏帧情况,为后期地表三维景观建模和DOM的生成提供可靠的数据源。

图2 航拍区域卫星影像

图3 航拍路线

2．3 内业处理技术流程

本次监测得到的原始数据为视频数据,而建立地表三维景观模型和DOM所需要的数据为带有一定重叠度的影像数据,由于视频是由按照时间顺序排列的一帧帧影像构成,根据本次无人机飞行的特点,采用基于采样的关键帧提取算法(SKF),该算法等时间差从视频中抽取关键帧,按3 s每帧的间隔抽取关键帧,一共抽取173张影像,抽取的部分关键帧影像如图4所示。

传统的空间位置坐标测量是利用空间后方交汇,但这种方法需要知道相机的方位和控制点的坐标。而SFM算法,即运动恢复结构算法,是指从多幅不同角度的图像序列中匹配点,并根据匹配点计算出对应的三维点位置和图像相机参数,利用非线性最小二乘法进行不断优化的过程,SFM与传统摄影测量的区别是,其不需要上述已知条件,对影像姿态要求低,并且匹配效果好,在图像三维重建领域得到了广泛应用[7-9]。

本次实验采用的建模软件为Agisoft Photoscan Profession,此软件为一款基于影像数据生成三维模型的专业软件,此软件通过影像匹配技术来寻找不同影像间的公共点,自动解算与匹配公共点在影像中空间坐标位置,利用内置的SFM算法来进行三维场景重建。地表三维模型建模在Agisoft Photoscan Profession中的操作步骤如下:

图4 抽取的部分关键帧影像

(1)把提取出的关键帧图片导入Agisoft Photoscan Profession,并对照片质量进行评价,如图5所示,在保证重叠度的条件下,将质量小于0．8的照片删除掉。

图5 照片质量评价

(2)进行影像的匹配,在本过程中,Agisoft Photoscan Profession将基于SFM算法完成影像数据的三维解算,并生成相应的连接点,如图6所示。

图6 连接点示意

(3)进行生成网格处理,处理完成后,生成测区光滑曲面,如图7所示。

(4)生成纹理操作,如果只进行生成网格处理,所生成的地表模型会比较模糊。进行生成纹理操作后,整个地表模型会表现出清晰的纹理信息,如图8所示。

图7 光滑曲面图

图8 生成的纹理信息

(5)生成瓦片模型,对生成的模型进分区和按金字塔等级存储,完成三维建模的整个过程,并导出正射影像,如图9所示。

图9 矿区正射影像

2．4 数据对比分析

Google Earth是谷歌公司开发的一款虚拟地球软件,是现行阶段数据最为完善的网络遥感数据集,可以浏览历史卫星影像[10]。将从Google Earth上下载的卫星影像数据(见图2)与无人机飞行处理获取的正射影像(见图9)进行对比,可知整个矿区的变化还是比较明显的,监测区域西北部原来是没有工棚的,而现在工棚数量明显增多,如图10所示。南部工棚区域周边聚集大量的作业车辆,如图11所示,疑似矿区开采仍有活动迹象。

图10 变化区域

图11 疑似作业车辆

3 结 语

无人机技术的快速发展为监管露天矿山资源的非法开采提供了极大便利,通过对无人机数据处理获取露天矿山监管所需的高分辨率的DOM数据和地表三维景观模型数据,能够直观地看到整个监测区域的范围、地形概况,通过对比无人机拍摄的高分辨率的正射影像和Google Earth卫星影像,辅以矿区地表三维景观模型成果,执法者能够直观清楚地观察露天煤矿的开采情况,方便管理者制定相应的措施以减少违法开采行为。