无人机摄影技术在绿色矿山建设中的应用研究

康 锋，李连苹

(河南省航空物探遥感中心，河南 郑州 450053)

近年来，由于无序开采和非法开采造成的地质灾害和环境破坏越来越多。一个有效合理的开采计划和监管对保护矿产资源和生态恢复具有重要意义。三维可视化技术和地理空间信息分析技术是实现采矿活动直观呈现、定量评价和生产监测的关键手段。因此，近年来国内一些学者利用新的地理空间信息采集技术，结合大数据、 Internet 技术，建立了真实的矿区三维模型，辅助智能绿色矿山建设决策。虽然现有的方法在建立真实的矿区三维模型方面取得了很大的突破和发展，但如何将真实的矿区模型与矿山设计和生态恢复管理方案相结合，更真实、准确地反映矿山开采和生态恢复后的状况，对规划方案进行可靠的评价仍然是一个难题[1]。本文以无人机倾斜摄影为基础，在三维GIS平台上进行二次开发，实现了绿色矿山建设的真实场景，完成绿色矿山建设的三维模型与采矿、生态恢复规划方案的集成。实景与设计的结合使规划方案的三维定量评价成为可能，并使辅助方案的评价和决策最优化。

1 绿色矿山建设背景

根据《部委实施意见》，国家相关部门联合发布关于加快绿色矿山建设的报告(国土资源部第1994号)，此外还有《绿色矿山建设规范》 (DZ/T 0317—2018)、《煤炭工业绿色矿山建设规范》 (DZ/T 0315—2018)等规范和自然资源部发布的绿色矿山建设规范[2]。

绿色矿山建设评价指标包括矿山环境特征、开发利用方式、资源集约经济利用、矿山建设现代化、矿业产业和谐、企业文化形象等多个因素，其中煤矿山的绿色建设的部分指标：①总体要求。矿区布局合理，有标志、标志牌等，规格统一，清晰美观，矿区生产生活有序、规范。②矿区环境。完全关闭对生产、运输、仓储、地面的管理；雨、污水分离，“三废”标准化排放；绿色覆盖率，高达绿色覆盖面积的100%。③开发利用模式。选择资源生态服务、环保的开采模式；在中部和东部地区，原则上采用条带或回填采矿，不需要出井；煤矸石等固体废弃物的适当处置率应达到100%。履行矿山地质环境的恢复、治理和土地复垦的义务。另外，绿色矿山应当是持有有效采矿许可证的独立矿山。近3年来，该矿没有受到自然资源和生态环境相关部门的行政处罚，采矿权所有人也没有被列入异常清单。新矿通常至少生产1年，矿山剩余开采年限不得少于5年，且运行正常。

对于绿色矿山建设信息化技术要求，尤其是数字矿山建设方面。每个煤矿企业应当实现生产技术和技术设备现代化，煤矿开采自动化，生产管理信息化，建立工业院校科技创新平台。

2 绿色矿山建设遥感监测内容

根据国家有关通知和规范，绿色矿山应当是矿区环境、资源开发模式、资源综合利用、节能减排、 科技创新与信息化、企业管理和企业形象6个方面的产业龙头[3]。比较不同类型绿色矿山的建设要求，根据遥感技术在自然资源调查监测工作中的应用现状，建议对煤矿方面的绿色矿山的获取条件、矿山的外观特征、生态环境保护、节能减排、矿产和谐等方面的选矿条件和合格条件进行遥感调查和监测，为绿色矿山的选矿和监测提供技术支持，见表1[4]。

表1 绿色矿山无人机遥感摄影主要监测因素Tab.1 Main monitoring factors of UAV remote sensing photography in green mine

3 应用分析

3.1 应用流程

微波遥感技术和高光谱遥感技术尚未形成应用技术体系，不能满足矿山监测工作的实际需要。利用国产高分辨率遥感数据作为主要数据源[5]，辅以无人机遥感数据，进行目视判读和人机交互判读。对无人机进行合理的选型，满足工业使用的需要，利用倾斜摄影技术扩大对于矿山的扫描范围。无人机倾斜摄影技术被用来收集倾斜的图像：①建立当前采矿场景的三维模型。②基于ArcGIS软件，将采矿设计方案从二维多边形线条转换为三维曲面。③将真实场景模型和3D采矿设计导入到3DGIS软件Skyline中。通过二次开发，将三维开采设计与真实场景模型结合起来，可以直接反映矿区在开采阶段和开采结束时的景观变化。④根据恢复和管理计划安排三维重新绿化景观。流程如图1所示。

3.2 无人机摄影测量技术

根据无人机倾斜摄影测量的相关技术标准及有关文献，本次对航线设计、飞行质量及摄影质量要求、航摄时间选择、坐标系统、航摄精度、影像接边、影像成果质量等按以下相关要求执行，均符合以下倾斜摄影测量基本要求[6]。 无人机摄影系统的电控组件如图2所示。

(1)航线设计。①航线飞行方向无固定要求，一般为东—西向，若地形条件限制则根据地形走向，也可为任意方向或者南—北向；②航线一般按图幅中心线设计。

图1 无人机倾斜摄影流程Fig.1 UAV tilt photography process

图2 无人机摄影系统的电控组件Fig.2 Electronic control components of UAV camera system

(2)飞行质量及摄影质量要求。①图像重叠度。正射影像航向重叠60%～80%，最小53%，旁向重叠15%～60%，最小8%；倾斜摄影航向重叠大于75%，旁向重叠大于65%。重叠度根据地物特征及地物分布适当调整，本实验航向重叠度为85%以上。 ②像片倾斜度。像片倾斜角不大于2°，个别最大4°。 ③像片旋偏角。旋偏角一般不超过10°，最大不超过12°；在航摄区内达到或接近最大旋偏角的像片不得连续超过3张。 ④航线的弯曲度。航线的弯曲度不得大于3%。 ⑤航高。如果选用的摄影镜头一定，其航高与影像的地面分辨率的关系为航高越高。⑥摄区、分区覆盖要求。航向覆盖超出摄区边界线不少于1条基线。旁向覆盖超出摄区边界线一般不少于像幅的50%，最少不少于像幅的30%；按图幅中心线设计航线时，旁向覆盖超出摄区边界线最少不得少于像幅的12%。

3.3 建立真实场景挖掘模型

挖掘真实场景模型是三维挖掘设计和再绿色规划的基础数据。本文采用无人机倾斜摄影技术，采集多视点倾斜图像(图3)，建立当前矿山的三维模型。获得了大约9 km2的真实3D模型，精度为8 cm(图4)。

图3 无人机像点布控示意Fig.3 Schematic diagram of image point deployment of UAV

图4 无人机摄像3D模型示意Fig.4 Schematic diagram of 3D model of drone camera

生成3D模型图之后，要将模型与设计模型进行集成。由于原始采矿模型是二维多线数据(图5)，而采矿模型是三维数据，为了实现采矿设计模型与现有实际三维模型的精确集成，使现有实际模型的变化与采矿设计模型一致，必须将采矿设计模型从二维转换为三维。矿山的原始采矿设计通常以AutoCAD数据格式表示[7]。本文利用ArcGIS技术，将只包含平面位置和高程信息的原始采矿设计转化为采矿平台和边坡的三维采矿设计，与实际采矿情况相吻合。

从二维转化为三维后，基于天际线软件平台进行二次开发，根据三维采矿设计模型对现有采矿模型进行编辑，使采矿设计能够在采矿模型上准确地表现出来，并能直观地呈现采矿过程和采矿结束时的景观，计算出各采矿阶段的采矿量[8]，为矿山绿色恢复规划提供空间信息参考，采矿边界如图6所示。结合变换后的三维采矿设计和地形修改程序，得到了与采矿设计一致的最终采矿三维模型。

图5 二维转三维地形示意Fig.5 2D to 3D terrain schematic

图6 煤矿山采矿边界线的识别Fig.6 Identification of mining boundary line in coal mine

4 无人机摄像图像特征因素分析

4.1 数据准备

数据准备阶段包括遥感基础图制作、信息抽取、现场验证、解释数据质量检查等步骤。 无人机摄像图是初步筛选矿井每年监测绿色发展的基础。选择适当的数据进行遥感基地的生产地图。露天矿山的选择和监测可以使用空间分辨率在2.5 m以上的遥感数据，因为矿山地面物体总面积过100 m2。地下矿山的选择和监测应当使用空间分辨率在1.0 m以上的遥感数据，因为它需要识别地面物体，平面坐标感基图系统采用2000年中国大地坐标系，高程系统采用 1985 年国家高程基准[9]。

图像应保持原始图像数据的最佳分辨率。信息抽取、现场验证和解释资料质量检查，按照 《矿山勘探遥感监测条例》。在图像上清楚标记和识别的信息不需要现场验证，但是需要对煤矿开采地面上的有效特征进行辨识，常见的地面标识包括采场、工业广场、固体废弃物、复绿复垦区、主干道硬化区、排水沟、沉淀池、拦挡坝等，如图7所示，需要将标志转化成为无人机图像能够识别的语言尤为重要。

图7 矿山开采典型识别标志示意Fig.7 Typical identification signs for mining

4.2 评估指标和监测因素比较

以 ArcGIS 软件为基础，建立了“绿色矿山遥感监测信息系统”，对候选矿山和绿色矿山遥感基础图的测量监测信息和相关管理信息(如采矿权信息、自然保护区信息等)进行统一管理。在此基础上，对候选矿山和绿色矿山(或称为监测因子)的评估指标进行初步比较或识别[10]。

(1)准入条件因素的比较。准入条件可以监测独立矿山是否有效，矿山是否正常生产，以及在三年内是否有非法采矿行为[11]。以山西某矿山为例(图8)，露天矿坑在矿权范围内均匀分布，矿址、煤矸石山、矿山建设等齐全，北侧的矿坑道路和矸石山已投入使用，可满足绿色矿山的进出和年检条件。

(2)矿山外观和特征因素的比较。根据矿山的外观和特点，监测矿区功能区是否划定，是否有未经许可的施工，是否有绿化面积。以湖南某煤矿为例(图9)，生产井、巷圈、选煤场和煤矸石堆有序堆放，确定了矿区功能分区，采煤塌陷区已恢复治理或正在恢复治理，满足了绿色煤矿形貌特征的选择条件或年检条件。

(3)生态环境保护因子的比较。可以对生态环境保护进行监测:矿区道路的内侧是否可以加固，外侧是否可以种植边境树木，固体废物是否有恢复治理的措施，以及以前的非法土地是否已恢复治理。以湖南省某铅锌矿为例(图10)，该矿尾矿库已覆盖土壤，恢复了绿色，植被生长与周围环境基本协调，固体废弃物堆顶部部分覆盖土壤和草地，边缘部分恢复，通矿公路内部经现场验证硬化，基本达到了绿色矿山生态环境保护的条件。

图8 山西某矿山的摄影识别情况Fig.8 Photographic identification of a mine in Shanxi

图9 煤矿无人机摄影识别示意Fig.9 Schematic diagram of photographic identification of coal mine UAV

图10 对象矿山地物信息提取结果Fig.10 Extraction results of object mining feature information

(4)节能减排因素的比较。能源节约和减排可以监测矿山废水是否达到排放标准(矿区周围的水体没有被污染)以及贫瘠的岩石是否被利用。以图10为例，尾矿库废水积累正常，地表无异常水流，低洼地区无异常植被，尾矿库下游地表无渗漏，矿山废水排放无异常，可满足矿山节能减排的条件。

(5)矿业产业和谐因素的比较。矿山地质灾害是否危及基本农田、建筑物建设和重要交通设施，是否存在居民区水体水色、水质异常等问题，可以监测矿产资源的和谐性。以湖南省某煤矿为例(图9)，西北地区经过多年治理植被已恢复的采空塌陷区，对矿区建设和重要交通设施基本没有影响，流经矿区的水系水色没有变化，基本能够满足绿色矿区矿产资源协调发展的条件。

5 结语

建设绿色矿山是促进自然资源集约经济利用的有效途径。通过对绿色矿山建设要求和评价指标的综合分析，绿色矿山遥感监测的主要内容应包括以下指标:矿山当年是否继续开采，矿山近年来是否有非法开采行为，矿山环境是否清洁，固体废弃物是否得到妥善处置，废水排放是否符合标准，应恢复治理的矿区是否得到治理，贫瘠岩石是否达到资源利用。

通过对研究对象矿山的监测试验结果表明，并非所有的评价指标值都可以通过无人机遥感摄影获得，但是，无人机遥感摄影遥感技术可以用于监测绿色矿山的获取条件、矿山的外观特征、生态环境保护、节能减排、矿产资源和谐等方面的选矿条件和合格条件，为绿色矿山的选矿和监督提供技术支持。同时本文建议在绿色矿山监测工作中加强微波遥感技术和高光谱遥感技术的应用，进一步确定采空区沉降范围和环境污染面积，为绿色矿山监测评价提供坚实的技术支持。