无人机测绘技术在露天矿勘查及生态修复中的应用

刘 欣，陈小歌

（河南测绘职业学院 国土信息与管理系，郑州 454000）

某地区国土资源部门在辖区内矿山普查及生态修复工程项目调研时发现，由于长期开发利用及山体滑坡等自然因素影响，传统测绘法提供的矿区测绘地形图件与当前矿区开发利用范围及周围地形地貌差别较大，导致所在矿区矿产储量计算结果与矿区现状明显不符，且区域内废弃露天矿山区域滑坡、泥石流等地质灾害频发，影响测绘效果。为进一步查实各矿区开采范围内的地形地貌，核准其实际矿区开采范围和位置，为矿区矿产储量动态连续监测及露天矿山矿区综合生态环境整治修复打下良好基础，本文在分析其地形特点的基础上，将无人机测绘技术应用于露天矿区的地形地貌勘查和生态修复，并验证其优势与可靠性，可为将其推广应用于废弃露天矿山和废弃矿区的生态修复等提供参考。

1 任务分析及实施过程

图1 技术流程

1.1 项目特点及任务

某区废弃露天矿山核定的修复治理面积为20.33 hm2，废弃露天矿山9个，由于项目位处典型山区，点多分散、交通不便，区域广而山高林密，测绘难度大，甚至有些点人工无法到达。由于各矿区面积均不是很大，若采用传统人工测绘方法，不仅成本高，成图周期长，且效率低下。

无人机飞行器具有“障碍感知”“智能跟随”“指点飞行”三项创新功能，支持分段飞行，可断点续飞；内置谷歌全球高程模型，航线规划可防止撞山；内置谷歌混合地图，偏远山区也有详细的卫星底图；飞行状态实时信息显示，可全程语音播报；飞行任务具有可视化回放功能，调取飞行记录方便快捷；一键起飞，能低电量自动返航；系统支持正射、倾斜多种作业模式，有专业航线设计与全自动飞行控制功能，能实现高精度的大比例尺应用，并提供DSM、真正射、三维模型等多种测绘成果。

鉴于无人机飞行器具有上述诸多优势，拟采用无人机航拍对辖区内所有露天开采矿山全面开展实地测量，形成电子版地质地形图数据；对不同坐标系之间数据相互转换造成的误差进行修正；对实际范围、位置与其采矿许可证附图标定的坐标位置变动较大的，查找分析原因，找出解决方案，提出相应建议。

1.2 技术路线

为尽可能收集辖区内相关测区的测绘资料，采用“智航线”无人机管家软件模块对各矿区进行航线优化设计；充分利用无人机挂载的多镜头相机，获取矿区当前开采现状影像及POS数据；采用无人机管家自带“智拼图”模块和CCCM（ContextCapture Center Master）数据处理软件，输出正射影像图DOM及OSGB格式实景三维模型；利用清华三维测图软件EPS输出数字线画图（DLG），辅助完成矿区实际开采范围勘界、埋桩等测绘工作。航飞测绘技术路线流程如图1所示。

1.3 实施方案

（1）航线规划

根据露天矿山开采面积、占损情况及影响区域，获取生态修复范围，生成飞行航线如图2。考虑飞行面积和飞行时间，并保证较高的地面分辨率，相对飞行高度为200 m，航向重叠率为80%，旁向重叠率为60%，平均地面分辨率约10 cm。9个点位的总飞行面积约23 hm2，最大面积9.3 hm2，最小面积0.4 hm2。

图2 航线规划

（2）矿区图根控制

通过收集资料得知，无人机航飞作业矿区内具有该地区卫星连续运行参考站系统（CORS），因此，采用网络RTK技术进行图根平面控制测量。在矿区选定稳固的岩石上钻孔、埋设事先准备的十字钉，并印制“测量标志、严禁移动”标识。由网络RTK所测大地高，经转换得到国家1985高程，以此作为作业区内图根点的高程。

（3）矿区像控测量

为满足作业区域精度要求，在测区内同时设置一定数量的像控点及测绘结果精度检查点。采用事前布点方式,所有点均为平高控制点。控制点数据要进行后期校正处理，需多次平滑测量后取均值，使其测量精度小于2 cm。控制点应选择在相对平坦的地面，避开建筑物房角点或高差点，避免因检查点选择不当导致点位判断错误、降低数据精度或作业精度不符合要求。

飞行平台具备五相机独立打标能力及RTK/PPK的融合作业模式，可大大减少控制点的布设。软件通过少量控制点和高精度POS的联合平差，能满足项目对获取高精度数据的特定要求。将RTK仪器连接至某地区的卫星连续运行参考站系统，通过RTK自带的平滑采点功能测定所布设的像控点位置坐标。为确保小于2 cm的点位精度，每组像控点数据均采集3个测次，求取算术平均值，并做好测区的像控点整理工作。

（4）航空飞行及质量控制

无人机作业除了尽量选择光线充足的时间段，还必须严格选择太阳高度角，以确保安全航飞。飞手在地面站要随时关注和了解其飞行姿态、电池电量、速度和航高等各项飞行状态指标，实时监控无人机工作状态。

航飞作业完成后，要求在航飞现场下载其存储的POS数据，并对航摄影像进行初步检查和分析，包括所摄影像的重叠度、弯曲度、旋角、倾角，检查POS数据和图片数是否对应，航飞作业区域影像是否清晰、是否有漏洞等。如果发现下载的数据不满足要求，应及时安排重飞作业。

2 数据处理及结果

使用无人机自带“智理图”数据处理模块，对无人机航飞时获取的差分POS观测数据进行融合差分GPS数据处理，解算得到无人机所挂载的五组相机的高精度POS数据。

采用无人机管家“智拼图”模块，对倾斜数据进行高精度POS的空中三角测量。设置航摄影像照片和无人机航飞POS数据的一一对应关系，并对拍摄的每张影像进行地物和地貌特征点检测与匹配。将导出的XML格式空三文件导入CC（ContextCapture）软件中，加入控制点，将控制点与空三网联合平差。在空三数据解算处理完成后，进行自动化建模作业[1]。

2.1 实景三维模型生产

CC软件经过格网切块、构建TIN网白模、自动纹理映射等作业后，制作出所飞矿区的三维高精度实景模型。生成的三维模型，要求纹理清晰，以确保后期测图软件点位数据采集的准确性[2-3]。然后，使用所布设的检查点对三维模型的精度进行检查。如果精度检查合格，则进行下一步作业，否则分析、查找原因，直至模型精度合格。实景三维模型展示如图3所示。

图3 实景三维模型展示

2.2 数字正射影像图制作

采用无人机管家“智拼图”模块生成数字正射影像如图4。影像图应清晰，影像相邻片之间应尽量保持反差不大，色调均匀。如发现色调差别较大，应予以调整。保持色调最小密度不小于0.4，最大密度在1.4～1.8，且注意影像不能留下处理痕迹，确保影像在屏幕显示时具有良好的视觉效果[4-5]。

图4 项目区正射影像

2.3 全数字摄影测图

使用清华三维EPS测图软件进行测图作业。将制作完成的航飞作业区域实景三维模型导入清华三维测图软件，根据具体技术规范要求对要素赋予属性信息，对点、线、面等矢量信息进行绘制编辑，并制作工程文件。输出DLG图后，使用网络RTK，通过实测检查点方式对输出结果进行精度检核，对照结果如表1所示。

表1 精度检核对照结果 m

3 矿区开采范围核查

如图5所示，某矿山边界一角，如果采用传统测绘方法，需要先外业现场测绘，再内业编辑成图，不仅交通不便难以到达，且会面临一定危险，还需承担较高的人工成本和时间成本[6-7]。

图5 矿山开采边界

但是，如果将实景三维模型导入EPS软件，采集矿山实际开采范围边界线，再导入采矿证、采矿权边界线，可检查项目作业矿区当前实际开采范围是否超越划定边界线或发生偏位。图6显示，与传统的平面图叠加分析相比，三维实景模型不仅提高了输出结果的作业效率，且视觉效果更为直观，其结果可为国土资源管理部门正确决策提供有效的数据基础。

图6 矿山开采范围示意

4 结论与展望

（1）项目位处典型山区，露天矿山的实际情况差异较大，传统人工勘查难度较大。利用无人机航拍摄影技术，降低了勘查成本，大大提高了效率，且获取的高分辨率影像数据更能直观反映项目区的真实现状。

（2）使用无人机测绘技术能方便快捷地探查矿区开采范围内的地质灾害、土地损毁及地貌破坏现状。通过核查矿山图斑数据，可调整露天矿山生态修复范围和面积。

（3）将无人机测绘与传统测绘相结合，两种手段互为补充，相互印证，既丰富了测绘技术，使测绘手段多元化，也提高了测绘精度。生态修复勘查和设计在高质量的影像结果中布局和作业，不仅直观简明，而且便于沟通交流。

（4）矿山修复生态项目可考虑和地质灾害治理、工矿企业废弃土地治理、乡村振兴战略实施、山水林田湖草生态修复工程、生态移民搬迁等相结合。开展土地综合整治，无人机测绘具有广阔的应用前景。

（5）无人机管家系统充分实现了外业与内业的有效衔接，高效快捷输出影像和数据结果，全过程服务于生产实践，可满足多行业的应用需求，值得宣传和推广。