肖 武，胡振琪，張建勇，趙艷玲,楊 坤(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所，北京 100083)

綠色礦業(yè)

無人機遙感在礦區(qū)監(jiān)測與土地復(fù)墾中的應(yīng)用前景

肖 武，胡振琪，張建勇，趙艷玲,楊 坤
(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所，北京 100083)

無人機遙感技術(shù)具有成本低、重訪周期短、快速高效、質(zhì)輕靈活、操作簡便、獲取影像的時空精度高等諸多的特點，成為近幾年研究熱點，并已在國土資源調(diào)查、農(nóng)林生長監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和災(zāi)害調(diào)查評估方面獲得廣泛應(yīng)用，顯示出其靈活、快速、高時空分辨率的優(yōu)勢。本文分析了目前無人機遙感技術(shù)在各領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀，針對礦區(qū)這一特殊對象，在剖析我國典型礦區(qū)的面積、監(jiān)測對象、監(jiān)測指標的基礎(chǔ)上，從搭載平臺、傳感器選擇、監(jiān)測參數(shù)設(shè)置等方面進行了具體分析，并構(gòu)建了礦區(qū)無人機遙感監(jiān)測與土地復(fù)墾的應(yīng)用框架體系，認為無人機遙感技術(shù)可用于礦區(qū)基礎(chǔ)信息普查、地質(zhì)災(zāi)害與污染等敏感風(fēng)險源信息獲取與監(jiān)測，礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)重建規(guī)劃與設(shè)計、復(fù)墾驗收與復(fù)墾后效果監(jiān)測與評價等多個方面，將成為未來礦區(qū)監(jiān)測與土地復(fù)墾重要的應(yīng)用技術(shù)手段。

無人機；遙感；礦區(qū)監(jiān)測；土地復(fù)墾

遙感技術(shù)在大尺度生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢，特別是近些年來越來越高時空分辨率影像數(shù)據(jù)的涌現(xiàn)，在很大程度上滿足了科學(xué)研究與實踐，但對于礦區(qū)這樣的特定對象，其范圍相對較小且具有更高時間分辨率需求的監(jiān)測仍難以滿足。隨著微小型飛行器平臺與輕便型傳感器的發(fā)展與進步，無人機遙感(unmanned aerial vehicle remote sensing, UAVRS)得到快速發(fā)展，UAVRS集成了無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、通訊傳輸技術(shù)、GPS定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)，為遙感技術(shù)提供了全新的觀測平臺，具有自動化、智能化、專題化快速獲取資源與環(huán)境等的空間遙感信息，完成遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應(yīng)用分析的應(yīng)用技術(shù)[1]。由于無人機平臺具有成本費用低、重訪周期短、快速高效、質(zhì)輕靈活、操作簡便、獲取影像的時空精度高等諸多的特點，集成了能滿足各類需求的遙感傳感器，以及配備許多處理功能的軟件，形成完備的無人機遙感技術(shù)系統(tǒng)，成為小區(qū)域尺度的野外實地調(diào)查的可靠技術(shù)手段。當(dāng)前，成熟的無人機平臺主要包括旋翼與固定翼兩種搭載方式，如：瑞士eBee固定翼[2]、德國MAVinci-SiriusI固定翼[3]、中國測繪科學(xué)研究院UAVRS系列固定翼[4]、德國的Flightcopter.TV旋翼機[5]、中國大疆Phantom和inspire系列旋翼機[6]等。隨著無人機遙感技術(shù)的成熟化、成本低廉化，諸多學(xué)者已經(jīng)在非礦區(qū)的精準農(nóng)業(yè)[7-10]、林業(yè)監(jiān)測[11-14]、測繪制圖[15-16]、地質(zhì)災(zāi)害診斷[17-20]、生態(tài)監(jiān)測[21-22]等方面進行了多種尺度和多平臺的嘗試，并得到了成功應(yīng)用和理想的效果。但在礦區(qū)監(jiān)測與土地復(fù)墾方面，部分學(xué)者開展了探索性的研究，如：煤礦區(qū)無人機村莊分布監(jiān)測[23]、大型露天礦的土石方和邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測[24]等；國外也多針對礦區(qū)不穩(wěn)定邊坡監(jiān)測[25]，露天采場地形圖測繪等方面[26]進行了部分研究。但是總體而言，無人機遙感技術(shù)在礦區(qū)的應(yīng)用處于起步階段，還有大量實踐檢驗和拓展應(yīng)用有待進一步研究。

礦產(chǎn)資源的開發(fā)不可避免地造成礦區(qū)土地利用與環(huán)境的動態(tài)變化，進而導(dǎo)致一系列的土地損毀、生態(tài)惡化、社會矛盾突出等問題。各類礦產(chǎn)資源由于其賦存條件與地域自然條件差異等原因，造成損毀形式多樣復(fù)雜、空間分布雜亂無序、需要監(jiān)測的指標繁多等問題。因此，有別于常規(guī)的區(qū)域性遙感監(jiān)測，礦區(qū)作為一個具有多種復(fù)雜擾動信息的特殊區(qū)域，具有其監(jiān)測需求的特殊性。此外，由于礦區(qū)的開采活動對土地與生態(tài)的影響屬于持久型、累進型，因此對其進行監(jiān)測不是對應(yīng)時間“點”，而是時間“軸”上的持續(xù)觀測與分析評價，如何動態(tài)的獲取礦區(qū)在不同階段的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)，將更加有效地指導(dǎo)礦區(qū)的土地復(fù)墾、生態(tài)環(huán)境保護與生態(tài)風(fēng)險防范，促進資源開發(fā)與環(huán)境保護的協(xié)調(diào)發(fā)展。

本文在分析無人機遙感在國土資源調(diào)查、農(nóng)林生長監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)害調(diào)查評估應(yīng)用的基礎(chǔ)上，基于我國典型礦山損毀特點、監(jiān)測對象、監(jiān)測指標剖析的基礎(chǔ)上，從搭載平臺、傳感器選擇、監(jiān)測參數(shù)等方面進行了具體分析，構(gòu)建了礦區(qū)無人機遙感監(jiān)測與土地復(fù)墾的應(yīng)用框架體系，以期為無人機遙感在礦區(qū)的應(yīng)用與推廣提供借鑒與參考。

1 無人機遙感應(yīng)用的現(xiàn)狀分析

隨著無人機平臺不斷豐富多樣化，以及遙感傳感器的高度集成、質(zhì)量輕化，使得各種無人機平臺與遙感傳感器的結(jié)合成為可能，促使科學(xué)研究和實踐工作更多地嘗試和使用此項技術(shù)。當(dāng)前，無人機遙感技術(shù)已被用于諸多領(lǐng)域，主要包括國土資源調(diào)查、農(nóng)林生長監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)害調(diào)查評估等方面。

1.1 國土資源調(diào)查

在土地利用分類與動態(tài)變化方面，國土部門和相關(guān)科研機構(gòu)與公司利用UAV搭載輕便型高分辨率數(shù)碼相機對一些縣市開展了土地資源調(diào)查，選用面向?qū)ο蟮亩喑叨确指钣跋穹诸惙椒?，根?jù)地物特征的形狀、紋理等信息確定提取規(guī)則，實現(xiàn)土地利用信息的快速提取，并制作區(qū)域土地利用類型遙感圖，大部分地物識別與土地分類精度達到90%以上[15]。在土地利用動態(tài)變化方面，通過外業(yè)控制測量和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程，對內(nèi)蒙古東勝以及汶川地震影響山區(qū)[27]土地利用動態(tài)變化的提取，并分析了土地利用信息動態(tài)變化及原因。目前，利用UAVRS生產(chǎn)的測繪4D產(chǎn)品，已經(jīng)形成了成熟的流程和標準。國外也有學(xué)者研究基于紋理信息和多分割尺度的面向?qū)ο蠓椒╗28]與ANN分類方法[29]，解譯得到亞分米級分辨率與無人機影像的分類結(jié)果。通過對無人機影像測圖定位精度進行了研究，表明依據(jù)無人機影像經(jīng)過幾何校正和拼接后得到的正射影像圖具有很高的平面位置精度[30-31]，能夠極大地滿足高精度土地利用分類與動態(tài)變化的需求。

此外，UAVRS也開始逐漸應(yīng)用于土地確權(quán)[32-33]與土地整治竣工驗收[34]，非法建設(shè)用地監(jiān)測與執(zhí)法，將無人機遙感影像通過自動判別和人工輔助的方式，識別到多種類型的非正常建設(shè)用地，提高了政務(wù)工作效率[35]。國外也有學(xué)者借用無人機方法分析了土方工程應(yīng)用的誤差分析，并結(jié)合垃圾填埋場、公路建設(shè)和高速鐵路建設(shè)的土方工程量進行測算[36]。

1.2 農(nóng)林生長監(jiān)測

從傳感器搭載方面，多光譜、高光譜、熱紅外等都廣泛的應(yīng)用于農(nóng)作物分布信息獲取、農(nóng)作物快速分類、生長趨勢等農(nóng)情監(jiān)測方面。利用無人機搭載多光譜載荷觀測系統(tǒng)，可實現(xiàn)低空無人機遙感快速監(jiān)測大面積農(nóng)作物的覆蓋度變化。利用無人機搭載可見光系統(tǒng)，基于色彩特征和基于灰度共生矩陣的紅、綠、藍色均值紋理特征提取倒伏玉米面積[8]，搭載熱紅外反演農(nóng)作物缺水指數(shù)[37]、多傳感器移動制圖系統(tǒng)可進行獨株樹高的測量[38]。

在植被指數(shù)定量反演方面，多位學(xué)者采用可見光相機中RGB色域的顏色指數(shù)，借鑒歸一化植被指數(shù)NDVI的構(gòu)造原理及形式，提出了可見光波段差異植被指數(shù)VDVI，驗證了其快速植被指數(shù)提取與植被覆蓋度監(jiān)測的可行性[39]。國外也有學(xué)者利用旋翼無人機實現(xiàn)了洋蔥郁閉度的無損測量，并建模分析了郁閉度與葉面積指數(shù)之間的關(guān)系[40]。在多種傳感器聯(lián)合應(yīng)用方面，高林等設(shè)計以多旋翼無人機為平臺同步搭載數(shù)碼相機和多光譜傳感器組成的無人機農(nóng)情監(jiān)測系統(tǒng)，分別獲取大豆結(jié)莢期和鼓粒期的遙感影像，結(jié)合田間同步實測葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)，采用經(jīng)驗?zāi)Ｐ头ǚ謩e構(gòu)建了單變量和多變量LAI反演模型，成為指導(dǎo)精準農(nóng)業(yè)研究的一種新方法[41]。楊貴軍等[10]基于多旋翼無人機平臺，并集成高清數(shù)碼相機、多光譜儀、熱像儀等多載荷傳感器，提出一套農(nóng)業(yè)多載荷無人機遙感輔助小麥育種信息獲取系統(tǒng)，能夠高通量獲取作物倒伏面積、葉面積指數(shù)、產(chǎn)量及冠層溫度等育種關(guān)鍵表型參量。

1.3 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測

在水土氣的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方面，河流水系與海岸變化的精細監(jiān)測一直是研究的重點，將UAVRS應(yīng)用到海岸線的提取[42]，與衛(wèi)星資料結(jié)合完成區(qū)域流域的生態(tài)健康評價[43]；或者采用多個載荷傳感器搭載于無人機之上獲取更多空間信息，將攝影測量和激光測距雷技術(shù)實現(xiàn)河流彎道處厘米級制圖與侵蝕分析[44]，將可見光、熱紅外數(shù)據(jù)結(jié)合實地資料實現(xiàn)南水北調(diào)水源地污染調(diào)查[21]。UAVRS為氣體探測提供極大便利，國內(nèi)外學(xué)者通過搭載相關(guān)的傳感器實現(xiàn)高精度的氣體(二氧化碳、水蒸氣、甲烷[45]和PM2.5濃度[46])分布制圖與成因探析。

工程環(huán)境監(jiān)測與驗收方面，近年來的研究主要集中在積極探索UAVRS在道路、水利和礦產(chǎn)等大型生產(chǎn)建設(shè)項目的生態(tài)環(huán)境影響評價[47]，諸如新建鐵路的水土保持監(jiān)測[48]，建立相應(yīng)的分類與制圖標準與系統(tǒng)[49]，提取風(fēng)電類建設(shè)的環(huán)境敏感目標[50]等。這些都表現(xiàn)出及時、準確、全面地獲取工程進展和環(huán)境變化，節(jié)約時間且效果良好，推廣應(yīng)用潛力大。

1.4 災(zāi)害調(diào)查評估

在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查方面，滑坡體、堰塞湖、洪水災(zāi)害、地震、氣象災(zāi)害、路橋病害等是常見的災(zāi)害，嚴重威脅到人類生存空間的安全。UAVRS以革命性的變革展開類型多樣的研究工作，基于其快速地提供災(zāi)情信息，實現(xiàn)高效地預(yù)處理、智能分析與決策，為災(zāi)害評估與救援提供有力保障。國內(nèi)外學(xué)者致力于快速建立大型滑坡體的精細的高空間分辨率模型[51]、自動提取高精度的滑坡體構(gòu)造特征與分布形態(tài)[52]、高效地分析滑坡體的地表位移與裂紋信息[53]；探索了復(fù)雜地質(zhì)氣象條件下堰塞湖的災(zāi)情評估和損失評價[54]；實現(xiàn)高精度提取城市區(qū)洪水淹沒區(qū)[55]；快速實現(xiàn)地震災(zāi)區(qū)的SIFT影像匹配[56]、三維可視化影像管理[57]等；此外，有學(xué)者將UAVRS應(yīng)用到橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測與維護[58]、未鋪砌道路表面病害探測[59]。礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查嘗試GIS與UAVRS結(jié)合，針對廢棄礦山綜合調(diào)查與客觀評價地質(zhì)災(zāi)害空間分布[60]。在此方面國內(nèi)外的研究并不是特別多，而礦區(qū)也是地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)域，突發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害往往造成嚴重的人生財產(chǎn)損失，因此針對礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害特征的無人機遙感監(jiān)測很有必要展開。

2 無人機用于礦區(qū)監(jiān)測與土地復(fù)墾前景分析

通過上文分析，不難看出無人機遙感技術(shù)由于其在數(shù)據(jù)獲取、時效、成本方面的優(yōu)勢已經(jīng)在各行各業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，而礦區(qū)作為一個劇烈擾動實時變化的特殊對象，具有監(jiān)測對象與指標多，監(jiān)測時效性高等多種現(xiàn)實需求，無人機遙感無疑能發(fā)揮很好的作用。無人機遙感技術(shù)主要適用面積約100～10萬m2，相應(yīng)的誤差范圍約為2～20 cm[36]，通過比較我國典型礦山主要監(jiān)測對象及指標(表1)，可以看出無人機遙感在礦區(qū)監(jiān)測與土地復(fù)墾方面有巨大的潛力。但目前無人機遙感在礦區(qū)的應(yīng)用尚處于起步階段，關(guān)于礦區(qū)無人機遙感的相關(guān)研究相對較少，且研究主要集中于礦區(qū)各類采礦設(shè)施與土地利用情況分類與監(jiān)測[61-62]，礦區(qū)地?zé)豳Y源分布調(diào)查[63]，非法與越界開采識別[64-65]，露天礦工程量(采剝量、堆放量等)計算[22]等幾個方面。對照前文中無人機遙感在國土資源調(diào)查、農(nóng)林生長、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)害調(diào)查評估等方面的研究進展情況，無人機遙感在礦區(qū)的應(yīng)用有待于進一步挖掘。

本文選取了我國典型大型礦區(qū)主要參數(shù)、礦區(qū)主要復(fù)墾對象和監(jiān)測指標情況，據(jù)此知我國典型煤礦區(qū)的范圍均小于50 km2，非煤礦區(qū)的范圍小于15 km2。針對具體的監(jiān)測對象而言，除煤礦區(qū)的地表沉陷區(qū)面積較大之外，煤礦區(qū)的地表裂縫與矸石山等均小于0.2 hm2，非煤礦區(qū)的單個采坑、尾礦庫、廢石場和堆浸場等均小于0.8 hm2。與區(qū)域遙感監(jiān)測相比，礦區(qū)的監(jiān)測范圍更小，但重返周期長時序觀測的要求更高，因而更適用于無人機遙感的應(yīng)用。因此，本文結(jié)合礦區(qū)監(jiān)測與土地復(fù)墾領(lǐng)域現(xiàn)實需求，提出了我國礦區(qū)無人機遙感監(jiān)測與土地復(fù)墾的應(yīng)用框架體系(圖1)。無人機遙感可廣泛應(yīng)用于礦區(qū)基礎(chǔ)信息普查、地質(zhì)災(zāi)害與污染等敏感風(fēng)險源信息獲取與監(jiān)測，礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)重建規(guī)劃與設(shè)計、土地復(fù)墾驗收與復(fù)墾后效果監(jiān)測與評價等多個方面，服務(wù)于礦山生產(chǎn)的全生命周期，對無人機遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)區(qū)域、獲取參數(shù)、空間分辨率進行了分析(表1)。

表1 無人機遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)區(qū)域與精度劃分

圖1 礦區(qū)無人機遙感監(jiān)測與土地復(fù)墾框架體系

2.1 礦區(qū)基礎(chǔ)信息普查

礦區(qū)土地復(fù)墾是我國礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的必然選擇，也是緩解人地矛盾、恢復(fù)生態(tài)環(huán)境的重要舉措[66-67]。2011年3月5日，國務(wù)院第592號令公布施行《土地復(fù)墾條例》(以下簡稱《條例》)。要求土地復(fù)墾義務(wù)人按標準開展調(diào)查評價摸清項目區(qū)土地利用狀況，并在此基礎(chǔ)上編報土地復(fù)墾方案，根據(jù)土地損毀的類型、程度、自然地理條件和復(fù)墾的可行性等因素，分類確定不同類型損毀土地的復(fù)墾方式、目標和要求等。礦區(qū)基礎(chǔ)信息調(diào)查與獲取是掌握礦區(qū)基本自然條件，進行后續(xù)土地復(fù)墾與生態(tài)重建工作的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。國外一般也要求礦業(yè)主在進行礦產(chǎn)開發(fā)前要對礦區(qū)內(nèi)植被、水系、地下水埋深、土地利用、動植物品種與分布等進行詳盡的調(diào)查，并要求土地復(fù)墾后各項指標恢復(fù)甚至優(yōu)于采礦前。

在礦區(qū)土地復(fù)墾規(guī)劃過程中，大比例地形圖和正射影像等提供復(fù)墾規(guī)劃的基礎(chǔ)信息，因地制宜的規(guī)劃與設(shè)計是復(fù)墾的重要環(huán)節(jié)，規(guī)劃的落實與施工是復(fù)墾的最終目標與結(jié)果。監(jiān)測復(fù)墾整個過程，對確保礦區(qū)土地復(fù)墾達到預(yù)期目標和理想效果有重要意義。診斷土地損傷狀況，評價土地損毀程度是礦區(qū)土地復(fù)墾的第一步。根據(jù)《土地復(fù)墾方案編制規(guī)程》，土地的損傷類別一般包括土地沉陷、土地挖損、土地壓占、土地占用和土地污染五個方面，一般根據(jù)劃分為輕度、中度和重度三個級別的損毀程度。土地損傷信息的獲取，應(yīng)當(dāng)包括土地沉陷量和沉陷范圍，土地挖損的體積和范圍，土地壓占的面積、體積和穩(wěn)定性，土地壓占的面積和體積，土地污染的類別、范圍和程度，通過總結(jié)分析，礦區(qū)的基礎(chǔ)信息主要包括：土地利用、地形、植被覆蓋度等覆蓋全礦井的區(qū)域性專題數(shù)據(jù)。其中，地形信息被認為是礦區(qū)主要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，礦區(qū)地形信息可采用常規(guī)的全站儀與水準儀組合的數(shù)字測圖方法，還可用航空攝影測量技術(shù)、三維激光掃描、差分干涉合成孔徑雷達(DInSAR)、差分GPS與高分辨率影像結(jié)合法[68]；近年來無人機遙感技術(shù)實現(xiàn)了高精度的礦區(qū)大比例尺地形圖的快速測繪[64]。根據(jù)礦區(qū)地形和正射影像信息，輔助實地調(diào)查采樣和室內(nèi)分析處理方法，為得到礦區(qū)土地損傷的可靠狀況提供保障，為更精確評價礦區(qū)土地損毀程度奠定基礎(chǔ)。

因此，差異化的無人機平臺不斷涌現(xiàn)且性能得到提升，光學(xué)相機、多光譜相機、高光譜相機、熱紅外相機和微波輻射計等多種傳感器快速發(fā)展。將無人機與遙感傳感器結(jié)合而成的無人機遙感技術(shù)，獲取更高的時空分辨率、更多的光譜信息等，為礦區(qū)基礎(chǔ)信息的調(diào)查與獲取提供了極大的可能性。

2.2 礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與污染等敏感風(fēng)險源信息獲取與監(jiān)測

礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險源的識別與監(jiān)測，是礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測以及后續(xù)的土地復(fù)墾與生態(tài)重建必須首要解決的問題。井工開采一般導(dǎo)致地表沉陷與裂縫、廢棄物壓占土地等問題，而露天開采一般將由露天采場、廢石場或排土場、尾礦庫等。這些都是可見的土地損毀和環(huán)境破壞問題來源，也是潛在的地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)的風(fēng)險源，造成區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)變化、農(nóng)用地和生態(tài)用地減少等問題，還可能誘發(fā)滑坡、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害，造成無法估量的人員和財產(chǎn)損失，特別是在因采礦引發(fā)的突發(fā)災(zāi)害，其造成的損失極其重大，這些在世界各地都有相關(guān)新聞報道，圖2列出了部分典型礦區(qū)監(jiān)測對象與風(fēng)險源無人機遙感影像。

圖2 典型礦區(qū)監(jiān)測對象與風(fēng)險源無人機拍攝影像圖

礦區(qū)主要的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險源的監(jiān)測礦區(qū)敏感信息主要包括溫度異常點(區(qū))、不穩(wěn)定山(坡)體、污染分布、積水分布等。國內(nèi)有學(xué)者采用高分辨率衛(wèi)星影像(IKONOS)快速、準確地識別煤礦區(qū)塌陷群，清楚地識別了地表塌陷及其細節(jié)特征，分析其影響因子、規(guī)模和危害程度[69]，但是受衛(wèi)星重返周期所限，無法長時序進行動態(tài)監(jiān)測。而對自燃煤矸石山的溫度場監(jiān)測與建模方面，也有學(xué)者采用三維激光掃描儀、數(shù)字攝影測量系統(tǒng)與熱紅外成像儀結(jié)合進行溫度監(jiān)測[70-71]，但存在成本高、效率低等問題。礦區(qū)常見高陡邊坡有露天礦的礦坑邊坡、尾礦庫壩體和排土場(廢石場)邊坡，其不穩(wěn)定性存在誘發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的高風(fēng)險，對其變形監(jiān)測與穩(wěn)定性分析一直是礦區(qū)研究的熱點和難點。目前的監(jiān)測多采用多基線數(shù)字近景攝影測量方法、GPS監(jiān)測和地下滑動式測斜儀結(jié)合等方法進行監(jiān)測，也存在著無法動態(tài)監(jiān)測、效率低等問題。通過無人機搭載多種傳感器的組合，實現(xiàn)對礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與污染等敏感風(fēng)險源地面地形數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、變形數(shù)據(jù)的獲取、處理、融合與解譯將極大的提高數(shù)據(jù)獲取的精度、周期、效率。

2.3 礦區(qū)土地復(fù)墾驗收與復(fù)墾后效果監(jiān)測與評價

礦區(qū)土地復(fù)墾施工是落實土地復(fù)墾規(guī)劃方案的內(nèi)容，也是礦區(qū)土地復(fù)墾目標的重要保障，利用獲取的地形、植被、土地利用等數(shù)據(jù)，結(jié)合礦山開采的計劃，可實現(xiàn)對復(fù)墾區(qū)域的景觀三維建模，并完成土地復(fù)墾與生態(tài)重建的規(guī)劃與設(shè)計工作。礦區(qū)土地復(fù)墾驗收是檢驗復(fù)墾施工結(jié)果的重要環(huán)節(jié)，也是對施工部門的考核和檢查，為礦區(qū)土地復(fù)墾的恢復(fù)土地功能有重要作用。監(jiān)測礦區(qū)土地復(fù)墾的施工，明確礦區(qū)土地復(fù)墾規(guī)劃方案的落實情況，及時掌握復(fù)墾施工的項目進度；使用多種野外實測與遙感等技術(shù)結(jié)合，進行礦區(qū)土地復(fù)墾的驗收工作，可極大提高驗收作業(yè)的效率。

礦區(qū)土地復(fù)墾施工過程一般包括：表土剝離與回覆、田面平整與松土、村莊地基與垃圾等清理、土壤培肥，農(nóng)田防護林重建、林地與草地植被重建，配套工程的灌排溝渠、道路系統(tǒng)工程、橋梁與涵洞等，以及后續(xù)監(jiān)測與管護措施等。礦區(qū)土地復(fù)墾驗收一般根據(jù)復(fù)墾規(guī)劃的各項設(shè)計指標，如表土剝離與回覆量、復(fù)墾標高、田面平整度、表土壓實度、土壤培肥的養(yǎng)分變化、土壤水分與有機質(zhì)、灌溉排水系統(tǒng)等；以及復(fù)墾后三年內(nèi)的持續(xù)監(jiān)測，如，林地和草地成活率、耕地產(chǎn)量，以及配套與管護措施等。目前，國土資源部門已經(jīng)開始運用國產(chǎn)高分衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)進行土地整治重大工程的施工驗收，重點監(jiān)測獲取新增耕地、新修道路、溝渠等參數(shù)。在土地整治的土壤質(zhì)量、土壤肥力、項目區(qū)路網(wǎng)布局等定量評價方面，也有研究采用SPOT、TM/ETM、Quickbird等遙感影像進行評價[72-74]。總體來看，目前主要著重從土壤水分與有機質(zhì)監(jiān)測、土壤植被指數(shù)與覆蓋度、表層土壤含水量、土壤澇漬及潛育化進行土地整治方面的土壤質(zhì)量遙感評價。無人機由于具備靈活、可搭載多傳感器的優(yōu)勢，未來可以在土地復(fù)墾施工監(jiān)管、復(fù)墾工程竣工驗收、復(fù)墾后土壤質(zhì)量、復(fù)墾植株長勢、復(fù)墾后野生動物活動、復(fù)墾后生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)等多個方面發(fā)揮重要作用。

3 結(jié)論與展望

本文通過大量的文獻綜述，總結(jié)歸納了無人機遙感在國土資源調(diào)查、農(nóng)業(yè)林業(yè)生長監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和災(zāi)害調(diào)查評估等領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀?；谖覈湫痛笮偷V山面積、監(jiān)測對象、監(jiān)測指標在礦區(qū)信息普查與土地復(fù)墾中的監(jiān)測需求，較為系統(tǒng)性地分析了無人機在礦區(qū)監(jiān)測與土地復(fù)墾的應(yīng)用潛力，針對礦區(qū)基礎(chǔ)信息普查、地質(zhì)災(zāi)害與污染等敏感風(fēng)險源信息獲取與監(jiān)測、土地復(fù)墾規(guī)劃與設(shè)計、土地復(fù)墾施工過程監(jiān)測和復(fù)墾后監(jiān)測與評價等過程，進行了詳細地分析。大型礦區(qū)的土地復(fù)墾面積一般在公頃級到平方公里級，同時當(dāng)前諸多衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)與地面調(diào)查手段并不能很好地滿足礦區(qū)尺度的監(jiān)測要求，而不同型號的固定翼和旋翼無人機恰好可以滿足上述面積的監(jiān)測需求，因此在不同的礦區(qū)監(jiān)測與土地復(fù)墾需求下，設(shè)計符合需求的監(jiān)測方案，選擇適宜的無人機搭載平臺與恰當(dāng)波段的傳感器，得到適宜的時空分辨率影像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)理想的監(jiān)測效果與評價結(jié)果。

無人機遙感技術(shù)在礦區(qū)土地復(fù)墾應(yīng)用才剛剛開始，將會根據(jù)實際需求而逐步拓展，在此領(lǐng)域有極大的研究潛力和應(yīng)用前景。針對礦區(qū)尺度較小、擾動劇烈的特點，如何選擇合適的搭載平臺與傳感器，有針對性地解決所需要監(jiān)測的對象與問題。這對于構(gòu)建精準礦情獲取與普查，實現(xiàn)實時動態(tài)監(jiān)測，從而指導(dǎo)礦山科學(xué)生產(chǎn)、合理安排土地復(fù)墾計劃，推動綠色可持續(xù)發(fā)展的礦區(qū)，具有重要的研究意義和實際應(yīng)用價值。

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The status and prospect of UAV remote sensing in mine monitoring and land reclamation

XIAO Wu, HU Zhenqi, ZHANG Jianyong, ZHAO Yanling, YANG Kun

(Institute of Land Reclamation and Ecological Restoration, China University of Mining & Technology(Beijing), Beijing 100083, China)

Unmanned aerial vehicle remote sensing(UAVRS) with the features of low cost, short revisit period, speediness and high efficiency, lightweight and flexibility, easy operation, and high accuracy etc., has become a research hotspot nowadays. It has also been widely employed in land resource investigating, agriculture and forest monitoring, eco-environment supervising and disaster evaluating, and demonstrates its advantages of elasticity, quickness, and high space-time resolution. This paper analyzed the application status of unmanned aerial vehicle remote sensing technology. For the special object of mining area, based on the analysis of typical mining districts’ area and monitored objects and indexes, carrying platform, sensors and monitoring parameter of were dissected specifically. Then, the application of framework system of unmanned aerial vehicle remote sensing monitoring and land reclamation in mining area was established. Unmanned aerial vehicle remote sensing technology, being available for basic information investigation, geological hazards and pollution monitoring, land reclamation and ecological restoration plan, reclamation acceptance and effect monitoring and evaluation, will become a vital important technique in monitoring and land reclamation of mining district.

unmanned aerial vehicle(UAV); remote sensing; mine monitoring; land reclamation

2016-12-24 責(zé)任編輯：趙奎濤

國家自然科學(xué)基金項目資助(編號：41401609)；北京市優(yōu)秀人才培養(yǎng)項目資助

肖武(1983-)，男，博士，副教授，主要從事土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)、3S技術(shù)在土地中的應(yīng)用，E-mail: xiaowuwx@126.com。

TP79；TD88

A

1004-4051(2017)06-0071-08