康新亮

(西山煤電(集團)有限責任公司 地質(zhì)處，山西 太原 030053)

隨著無人機技術的快速發(fā)展，設備費用不斷降低，操作不斷智能化、自動化，使得無人機的使用成本和學習成本可以被一般工程作業(yè)單位和科研機構所接受，在日常測繪、調(diào)查中也得到越來越廣泛的應用[1-3].目前，在很多調(diào)查、監(jiān)測領域，無人機遙感發(fā)揮著越來越重要的作用，比如農(nóng)林調(diào)查[4, 5]、地災調(diào)查[6]、生態(tài)監(jiān)測[7]等。

常規(guī)的礦區(qū)土地資源調(diào)查通常以調(diào)查人員地面巡查為主，任務重、工作強度大，需要的周期較長，而且還會受地形、天氣和人為因素等限制。在調(diào)查過程中，如需獲取對象的位置、尺寸數(shù)據(jù)，還需測量工作輔助。如果使用無人機配合礦區(qū)土地調(diào)查工作，可以部分解決傳統(tǒng)作業(yè)方式人為因素大、效率低、大范圍工作成本高、工作時間長等弊端[8]，并可提供一定精度的位置信息。

1 實驗區(qū)概況

該次調(diào)查是針對西山煤電集團某礦的土地利用，并選取其中的典型對象——排矸場，進行無人機遙感成果的建模和應用。

某礦位于山西省西北部興縣與保德縣交界處，屬于剝蝕堆積低中山區(qū)，分布于嵐漪河南北兩側的黃土梁峁地區(qū)。底部為三疊系中、下統(tǒng)砂頁巖，表面被第四系黃土覆蓋，溝谷兩側砂頁巖出露，山頂多為塬峁狀，為典型的黃土高原景觀。

該礦排矸場位于礦區(qū)中東部的溝谷內(nèi)，緊鄰工業(yè)場地，占地面積40.93 hm2，設計容量1 384萬m3，分三級堆放，設計排棄標高分別為1 042 m、1 100 m、1 124 m.排矸場現(xiàn)狀見圖1，大部分已進行覆土造林，一、二級矸石壩治理措施良好，一二級壩之間的平臺已治理成礦山公園。排矸場所在位置的溝谷原始地形已不復存在。

圖1 調(diào)查對象照片(二級壩附近)

2 消費級無人機遙感數(shù)據(jù)獲取與處理

利用無人機低空遙感進行三維建模，多鏡頭傾斜相機是首選，但存在硬件成本高、使用門檻高等局限性。土地調(diào)查不是測繪，不需要很高的絕對點位(坐標)精度，在保證相對位置正確的前提下，分米甚至米級的成果也是可以接受的。因此，嘗試使用較易獲取的消費級無人機(大疆精靈4 pro)、搭載2 000萬像素單鏡頭光學相機(原機標配相機)，采用預規(guī)劃航線的航拍模式，建立模型并應用。無人機遙感數(shù)據(jù)獲取與處理過程如下。

1)外業(yè)航拍。

在航飛前，使用配套的飛控軟件規(guī)劃航線5條，S行線路，覆蓋目標排矸場及周邊。設置飛行高度150 m，航向重疊度80%，旁向重疊度65%.共飛行一架次，照相曝光間隔2 s，總飛行時間約12.5 min.手動剔除不合格的航片后(如曝光嚴重、對焦失敗、拍攝拖影等)，共獲取有效航片379張。

該調(diào)查不需要準確的絕對坐標信息，因此未布設像控點，使用無人機自帶POS系統(tǒng)提供位置信息。

2)空中三角測量。

將篩選后的相片全部導入軟件ContextCapture中，軟件結合大疆精靈4 pro拍攝相片中所含的GPS信息進行空三運算，主要包括以下步驟：對特征點進行計算提取、匹配同名點、解算相片的空間位置和姿態(tài)角度、確定相片的相互關系。

3)三維建模。

三維模型構建主要包括密集點云生成、Tin模型構建和紋理自動映射3個步驟，由軟件自動完成。期間需人工確定分割的瓦片數(shù)，使當前的計算機硬件性能被最大化利用。

最終生成的三維模型見圖2，該模型包含了排矸場一級壩、二級壩和兩級壩體間的平臺。無人機遙感建立的三維建模，可以縮放、旋轉(zhuǎn)，對于調(diào)查對象及其周邊情況的掌握有很大的幫助，可以形象的展示、較為量化的測算，為決策提供依據(jù)。

圖2 排矸場三維模型

正射影像模型和數(shù)字地表模型也可由無人機數(shù)據(jù)計算獲取，非本文內(nèi)容，不再討論。

3 三維模型在礦區(qū)土地調(diào)查中的應用

建成的排矸場三維模型，不只是可以用來演示觀摩，在需要的時候可以在模型上對長度、面積、體積進行量測，一方面減少了外業(yè)工作量，另一方面也可以在調(diào)查方案不完備的情況下，隨時進行“補測”。

1)長度測量。

如圖3所示，在ContextCapture軟件中進行指定兩點間的距離測量，獲取排矸場一級壩頂部長度為115.79 m.

圖3 排矸場的一級壩上緣長度測量圖

現(xiàn)場使用全站儀實測該兩點的距離為116.05 m，說明無人機三維模型可達亞米級精度。需要注意的是，由于沒有像控點，模型只可用其相對位置(如長度、面積、體積)，不可用模型上點的絕對位置(如坐標)。

2)面積測量。

一級壩和二級壩之間的平臺規(guī)劃為礦山公園，如需測量面積進行設計、評估，可以在軟件中對平臺的邊緣進行勾劃，如圖4所示，得到該平臺周長為952.43 m、面積為5.11 hm2.

圖4 排矸場平臺面積測量圖

3)體積測量。

如圖5(取自模型上距現(xiàn)排矸場西南約300 m處溝谷)，如需要在礦山周邊再尋找矸石排放場地，可以在建好的模型上勾劃平面設計范圍，然后填寫設計標高(本例為985 m)，即可通過計算得到挖(設計標高低于山體表面高程時需開挖，共6.09萬m3)、填(設計標高高于山體表面高程時需充填，共13.25萬m3)方量。對于矸石排放而言，無需開挖已有山體，計算得到的填方量13.25萬m3即為設計堆放范圍中可以容納的最大矸石排放量。

圖5 排矸場周邊擴容能力測量(挖、填方測量)圖

在實際操作中，應根據(jù)設計的各級平臺的高程分塊計算該溝谷的容量，然后根據(jù)該礦每年矸石量，可進一步計算該排矸場的設計服務年限。

4 結 論

土地資源調(diào)查中的外業(yè)調(diào)繪工作相對艱苦。在礦區(qū)土地利用調(diào)查中，利用消費級無人機遙感構建某礦排矸場的三維模型，對無人機遙感在土地調(diào)查中的應用進行了總結分析。

1)土地資源調(diào)查中，外業(yè)調(diào)繪工作費時、任務重，應用無人機遙感可減輕這部分工作量，包括不可達、不易達位置的調(diào)查和地物尺寸的量測。

2)結合某礦排矸場調(diào)查的成果，構建的無人機三維模型可進行演示、量測，由內(nèi)業(yè)處理可獲取所需位置或區(qū)域的長度、面積和體積等參數(shù)，簡化外業(yè)工作。

3)相對于專業(yè)級無人機，消費級無人機使用靈活、硬件和學習成本低，可滿足以調(diào)查為目的的精度要求。在免像控的條件下，獲取的長度可達到亞米級精度(本文實例為26 cm).