張維生

(漳州市測繪設(shè)計(jì)研究院，福建 漳州 363000)

1 引 言

中國是全世界最大的礦產(chǎn)資源開發(fā)利用國家之一，礦產(chǎn)資源的開采促進(jìn)了我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，但是也極大地破壞了原始生態(tài)環(huán)境。早期礦山的不規(guī)范開采行為嚴(yán)重破壞了礦山周邊生態(tài)環(huán)境，造成了大量的廢棄石堆、危巖，常常引發(fā)泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重影響著人們的生命財(cái)產(chǎn)安全和正常的生活秩序。因此，有必要對礦山開發(fā)利用狀況、礦產(chǎn)資源規(guī)劃執(zhí)行情況和礦山地質(zhì)環(huán)境治理恢復(fù)執(zhí)行情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)管，保證礦山的可持續(xù)發(fā)展[1]。

傳統(tǒng)的礦山監(jiān)管大多以人工實(shí)地巡查為主、衛(wèi)星遙感影像解譯為輔，但是人工實(shí)地巡查受客觀因素影響較大，容易出現(xiàn)遺漏，且需要大量的人力、物力和財(cái)力投入，效率低下，在露天礦邊坡容易出現(xiàn)的滑坡裂隙地段，人員進(jìn)入存在很大的安全隱患；而衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)獲取周期長，現(xiàn)勢性不夠[2]。為了適應(yīng)新形勢下礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)管的要求，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)開始被廣泛應(yīng)用。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)通過無人機(jī)平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，運(yùn)用多角度相機(jī)同步獲取地面物體各個(gè)角度高分辨率航攝影像，配合先進(jìn)的定位、融合、三維模型處理系統(tǒng)等技術(shù)，自動(dòng)生成高精度數(shù)字正射影像、數(shù)字高程模型和實(shí)景三維模型。相比傳統(tǒng)測量技術(shù)，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)空間三維地理信息數(shù)據(jù)的快速獲取、處理與應(yīng)用，成果信息量豐富，且具有三維分析量測功能[3]。同時(shí)無人機(jī)具有輕巧靈動(dòng)的特性、作業(yè)高效迅速、可高頻監(jiān)測、成本低廉及數(shù)據(jù)成果精確等優(yōu)點(diǎn)[4]，已經(jīng)在礦山測量[5]、礦山修復(fù)[6]、礦山地質(zhì)環(huán)境治理[7]中得到廣泛應(yīng)用。文章以漳州市2021年度全市65個(gè)持證露天礦山的動(dòng)態(tài)監(jiān)管工作為契機(jī)，開展無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析，探討無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在露天礦山違法開采、礦山開發(fā)利用狀況、地質(zhì)環(huán)境治理恢復(fù)等動(dòng)態(tài)監(jiān)管中的應(yīng)用。

2 監(jiān)管工作情況介紹

根據(jù)《福建省礦產(chǎn)資源監(jiān)督管理辦法》要求，為有效監(jiān)管礦山的違法開采問題，確實(shí)規(guī)范礦山邊開采邊治理和資源節(jié)約集約利用，為漳州市“大抓工業(yè)、抓大工業(yè)”提供有效的礦產(chǎn)資源支撐和生態(tài)環(huán)境保障作用，漳州市開展了2021年度持證露天礦山無人機(jī)監(jiān)管測繪工作。工作要求每個(gè)季度對65個(gè)持證礦山進(jìn)行一次全覆蓋無人機(jī)航攝，并結(jié)合礦山成果數(shù)據(jù)、礦山監(jiān)管要求編制監(jiān)管報(bào)告，為礦山管理、生態(tài)修復(fù)、耕地保護(hù)、地災(zāi)治理等問題提供意見。漳州市65個(gè)持證露天礦山分布于各個(gè)縣區(qū)，分布較為零散，且大多位于山區(qū)，交通困難。礦山分布位置如圖1所示。

圖1 漳州市持證礦山分布圖

3 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

本文通過無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析，編制礦山監(jiān)管成果報(bào)告，為礦山監(jiān)管工作提供數(shù)據(jù)支撐。詳細(xì)流程圖如圖2所示：

圖2 生產(chǎn)流程圖

3.1 飛行平臺(tái)

本文采用大疆PHANTON 4 RTK作為飛行平臺(tái)，PHANTON 4 RTK是一款具備高精度測繪功能的航測無人機(jī)，具備厘米級導(dǎo)航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng)，搭載DJI FC6310R單鏡頭傾斜相機(jī)，有效像素 2 000萬。

3.2 傾斜攝影

開展無人機(jī)傾斜攝影前，首先需收集各個(gè)礦山的采礦權(quán)范圍線，轉(zhuǎn)換成谷歌kml文件，導(dǎo)入奧維地圖，做好路線規(guī)劃，并進(jìn)行前期設(shè)備質(zhì)量檢驗(yàn)、相機(jī)校驗(yàn)等工作。

由于搭載的相機(jī)是單鏡頭，實(shí)施傾斜攝影時(shí)采用將鏡臺(tái)傾斜一個(gè)角度并加大重疊度井字形飛行，首先平行飛行一個(gè)來回獲取前后兩個(gè)方向目標(biāo)影像，再從垂直方向飛行一個(gè)來回獲取左右兩個(gè)方向的目標(biāo)影像：最后再飛一組正射影像，然后再飛一組正射影像，來完成5個(gè)不同方向采集地表目標(biāo)影像[8]。無人機(jī)傾斜攝影航線設(shè)計(jì)要求如下：

(1)影像地面分辨率優(yōu)于2 cm；

(2)航向重疊70%～80%，旁向重疊70%～80%；

(3)相對航高80 m～100 m，相機(jī)傾斜角度30°(云臺(tái)角度-60°)。

(4)飛行航線至少超出礦山范圍線一個(gè)相對航高值。

3.3 像控布設(shè)

為了提高航測精度，保證成果質(zhì)量，每個(gè)礦山在航飛前必須先布設(shè)像控點(diǎn)。像控點(diǎn)布設(shè)方案采用周旺輝等在控制點(diǎn)布設(shè)對低空小型無人機(jī)高分影像精度的影響[9]一文中提到的四周均勻布點(diǎn)加少量內(nèi)部控制的方法為最優(yōu)布點(diǎn)方式進(jìn)行布設(shè)。像控選點(diǎn)應(yīng)充分考慮現(xiàn)場地形地物情況，將控制點(diǎn)布設(shè)在清晰的明顯地物折角，交角良好的線狀地物交點(diǎn)，且像控點(diǎn)周邊地形高差不大地區(qū)，在無明顯地物標(biāo)志時(shí)，采用在硬化地刷油漆的方式進(jìn)行布置，標(biāo)志刷成“L”型。像控點(diǎn)測量時(shí)，應(yīng)對觀測處進(jìn)行近照和遠(yuǎn)照。近照要能夠反映測量桿落點(diǎn)位置，遠(yuǎn)照要能夠反映刺點(diǎn)與周邊地物的位置關(guān)系。像控點(diǎn)外業(yè)觀測完成后，及時(shí)做好記錄，將礦山、像控點(diǎn)編號、照片編號進(jìn)行一一關(guān)聯(lián)。

3.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要分為：數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)空三加密、生產(chǎn)DEM和DOM、生產(chǎn)實(shí)景三維模型四個(gè)部分。

(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是檢查外業(yè)航拍影像是否清晰，航拍是否有缺漏，影像成圖質(zhì)量是否符合要求，核查影像數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)是否一致，并將POS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成CGCS2000坐標(biāo)系。

(2)數(shù)據(jù)空三加密?？杖用懿捎肕etashape軟件，該軟件空三計(jì)算能力優(yōu)秀，影像畸變糾正能力比較強(qiáng)[10]。將傾斜影像、POS數(shù)據(jù)、像控點(diǎn)、相機(jī)參數(shù)等分別導(dǎo)入Metashape進(jìn)行空三加密?？杖用芫唧w流程為：首先將傾斜影像進(jìn)行連接點(diǎn)自動(dòng)匹配，對獲取的特征點(diǎn)采用圖像特征匹配及跟蹤技術(shù)尋找和匹配不同像片間公共點(diǎn)，構(gòu)建自由網(wǎng)，導(dǎo)入控制點(diǎn)后進(jìn)行人工刺點(diǎn)，再進(jìn)行光束法區(qū)域網(wǎng)平差，檢查控制點(diǎn)精度，調(diào)整控制點(diǎn)后再平差至空三結(jié)果滿足精度要求。

(3)生產(chǎn)DEM、DOM。空三加密滿足精度要求后，可以導(dǎo)入空三成果進(jìn)行DEM、DOM的生產(chǎn)。礦山數(shù)字正射影像圖成果如圖3所示。

圖3 礦山數(shù)字正射影像圖

(4)生產(chǎn)實(shí)景三維模型。ContextCapture軟件在三維重建方面具體獨(dú)特優(yōu)勢[11]。在Metashape中導(dǎo)出空三成果，選擇Blocks Exchange*xml格式，再導(dǎo)入ContextCapture中新建三維重建項(xiàng)目，設(shè)置好三維模型的坐標(biāo)系統(tǒng)、平面切片格網(wǎng)大小、輸出范圍及成果格式等，最后生成三維模型。礦山實(shí)景三維模型成果如圖4所示。

圖4 礦山實(shí)景三維模型

4 監(jiān)管工作成果數(shù)據(jù)分析

4.1 越界及超深開采分析

以采礦權(quán)人采礦權(quán)證書確定的采礦權(quán)范圍線和開采深度范圍作為監(jiān)管分析基準(zhǔn)，在ArcGIS軟件中將采礦權(quán)范圍線與礦山開采現(xiàn)狀DOM影像進(jìn)行套合，可以判斷礦區(qū)是否存在越界開采行為，并初步計(jì)算其越界面積，在礦山三維模型上直接量取礦山現(xiàn)狀最低點(diǎn)高程，即可判斷礦區(qū)是否存在超深開采行為。圖5為某礦山正北側(cè)越界開采情況。

圖5 礦山越界開采情況

4.2 占用耕地情況分析

在ArcGIS軟件中將采礦權(quán)范圍線與礦山開采現(xiàn)狀DOM影像進(jìn)行套合，并且疊加第二次全國土地調(diào)查耕地圖斑數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以判斷礦區(qū)是否存在占用耕地行為。圖6為某礦山紅線外西北側(cè)工業(yè)廣場侵占耕地情況。

圖6 礦山占用耕地情況

4.3 礦山開發(fā)利用方案執(zhí)行情況

露天礦山開采需要及時(shí)監(jiān)測和確定礦山是否存在違規(guī)開采礦產(chǎn)資源行為、開采現(xiàn)場是否按開采設(shè)計(jì)的要求自上而下分臺(tái)階或分層開采，臺(tái)階三要素是否符合相關(guān)設(shè)計(jì)要求，以確保礦山開采安全。通過礦山現(xiàn)狀三維模型，可以直觀地查看礦山開采總體情況，分析、量測礦山開采臺(tái)階情況，包括臺(tái)階高度、臺(tái)階安全平臺(tái)寬度等。根據(jù)數(shù)據(jù)高程模型DEM，利用ArcGIS軟件的坡度分析工具自動(dòng)計(jì)算出礦區(qū)DEM的坡度值，可監(jiān)測礦山臺(tái)階坡面角是否符合設(shè)計(jì)要求。

4.4 礦山地質(zhì)環(huán)境治理恢復(fù)方案執(zhí)行情況

礦山在開采過程及終了后，會(huì)存在土地植被破壞，廢棄物排放、采場邊坡治理、水文地質(zhì)條件變化等礦山生態(tài)環(huán)境問題，需要進(jìn)行礦山地質(zhì)環(huán)境治理恢復(fù)及土地復(fù)墾復(fù)綠，通過礦山現(xiàn)狀高分辨率數(shù)字正射影像和傾斜三維模型，可以清楚直觀地監(jiān)管礦山“邊開采邊治理”執(zhí)行情況，核對礦山地質(zhì)環(huán)境治理恢復(fù)情況及治理效果。如表1為某礦山監(jiān)管情況表。

表1 礦山監(jiān)管情況表

4.5 礦山監(jiān)管問題清單

對每一季度所有持證礦山的監(jiān)管結(jié)果進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)，編制所有礦山的監(jiān)管問題清單匯總表，如表2所示，了解每個(gè)礦山可能存在的違法開采行為，掌握每個(gè)礦山開發(fā)利用方案執(zhí)行情況和地質(zhì)環(huán)境治理恢復(fù)情況，并制定相應(yīng)的整改措施，為規(guī)范礦山開采提供保障。

表2 礦山監(jiān)管問題清單匯總表

5 監(jiān)管工作成效

經(jīng)過四個(gè)季度對持證露天礦山的無人機(jī)航飛監(jiān)督管理工作，漳州市礦產(chǎn)資源開采行為得到有效的規(guī)范。

(1)礦山越界及超深開采行為得到有效遏制。第一季度發(fā)現(xiàn)的越界開采礦山全部停止了越界開采行為，并對越界區(qū)域進(jìn)行了整改恢復(fù)。如圖7為某礦山紅線外西南側(cè)越界開采行為進(jìn)行整治效果圖。

圖7 礦山越界開采整治效果

(2)礦山占用耕地情況得到有效治理。礦山占用耕地區(qū)域全部進(jìn)行了土地復(fù)墾，并恢復(fù)了植被種植。如圖8為某礦山紅線外東北側(cè)剝離土堆放侵占耕地行為進(jìn)行整治效果圖。

圖8 礦山占用耕地整治效果

(3)礦山開發(fā)利用方案得到有效執(zhí)行?；径糁屏瞬糠值V山亂采濫挖、采富棄貧等破壞和浪費(fèi)礦產(chǎn)資源的行為和跡象，大部分礦山能夠?qū)嵭凶陨隙路峙_(tái)階或分層開采，并修建治理臺(tái)階，對臺(tái)階進(jìn)行削坡、開級、加固，建立完善的截排水設(shè)施，礦山邊坡外側(cè)修建鐵絲網(wǎng)防護(hù)欄等，以保證礦山開采安全。如圖9為某礦山依據(jù)開發(fā)利用方案自上而下分臺(tái)階開采過程。

圖9 礦山自上而下分臺(tái)階開采

(4)邊開采邊治理要求得到進(jìn)一步落實(shí)。大部分礦山都已對已開采完成區(qū)域進(jìn)行了地質(zhì)環(huán)境治理恢復(fù)，對已開采完成臺(tái)階平臺(tái)進(jìn)行種植樹木、藤、草等植物，覆蓋裸露巖面，恢復(fù)礦山地質(zhì)環(huán)境。如圖10、圖11為某礦山對已開采完成區(qū)域進(jìn)行臺(tái)階治理及復(fù)綠。

圖10 礦山邊開采邊治理(正射影像)

圖11 礦山邊開采邊治理(局部三維模型)

6 結(jié)論及展望

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)現(xiàn)已成為一種高效的礦山監(jiān)管手段。利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)快速安全地獲取礦山現(xiàn)狀高分辨率正射影像圖和實(shí)景三維模型，可以為自然資源礦管部門提供更為直觀的礦山開采現(xiàn)狀成果，輔助礦管部門有效監(jiān)管礦山的違法開采問題，促進(jìn)礦山科學(xué)化、規(guī)范化開采，確實(shí)規(guī)范礦山邊開采邊治理行為，并為礦山的日常管理、耕地保護(hù)、生態(tài)修復(fù)、地災(zāi)治理等問題提供數(shù)據(jù)支撐。

下步的研究工作是建立礦山監(jiān)管系統(tǒng)平臺(tái)，將每一期礦山航飛成果進(jìn)行數(shù)據(jù)入庫，實(shí)現(xiàn)礦山開采情況可追溯管理，為礦管部門動(dòng)態(tài)監(jiān)管礦山每一階段的開采情況，制定礦山管理計(jì)劃提供參考，助力礦山高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展。