各型无人机地质环境监测应用实践与探讨

龚崇辉

（福建省地质环境监测中心，福建·福州 350001）

福建省地处我国东南部东海之滨，东隔台湾海峡与台湾省相望，全省山地丘陵面积约占全省土地总面积的90%、山高林密，而大部分地质环境应急和监测工作都处偏远山区，路途遥远且交通不便，为我省自然资源管理、动态监测带来极大不便。

新型无人机遥感作为空间数据采集的重要手段,具有成本低、全自动无人飞行、影像实时传输、高危地区探测、机动灵活等优点,将成为未来理想的主要航空遥感平台之一；2014年以来，我省引入各专业型和简易型无人机进行即时的地质环境监测应用及核查评价，取得直观、快捷、精准的效果。现对各型无人机（专业型、简易型）在地质环境监测应用实践中的配置、性能、载荷及性价比等综合比对探讨。

1 各型无人机在地质环境监测部分应用项目

2014年12月，福建省国土资源厅在福清市新厝镇漆林村玉成石料场废弃矿山“青山挂白”暨“矿山复绿”治理项目中使用专业型六旋翼低空遥控无人机航拍正射影像图、遥感摄制高清视频，比对航拍正射影像图解译评价；

2015年初，使用六旋翼低空遥控无人飞机对龙岩高岭土有限公司东宫下高岭土矿、永安市启胜矿产有限公司李坊重晶石矿两座矿山生态环境恢复治理情况航摄解译评价；

2015年3月～2016年9月，根据《2015年部分省级发证露采矿山检查工作方案》和《福建省国土资源厅关于印发＜2016年随机抽查露采矿山工作的实施方案＞的通知》，运用无人飞机航摄、GNSS、移动执法等设备技术和手段，以无人机航摄与实地核查相结合方式重点抽省及市、县级发证露采矿山越界开采、非法占地及矿山用地情况；

2015年3月～9月，按省政府办公厅《敖江流域水环境综合整治工作实施方案》，省国土资源厅制定了敖江流域建筑饰面石材矿山全面退出及生态环境恢复实施方案，利用专业型高精度无人机航拍影像解译全面查清情况，严厉打击非法采矿，加强矿山生态环境恢复治理；

2016年5月8日5时许，三明市泰宁县开善乡突发泥石流灾害，应急使用简易型便携式4旋翼低空遥控无人机航拍泥石流全貌正射影像图等影像资料；

2016、2017年底，省政府对设区市年度目标责任考核中，运用无人机航摄、移动执法与实地核查相结合等手段，随机抽查设区市发证露采矿山生态环境治理恢复情况；

2017年底和2018年初，对中央环保督察反馈意见整改落实情况之罗源县饰面石材矿山关闭及生态恢复情况：①饰面石材矿山关闭情况，②2017年底前计划完成生态恢复且已完成生态复绿的13座矿山抽查情况，③初次验收尚未完成生态恢复验收的的8座矿山生态恢复进展情况现场核查。

2 各型无人机航测设备系统及主要性能指标

福建省自然资源管理部门各型无人机航测主要有厅地质环境监测中心（简易型便携式为主）、省测绘院（专业型各式无人机为主）承担，整体装备在国内处于领先地位。

2.1 专业型无人机

主要包括监测型、常规型、海洋监测型、长航时型、多旋翼型（图1、表1），分述如下：

（1）常规型无人机：适用于新农村城镇规划建设、土地利用调查、矿产开采监测等领域中小范围航摄。

（2）长航时型无人机：续航时间超长。在大范围远距离应急救灾、电力勘测、高速公路、铁路、石油管道航摄以及农林、水利监测等领域有重要的应用。

（3）多旋翼无人机：多旋翼（四旋翼、六旋翼、八旋翼）的主要特点是能够悬停，多用于视频拍摄，能够实时回传画面。应用于短距离小范围的电力巡线、管道监测、灾害调查、应急保障、矿产开采监测等。

（4）监测型无人机：与多旋翼无人机类似，能够实时回传拍摄画面，主要用于监测，不同的是其没有悬停功能，但能够实现定点凝视、定轨巡视，在一些需要按航线航摄监测的场合较为适用。应用于电力巡线、管道监测、灾害调查、灾情监测、海洋监测等。

（5）海洋监测无人机：是为了应对海洋监测需求而配备的，要求其有较好的抗风能力和可观的续航时间。海洋监测无人机搭载光谱仪等传感器，能够有效地实现各类海洋现象的监测，搭载数码相机，进行常规无人机航测，用于国土、农林、矿产、海洋等领域。

图1 专业型无人机Fig.1 The specialty unmanned aerial vehicles (UAV)

2.2 应急监测车作为无人机航测系统的保障设备，国家地理信息应急监测车拥有优良的越野性能，持续10小时以上的独立供电系统；另外还拥有应急航摄任务规划系统和应急遥感影像快速处理系统，可以在现场成图出图。同时还配备卫星通讯系统，可与基站进行卫星通讯，实现航摄视频的实时传输。

2.3 便携式遥控型无人机

简易型之便携式4旋翼低空遥控型无人机，厅地质环境监测中心配备20台套大疆精灵3～精灵4的四旋翼低空遥控型无人机（地质环境监测应急单兵装备）。

表1 各专业型无人机性能与特点Table 1 Performance and characteristics of various specialized UAV

其飞机性能为：有效载荷1kg，续航时间0.5小时，抗风能力2级，动力来源为电池组，最大升限500m，活动半径≤7km。主要特点：机动灵活，起降方便，操作简单，能够快速响应应急需求，场地受限小，可超低空飞行，可悬停拍摄，可实时回传拍摄视频画面。

3 地质环境监测高精度航拍外业和正射影像图解译评价

地质环境动态监测高精度航拍外业工作主要由专业测绘无人机承担。相对分散单个项目（矿山）使用多旋翼无人机高精度外业航拍，主要能悬停、实时回传、同时摄视频、不需起降场地等，对于短距离小范围地质环境动态监测航摄解译等更为便捷；对于像敖江流域水环境综合整治工作等较大范围连片的矿山集中区，每块区域面积在7～10km2可以成片飞行的区域，使用续航时间相对较长的电动无人机——“雨燕”型固定翼无人飞机作业较为适宜。

3.1 罗源县地质环境（矿山）动态监测无人机航摄方案

罗源县饰面石材矿山分布概况：罗源县有坐标需核查的矿共107个，主要分布在洪洋、西兰和白塔乡，其中洪洋乡33个、西兰乡35个、白塔乡24个，其余飞竹镇6个，中房镇5个，起步镇4个。

无人机飞行规划：107个矿在总面积约300km2的范围内分布较为稀疏，仅有三块面积在7～10km2可以成片飞行的区域，因矿山大多在山区，没有适合大油动固定翼无人机的起降场地，无法进行大面积航飞，因此考虑使用续航时间相对较长的电动无人机“雨燕”型固定翼无人飞机作业，该机型在1:1000比例尺要求下，单个架次可覆盖3～4km2，且对起降场地要求较低，准备时间短，灵活方便。

其余各个矿相对分散，点与点之间的距离有近有远，连片全覆盖面积又较大，耗时较长，且附近没有油动固定翼飞机起降场地。考虑采用相近点合并的方法尽量减少转场，几个相近点合并后一块区域面积在2～3km2左右，考虑使用八旋翼飞机，该机型在1:1000比例尺要求下一个架次覆盖面积约0.25km2，一天时间可以完成一块区域。其余不能合并的孤立点再用八旋翼飞机逐点完成。

3.2 地质环境动态监测高精度航拍正射影像图解译评价

经过矿山地质环境动态监测无人机高精度航拍外业工作，所获取的大量实测数据进入正射影像图解译评价阶段。我们目前运用Global Mapper地图绘制软件对航拍正射影像图矿山生态环境恢复治理情况解译评价：能够将数据（如SRTM数据）显示为光栅地图、高程地图、矢量地图，还可以对地图作编辑、转换、打印、记录GPS及利用数据的GIS功能；可浏览、合成、输入、输出大部分流行的扫描点阵图、等高线、矢量数据集的软件，可以编辑、转换、打印各类地图图形文件，可以利用地理信息系统信息资源；转换数据集的投影方式以符合你的项目的坐标系统，并可以同时对数据集的范围进行裁剪。它还提供距离和面积计算，光栅混合、对比度调节、海拔高度查询、视线计算，以及一些高级功能，如图像校正、通过地表数据进行轮廓生成、通过地表数据观察分水岭、对3Dpoint数据转换为三角多边形和网格化等。

4 便携式无人机在野外拓展运用实践暨技术方法

简易型便携式无人机进行即时的地质灾害应急调查和矿山生态环境恢复治理等地质环境动态监测工作具有直观、快捷、精准、良好的效果，但从配置、载荷与性价比的综合考虑,便携式无人机未配装卫星定位仪和航测比例尺，在需拼接成图时遇到确定地理座标、标识比例尺、方位方向等难题；现根据近年实践经验，利用野外作业技术人员已配置的地质罗盘、GPS卫星定位仪、激光测距仪等，对便携式无人机在野外拓展运用需连续航测拼接标准成图时的技术方法进行探讨。

4.1 对便携式无人机部分飞行参数的设置

连续航测拼接标准成图时，需尽量保持无人机在同一飞行高度平移航拍，但靠手动长时间遥控保持无人机在同一飞行高度难度较大。根据野外地形、航测面积、分辨率要求，对便携式无人机飞行参数的最大飞行高度进行设置：对面积较小、地形平缓、相对高差小于50m、分辨率要求高的，一般设置最大飞行高度100～200m；对面积较大、地形起伏、相对高差较大的，设置最大飞行高度300～500m；利用无人机飞行参数最大飞行高度的设置，只要保持最大飞行高度平移航拍，基本可形成相同比例尺的连续航拍照片。

4.2 无人机航测（起航）点的选定

航测（起航）点应尽量在航测范围的平面和高程相对中点的位置选取，要求相对平缓、视野开阔（与民居楼房、高大树冠特别是高压电线保持一定距离），与其它标志性地形地物视距沟通友好，一般选定一个航测（起航）点即可完成工作任务，如需选取多个航测（起航）点才能完成工作任务，需设置所需最大高度作为所有航测（起航）点飞行高度。以形成相同比例尺的连续航拍照片。因航测（起航）点还作为GPS卫星定位仪、激光测距仪、地质罗盘方位确定原点，无人机航测（起航）点选定后，在起飞原点要做好醒目的“十”字标识。

4.3 GPS卫星定位导入地理座标

在航测（起航）起飞原点的“十”字标识处，利用野外作业技术人员已配备的GPS卫星定位仪进行地理座标GPS卫星定位；进行地理座标GPS卫星定位时为尽可能消减误差，每到一地使用前需对GPS坐标dx、dy、dz、da、df参数转换，GPS卫星定位准确性与所接收到信号的卫星颗数有关，一般有4颗卫星信号就能定位、但定位误差在10m左右，接收越多颗卫星信号定位误差越小，要求GPS卫星定位误差在个位数之内。GPS卫星定位地理座标数据在室内成图时，即以该地理座标扩建成全图框地理座标。

4.4 激光测距仪对标志物测量精确距离（导入比例尺）

在航测（起航）起飞原点的“十”字标识处，利用野外作业技术人员已配备的激光测距仪选取较为明显易见的地形地物标志物进行测距、导入精确距离；激光测距仪测距范围在5～500m，选取地形地物标志物测距的距离以100～450m为佳，并该地形地物标志物在直视和俯视均要易于辨认识别。激光测距仪精确测量距离数值在室内成图时，即以激光测距仪地形地物标志物精确测距距离构建成全图面的比例尺。

4.5 利用地质罗盘标识确定航测照片方位

在航测（起航）起飞原点的“十”字标识处，利用野外作业技术人员已配备的地质罗盘选取较为明显易见的地形地物标志物测定相对方位方向；利用地质罗盘测量方位方向时，选取地形地物标志物测距的距离以目视清晰为准、以300～1000m为佳，并该地形地物标志物在直视和俯视均要易于辨认识别。利用地质罗盘测量方位方向数值在室内成图时，即以地质罗盘对地形地物标志物测定相对方位方向构建成全图方位方向。

4.6 野外的现场校验核查

便携式无人机野外拓展运用航拍正射影像图与以往的航片、卫片有所不同，其影像、色彩、色差、分辨率、映射状况、立体效果等，都与以往的航片、卫片正射影像图都有较大的差别和变化（平面状态反映较为突出直观），在现有图像分辨率条件下，在野外可多选取一些航测（起航）点、地形地物标志物进行测定，对有疑问现场调查校验核查。野外现场调查校验核查主要对疑似问题、隐蔽工程等航拍暂无法完全解译部分进行现场调查校验核查。

4.7 航拍影像进行室内处理、形成正射影像图

便携式无人机高精度航拍外业工作，所获取的大量实测数据进入对航拍正射影像图拼图和解译评价阶段。运用Adobe Photoshop7.0.1制图软件对单帧航拍照片进行处理，最终形成正射影像图解译评价。

5 新型无人机航测与传统矿山监测手段对比及体会

在对地质环境动态监测特别是矿山生态环境保护与治理恢复的实践过程中，各型无人机航测与传统矿山监测手段对比具有度量精准、省时高效、直观便捷等优势。

过去运用传统地质环境动态监测手段，一个矿山都需一个野外作业小组3～5天的野外实地调查测量，大型矿山或相对复杂的矿山（矿山生态环境保护与治理恢复项目数量较多的）可能还需10～20天，加之室内资料整理、编写评价报告，总需时要1～2个月。

采用无人机动态监测航测后，单独矿山野外作业一般半天至一天就可采集完成所需数据，特别是集中连片的矿山集中区可以成片飞行的区域可以考虑使用电动无人机或油动固定翼无人机进行大面积航飞，优势明显。

6 各型无人机航测实践运用问题与建议探讨

在地质环境动态监测特别是矿山生态环境动态监测中，经过对各型无人机的实践运用提出所存在的一些问题与解决问题的建议：

（1）起降技术改善与抗风性能提高。无人机工作环境一般在山区,平坦地少,树木、电杆、房屋多,对于需要滑跑、滑降的较大型的无人机来说,难以满足起飞要求勉强起降会大大增加飞机损坏的可能性，如果使用小或轻型无人机则由于飞行高度低,在低空作业时受风速、风向影响大。如何很好的利用弹射起飞、撞网回收技术降低无人机对起飞场地的要求以及在不增加重量或尽量轻的条件下提高抗风性能保证飞行的稳定性,是各型无人机急需解决的问题。

（2）各型无人机航测精度与航测成本问题。目前我们运用的多旋翼无人机、电动无人机和油动固定翼飞机航拍的分辨率在0.1～1m，基本能满足地质环境动态监测既矿山生态环境保护与治理恢复动态监测的要求。因一般分辨率在1m以内，但在实践运用中常发现有些一年内新植的马尾松或其它树种幼苗无法分辨的情形，需精度和成本综合考虑统筹解决问题。专业型无人机航测系统的价格一般在数十万至数百万元不等，航拍每km2直接成本在数百至数千元不等，内业处理生成航拍正射影像底图每km2需要数百元，加之矿山生态环境恢复治理情况航拍正射影像图解译评价，分辨率在1m以内时基本每km2综合成本在上千元之间；简易型便携式无人机从配置、载荷与性价比的综合考虑,未配装卫星定位仪和航测比例尺，在需拼接成图时遇到确定地理座标、标识比例尺、方位方向等的较大难题；现仅根据本人多年实践经验，利用野外作业技术人员已配置的地质罗盘、GPS卫星定位仪、激光测距仪等，对便携式无人机在野外拓展运用需连续航测拼接标准成图时的技术方法进行了一些探索。

（3）新型无人机信息量和数据处理量巨大，数据传输、数据存储和数据处理能力函待提高。以2015年重点抽查20个省级发证露采矿山为例，单个矿山航拍正射影像底图数据就达4～10G，20个矿山共约100G。如果敖江流域约200个石材矿山单航拍正射影像底图数据就达1000G多，普通办公用计算机能力根本无法数据传输、数据存储和数据处理，需购置专业用计算机解决。

（4）地质环境动态监测之矿山航测解译评价中疑似问题的现场调查校验核查。利用各型无人机对矿山生态环境保护与治理恢复动态监测航测，与以往的航片、卫片解译有所不同，其影像、色彩、色差、分辨率、映射状况、立体效果等都与以往的航片、卫片正射影像图都有较大的差别和变化，在现有图像分辨率条件下，对矿区范围内的部分工程治理措施，如截、排水沟，地采硐口封闭整治等暂无法解译，需要对矿山航测解译评价中疑似问题的现场调查校验核查。在解译评价过程中，结合实际情况对矿山航测解译评价中疑似问题的现场调查校验核查，现场调查校验核查主要对疑似问题、露天矿山生态环境保护与治理恢复的部分治理措施如拦渣坝土石方量、地表塌陷、排水沟、沉淀池等浆砌石土石方量，覆土整治土石方量、土地复垦等，植树株数、播草籽数量等航拍暂无法完全解译部分进行现场调查校验核查。

7 无人机航测在国土资源领域扩展运用的前景

我国地域广袤，自然资源领域构建“数字国土资源”快速地质环境动态监测的任务迫在眉睫。随着自然资源管理技术信息化步伐加快，各型无人机航测在自然资源领域的普及应用前景广阔。

各型无人机航测在便捷高效地满足测绘行业基础测绘、自然资源普查及调查、矿山生态环境保护与治理恢复动态监测、矿产开采监测、城镇规划、新农村建设、生态环境调查监测与评估、地籍测量、土地利用变更监测与核查、土地执法检查、地质灾害监测、灾情监测、高危地区探测、远距离应急救灾、电力勘测巡线、管道监测、应急保障、高速公路（铁路、石油管道）航摄以及农林、水利监测、海洋监测、自然资源科研基地系列技术研究等方面的应用具有广泛而美好前景。

8 结语

本文是新型无人机地质环境监测应用实践过程中，从无人机地质环境应用、航测设备系统及性能、高精度航拍和解译评价、便携式无人机野外拓展运用实践、航测与传统矿山监测手段对比、无人机航测实践运用问题与建议、航测在国土资源领域扩展运用的前景等方面，强化科技创新引领、促进地质环境工作，综合对各型无人机在地质环境动态监测特别是矿山生态环境动态监测的实践运用问题与建议探讨。以加快自然资源管理技术信息化步伐，促进新型无人机在自然资源领域的普及应用，努力为构建自然资源领域“数字自然资源”而添砖加瓦！