消费级无人机遥感在矿区土地调查中的应用

康新亮

(西山煤电(集团)有限责任公司 地质处，山西 太原 030053)

随着无人机技术的快速发展，设备费用不断降低，操作不断智能化、自动化，使得无人机的使用成本和学习成本可以被一般工程作业单位和科研机构所接受，在日常测绘、调查中也得到越来越广泛的应用[1-3].目前，在很多调查、监测领域，无人机遥感发挥着越来越重要的作用，比如农林调查[4, 5]、地灾调查[6]、生态监测[7]等。

常规的矿区土地资源调查通常以调查人员地面巡查为主，任务重、工作强度大，需要的周期较长，而且还会受地形、天气和人为因素等限制。在调查过程中，如需获取对象的位置、尺寸数据，还需测量工作辅助。如果使用无人机配合矿区土地调查工作，可以部分解决传统作业方式人为因素大、效率低、大范围工作成本高、工作时间长等弊端[8]，并可提供一定精度的位置信息。

1 实验区概况

该次调查是针对西山煤电集团某矿的土地利用，并选取其中的典型对象——排矸场，进行无人机遥感成果的建模和应用。

某矿位于山西省西北部兴县与保德县交界处，属于剥蚀堆积低中山区，分布于岚漪河南北两侧的黄土梁峁地区。底部为三叠系中、下统砂页岩，表面被第四系黄土覆盖，沟谷两侧砂页岩出露，山顶多为塬峁状，为典型的黄土高原景观。

该矿排矸场位于矿区中东部的沟谷内，紧邻工业场地，占地面积40.93 hm2，设计容量1 384万m3，分三级堆放，设计排弃标高分别为1 042 m、1 100 m、1 124 m.排矸场现状见图1，大部分已进行覆土造林，一、二级矸石坝治理措施良好，一二级坝之间的平台已治理成矿山公园。排矸场所在位置的沟谷原始地形已不复存在。

图1 调查对象照片(二级坝附近)

2 消费级无人机遥感数据获取与处理

利用无人机低空遥感进行三维建模，多镜头倾斜相机是首选，但存在硬件成本高、使用门槛高等局限性。土地调查不是测绘，不需要很高的绝对点位(坐标)精度，在保证相对位置正确的前提下，分米甚至米级的成果也是可以接受的。因此，尝试使用较易获取的消费级无人机(大疆精灵4 pro)、搭载2 000万像素单镜头光学相机(原机标配相机)，采用预规划航线的航拍模式，建立模型并应用。无人机遥感数据获取与处理过程如下。

1)外业航拍。

在航飞前，使用配套的飞控软件规划航线5条，S行线路，覆盖目标排矸场及周边。设置飞行高度150 m，航向重叠度80%，旁向重叠度65%.共飞行一架次，照相曝光间隔2 s，总飞行时间约12.5 min.手动剔除不合格的航片后(如曝光严重、对焦失败、拍摄拖影等)，共获取有效航片379张。

该调查不需要准确的绝对坐标信息，因此未布设像控点，使用无人机自带POS系统提供位置信息。

2)空中三角测量。

将筛选后的相片全部导入软件ContextCapture中，软件结合大疆精灵4 pro拍摄相片中所含的GPS信息进行空三运算，主要包括以下步骤：对特征点进行计算提取、匹配同名点、解算相片的空间位置和姿态角度、确定相片的相互关系。

3)三维建模。

三维模型构建主要包括密集点云生成、Tin模型构建和纹理自动映射3个步骤，由软件自动完成。期间需人工确定分割的瓦片数，使当前的计算机硬件性能被最大化利用。

最终生成的三维模型见图2，该模型包含了排矸场一级坝、二级坝和两级坝体间的平台。无人机遥感建立的三维建模，可以缩放、旋转，对于调查对象及其周边情况的掌握有很大的帮助，可以形象的展示、较为量化的测算，为决策提供依据。

图2 排矸场三维模型

正射影像模型和数字地表模型也可由无人机数据计算获取，非本文内容，不再讨论。

3 三维模型在矿区土地调查中的应用

建成的排矸场三维模型，不只是可以用来演示观摩，在需要的时候可以在模型上对长度、面积、体积进行量测，一方面减少了外业工作量，另一方面也可以在调查方案不完备的情况下，随时进行“补测”。

1)长度测量。

如图3所示，在ContextCapture软件中进行指定两点间的距离测量，获取排矸场一级坝顶部长度为115.79 m.

图3 排矸场的一级坝上缘长度测量图

现场使用全站仪实测该两点的距离为116.05 m，说明无人机三维模型可达亚米级精度。需要注意的是，由于没有像控点，模型只可用其相对位置(如长度、面积、体积)，不可用模型上点的绝对位置(如坐标)。

2)面积测量。

一级坝和二级坝之间的平台规划为矿山公园，如需测量面积进行设计、评估，可以在软件中对平台的边缘进行勾划，如图4所示，得到该平台周长为952.43 m、面积为5.11 hm2.

图4 排矸场平台面积测量图

3)体积测量。

如图5(取自模型上距现排矸场西南约300 m处沟谷)，如需要在矿山周边再寻找矸石排放场地，可以在建好的模型上勾划平面设计范围，然后填写设计标高(本例为985 m)，即可通过计算得到挖(设计标高低于山体表面高程时需开挖，共6.09万m3)、填(设计标高高于山体表面高程时需充填，共13.25万m3)方量。对于矸石排放而言，无需开挖已有山体，计算得到的填方量13.25万m3即为设计堆放范围中可以容纳的最大矸石排放量。

图5 排矸场周边扩容能力测量(挖、填方测量)图

在实际操作中，应根据设计的各级平台的高程分块计算该沟谷的容量，然后根据该矿每年矸石量，可进一步计算该排矸场的设计服务年限。

4 结 论

土地资源调查中的外业调绘工作相对艰苦。在矿区土地利用调查中，利用消费级无人机遥感构建某矿排矸场的三维模型，对无人机遥感在土地调查中的应用进行了总结分析。

1)土地资源调查中，外业调绘工作费时、任务重，应用无人机遥感可减轻这部分工作量，包括不可达、不易达位置的调查和地物尺寸的量测。

2)结合某矿排矸场调查的成果，构建的无人机三维模型可进行演示、量测，由内业处理可获取所需位置或区域的长度、面积和体积等参数，简化外业工作。

3)相对于专业级无人机，消费级无人机使用灵活、硬件和学习成本低，可满足以调查为目的的精度要求。在免像控的条件下，获取的长度可达到亚米级精度(本文实例为26 cm).