sUAS在露天矿山地质环境保护与恢复治理中的应用

刘建坡，王宇鑫

（1.河南省有色金属矿产探测工程技术研究中心,河南 郑州450016；2.河南省有色金属地质矿产局第四地质大队,河南 郑州450016；3.昆明理工大学 城市学院,云南 昆明 650051）

习近平同志于2005年8月在浙江安吉考察时提出了“绿水青山就是金山银山”的科学论断。开采露天矿山时,地表覆盖的大量植被遭到破坏,矿石上覆盖的表土和岩石被剥离,对自然地貌和生态环境造成了严重破坏,从而限制了社会经济的可持续发展[1-2]。露天矿山闭坑后会形成大大小小的露天采坑,不仅使良好的自然景观变得支离破碎、满目疮痍,而且会使裸露的地表产生大量的扬尘,严重影响身心健康和生态环境。除此之外,露天矿山开采还破坏了原有的土壤结构,受重力沉降、开挖边坡不稳定、排水设施不完善等因素影响,易引起水土流失、岩体崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害,危及人民生命财产安全。目前从中央到地方对环境的保护都非常重视,要求所有矿山企业都要严格执行国土资源部国土资源部令第44号《矿山地质环境保护规定》和河南省国土资源厅豫国土资发[2012]39号《关于进一步加强矿山地质环境恢复治理工作的意见》的要求,严格按照“边开采边治理,先设计后施工”的原则开展各项工作。 对废弃和在开采的矿山进行恢复治理和生态复绿,是保护生态环境、提高人们生活质量和保持经济可持续发展的必要措施。

1 无人机低空摄影测量的优势

对露天矿山进行地质环境恢复治理,第一步需要获取露天矿山的详细测量数据。传统的获取矿山数据的手段为利用GNSS-RTK和全站仪进行人工野外数据采集。该作业模式不仅效率低下,而且作业过程中也很不安全。将无人机低空摄影测量技术应用于露天矿山地质环境恢复治理工程的前期基础测绘中,能大大提高野外数据采集的效率、丰富性以及安全性,还能间接提高露天矿山恢复治理的效率和效益,从另一方面推动“数字矿山”建设,这也是航空摄影测量技术的发展趋势[3-7]。无人机低空摄影测量较传统测量的优势如表1所示。

表1 传统测量与无人机航测的比较

2 在露天矿山恢复治理中的应用

2.1 研究区概况

研究区位于河南省安阳市某露天矿区,占地面积约为2.467 km2,地形破碎、植被稀少,海拔高度为175～313 m（图1）。

图1 研究区位置概况图

2.2 仪器装备

本文采用大疆公司生产的Phantom 4 RTK无人机获取航拍照片（图2）。Phantom 4 RTK无人机因其价格低廉且具有先进的航测技术而被应用于专业测绘即泛在测绘领域。首先制作了多个1 m×1 m的地面控制点（GCP）标志牌,并实地布设于研究区；再利用天宝品牌（型号:SPS985）的RTK GNSS接收机对实地布设的GCP标志牌进行逐个测量；然后在飞行前利用Trimble Business Center和Google Earth制作航测作业KML文件,在航测时利用GS RTK App进行航线规划和飞行控制；最后利用Agisoft PhotoScan和Global Mapper对无人机获取的影像进行数据处理和输出。

图2 采用的仪器设备

2.3 飞行前准备

飞行前的准备工作对于影像数据质量至关重要。首先在开始作业前必须充分了解要航测区域和成果的应用领域；然后利用Trimble Business Center和Google Earth把GCP放置在指定研究区域内卫星地图的合适位置,航飞时借助智能手机上的奥维互动地图App把室内设计好的GCP放置在实地；最后利用GS RTK App进行航线规划以及设置飞行高度、航向重叠、旁向重叠、照相机拍摄角度和无人机速度等信息参数[8]。主要飞行参数设置为:航高为120 m,航向重叠度为80%,旁向重叠度为70%,飞行速度为8 m/s。

2.4 数据采集与处理

整个研究区面积为2 819 665.5 m2,飞行6个架次,共用时2 h 9 min。在一个架次电池用完,更换电池后需接着上个架次继续进行断点续测,整个测区共获得1 946张高精度航测影像。利用Agisoft PhotoScan对获取的影像进行数据处理,获得数字正射影像图（图3）、数字高程模型（图4）、点云以及三维立体模型（图5）等数字化成果[9]。在EPS2006、Global Mapper和南方地形地籍成图软件CASS9.2的支持下,制作了最终数字线划图局部（图6）。

图3 数字正射影像图

图4 数字高程模型

图5 真三维立体模型

图6 数字线划图

2.5 精度分析

通过比较实地布设的检查点测量结果可知,研究区的平面位置中误差为±0.053 m,高程中误差为±0.064 m,满足GB/T 7930-2008《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形图航空摄影测量内业规范》[10]要求的平地、丘陵地地物点平面位置中误差不大于图上0.6 mm,以及1∶500比例尺、平地地形要求的0.2 m规定。结果表明,Phantom 4 RTK 无人机测绘能满足地形测量精度要求。详细结果如表2所示。

表2 GNSS RTK实测坐标与无人机航测量测坐标结果比较表/m

2.6 成果应用

十八大以来,国家对自然环境的保护越来越重视,从中央到地方都在积极推动矿山环境恢复治理工作。露天矿山开采将对自然环境造成极大破坏,严重影响当地居民的生活质量。矿山环境的恢复治理工作主要包括矿山绿化、裸露岩石边坡植被恢复、工业尾矿和垃圾场的恢复治理等。常规测量很难对露天矿山进行详细测绘,效率低下,且为矿山恢复治理提供的成果单一。采用无人机低空摄影测量技术能对整个矿山的全貌及其周边环境进行快速摄影测量,形成正射影像图、数字表面模型、数字线划图、数字高程模型、实景三维模型等；能为矿山恢复治理设计方案的编写提供丰富、翔实的数据支持,为编写切实可行、高效的矿山恢复治理设计方案做好了前期基础资料准备工作；能为矿山的开发和治理规划提供高效、直观的帮助；能直观利用实景三维模型、正射影像图、数字线划图进行治理方案的设计编写工作,还可利用数字高程模型进行矿山恢复治理所需的工程量计算工作,不仅大大提高了矿山恢复治理的效率,而且降低了矿山治理的成本。通过正射影像图、数字表面模型、数字线划图、数字高程模型和实景三维模型,能很容易地确定需要开展边坡清理工程、土地整治工程、挡土墙工程、排水渠工程以及生物绿化工程等的位置。通过矿山恢复治理,能最大程度地消除采矿活动对矿山周边环境和居民生活的影响,恢复矿山生态环境和土地资源,使矿山恢复治理后获得显著的社会经济效益和环境效益。

3 结 语

无人机低空摄影测量技术是一种全新的测量技术,已逐渐成为地理信息采集与实景三维建模的重要手段。首先利用无人机低空摄影测量技术获取矿山恢复治理区域的精确二维照片,再通过专业摄影测量软件Agisoft PhotoScan的数据处理,形成矿山治理区域的真正射影像图、数字线划图、数字高程模型、实景三维模型等。本文主要以河南省安阳市一处露天矿山恢复治理任务为例,对小型旋翼无人机摄影测量成果进行了数据分析；通过分析检查点的精度,阐述了小型旋翼无人机摄影测量能达到的精度 以及相较于传统测量表现出来的优势。实验结果表明,小型多旋翼无人机摄影测量技术能满足大比例尺数字线划图的数据采集生产要求。在复杂、危险的露天矿区采用小型多旋翼无人机进行低空摄影测量,能大大提高工作效率,为地质环境保护与恢复治理工程提供高精度多源数据。