无人机测绘技术在矿区土地复垦中的应用研究

宋志鹏，李春梅，赵长胜，金 威，王 奇，李赋吟，耿誉峰

（江苏师范大学科文学院，江苏 徐州 221116）

矿产资源是我国促进经济发展过程中最重要的物质基础，尤其是改革开放以来，党和政府十分重视矿产开发工业的发展，发展了大批的新兴矿井。但是大量矿山开采，引起了地表塌陷，损害了土地结构，在一定程度上毁坏了地表的许多耕地以及基础设施，同时也给矿区生态环境造成了严重的破坏。在追求人与自然和谐发展的今天，矿区的土地复垦和生态恢复也成为一个亟待解决的问题。

矿区土地复垦和生态恢复是涉及土地、矿业、测绘、水利、农业等多学科的综合性工作,是一项系统工程。针对于此，习近平总书记曾在十九大报告中明确指出:“人类只有尊重自然规律才能有效的防止在开发利用自然上走向弯路，还自然宁静、和谐、美丽。”提倡金山银山不如绿水青山。提高矿区土地利用率和重建矿区生态迫在眉睫，尽快恢复矿区土地的作用以及加强对其生态的保护以及重建，为推动矿区的经济发展，也为我国的可持续发展提供支撑。

无人机测绘技术在当前得到了广泛的应用，其涉及到了城市规划、地质勘测、资源调查与监测多个领域[1]。无人机航测技术是无人机和数码相机不断发展最终结合得到的产物，是传统航空摄影测量的衍生，能快速的采取地形等数据。在测绘方面，由于对地形精度的要求越来越高，较之部分区域地形较为测量，传统测量方法测量存在较大困难，无人机航测技术的优势也逐渐体现出来。王湘文等[2]通过无人机测绘技术进行大比例尺地形图绘制，并证实了其可行性；姜尚洁等[3]利用无人机，实时获取道路车辆多源影像，从而测算车辆速度，为道路监控管理部门提供一种高效率、机动灵活的监测模式。无人机测绘技术在信息收集、信息处理以及影像资料获取等工作中,有着重要作用[4]。随着我国进入到生态文明建设时期,学者们对矿山土地复垦的研究不再仅限于复垦适宜性评价和效益评价,而是更关注矿区土地的生态恢复治理问题[5-7]。

本文结合安徽省淮北市刘桥二矿实际问题，通过实地踏勘、方案设计，应用无人机进行了野外数据采集，并进行了图像和数据处理，在此基础上，对矿区塌陷地进行了土地复垦以及生态恢复问题研究。

1 基于无人机测绘的矿区土地复垦与生态恢复研究

1.1 研究目标

①无人机测绘技术应用于土地复垦精细测量方案；②通过密集匹配获得的点云数据，建立精确的地形三维模型，实现土石方，面积等的精细计算，为土地复垦和生态恢复提供依据；③利用三维点云数据绘制测区的精细地形图和三维可视化图件，为土地复垦和生态恢复提供详细，准确的测量数据资料。

1.2 研究方案

根据项目研究的内容和研究方法，制定技术路线图。技术路线主要包括如下内容：①对目标物体进行倾斜摄影及控制点量测，获得影像图及高精度野外控制点，为后续工作提供好的数据资料;②对采集的数据进行预处理，去除不需要的冗余数据，为后续工作提供精简的数据资料;③对外业获得的航空影像及控制点数据利用Smart 3D数据处理软件及密集匹配算法进行精细三维建模及正摄影像图的制作，并结合EPS三维测图、CASS等软件进行模型分析，获得边界线，面积，体积等基本资料，为土地复垦提供初始数据资料;④通过上述资料进行土地复垦研究，分析土地可利用状况，提出有效的土地复垦与生态恢复方案。具体流程如图。

图1 工作流程

2 数据采集

2.1 测区概况

刘桥二矿位于东经116°32′-116°44′，北纬33°44′-33°52′之间，坐落于安徽省淮北市濉溪县境内，距县城20公里，东距宿州市、西距河南省永城市各34公里,地处苏、鲁、豫、皖4省交界处，属于平原丘陵地区，海拔在15m～40m之间[8]。平川广野是淮北市地貌的主要特征，隶属暖温带半湿润季风气候区，总的气候特点是四季分明，矿区土质主要以潮土为主，土质疏松且湿度较大。土壤的透气性较差，土壤厚度在0m～2.5m之间，表层0.25m为腐殖层，有机物含量较高，土质较松散。其下0.25m土壤层为块状结构，砂石较少，植被较为稀疏，地表裸露严重。

2.2 像控点布设与量测

为了提高测量区域精度的有效性，在前期踏勘工作完成时，针对于矿区主要区域为旱地、农地、水域以及水泥路，准备了油漆、铁钉等其他物品，对测区进行了像控点布设，主要原则在测区内均匀覆盖，覆盖整个测区，选择标志性物体以及避开较容易遮挡的地方，能够长期保存。在遵循这些原则下，在测区内布设了28个控制点，以及三个已知控制点。

由于所测区域没有CORS，在进行像控点测量时，采用“1+1模式”1个主控站加上1个流动站，在所测区域中心位置架设主控站，确保发射的差分信号能够辐射整个测区，架设好主控站后，设置相关参数，将流动站连接上主控站。之后即可到布设好的像控点处进行测量，将测量完成后的像控点坐标，根据三个已知点的坐标进行点校正，作为内页制图时刺点。

2.3 无人机影像拍摄

采用大疆精灵4 RTK无人机，通过实地踏勘，确定航高、规划航线，为了更好地表达地表起伏设置倾斜角为45°，影像重叠度60%，摄影分辨率为5472×3078，焦距为8.8mm。

无人机航线规划主要分为5个步骤：①启动遥控与飞行器，并连接上网络。②打开网络RTK，确保实时定位。③设置测区。选择相应的摄影方式，遥控器上会出现相对应的区域，则可手动选择，或者在踏勘完成时，可在谷歌地图上选择所需测量区域。④设置相应的参数。例如：飞行高度、重叠度、摄影倾斜角度等。⑤执行飞行计划。在设置完成后，点击“确定”键，右滑开始作业即可。由于测区内存在两块较大区域的水域，故测区类型选择为水域。

3 数据处理

3.1 矿区三维模型与正射影像图的生产

利用Smart 3D软件进行三维建模以及建立正射影像。首先打开Smart 3D软件，新建一个工程与修改工程名称，并将工程目录选到prj文件下。进入到Smart 3D软件界面，事先将所有航飞影像加入到一个文件夹下，方便后面选择，点击导入视频后，选择所有的航飞影像，即可开始导入影像，导入完成后，会提示有无不可用图片，如有把不可用图片删除即可，之后在操作界面把所有的感应尺寸以及焦距选中，右键选择导入光学属性，根据大疆无人机精灵四代写入相机参数，然后在航飞影像上根据之前的像控点采集，找到相应位置，进行刺点，完成后选择提交，就开始进行空中三角测量计算，结束后利用EPS软件，打开软件，建立工程打开此工程EDB文件，在下一界面点击三维测图下的加载本地倾斜模型，然后找到Production1下的Data.dsm文件并打开，就能打开三维模型；正射影像就在三维测图下的加载超大影像，找到Production2选择所有文件打开，然后建立金字塔文件，完成后就显现出正射影像。

3.2 矿区地形图的绘制

运用EPS软件以及CASS软件进行地形图绘制，首先在EPS上按上述步骤打开其三维模型以及正射影像，根据这两份影像绘制出地形图，然后利用CASS软件将缺少部分完善。

4 矿区生态恢复

为了能使采矿业得以存在，在开采矿产资源的同时，又保护环境以及土地，矿区的土地复垦和生态恢复工作显得尤为重要。针对于淮北市刘桥二矿，根据全面系统、因地制宜、可持续利用原则，对矿区土地进行复垦和生态恢复工作。

图2 正射影像（左）与三维模型（右）

图3 矿区地形图

通过对所采集数据的分析和处理，设计出以下两种分案。

（1）将土地复垦工程技术与生态工程技术相结合，对采煤塌陷地进行系统设计、整治和开发利用，由于实验区存在塌陷区，根据“挖深垫浅”的原则选取了“桑基鱼塘”模型，充分发挥生态系统中的物质循环作用，以最小的成本达到最大的经济效益。

（2）遵循因地制宜原则，由于其所处地交通便利，规划时，将原本塌陷处做成湿地，对原有的水系进行适当沟通与调整，不做大量额外的工作，对之前的旱地进行改造，修建游乐园、商业区等，将其建设成为一个微型湿地公园。

设计完成后，利用CASS软件分别对两个分案进行各区域填挖方量的计算。计算结果如表1。

表1 方案一中各块区域的计算结果

为满足鱼塘养鱼深度为2～3米需求，实地测量出鱼塘平均深度约为2.3米，满足需求，在计算填挖量时，只需将鱼塘规划扩建区域的面积乘以填挖高度就可以求出,设计下挖高度2.3米。针对于鱼塘Y1,通过cass软件查询规划后的面积减去为规划前的面积为扩建面积：95670.1平方米减去81534.5平方米为14135.6平方米，则求出所需挖方量为32511.88立方米；对于鱼塘Y2，查询得到规划前面积为66461.3平方米，规划后的面积为76574.6平方米，挖方量为23260.59立方米。本方案总挖方量159810.87立方米，总填方量159444.1立方米，合计需要填方量366.77立方米。

在两片塌陷区的基础上，进行挖深修建湿地湖泊，因为不进行养殖，不需要挖很深，设计下挖1.5米。采用于方案一一样的方法计算出挖方量，湿地S1规划前面积81534.5平方米，规划后面积101783.4平方米，计算挖方量为30373.35立方米；湿地S2规划前面积66461.3平方米，规划后面积79868.2，挖方量为20110.4立方米。

最终，此方案总挖方量138791.55立方米，总填方量137819.8立方米，合计需要挖方量917.75立方米。

表2 方案二中各块区域的计算结果

图4 方案一

图5 方案二

5 方案的比较与评价

从生态方面看，两种方案都对塌陷区进行了土地复垦以及生态恢复工作，都解决了塌陷区土地荒废的问题；从工程量上看，方案一的工程量大于方案二，但是方案一最终的结果更接近于规划区域土方量平衡原则，方案二湿地公园成本太高；从区域经济效益来看，方案一从养殖业以及手工业带动了地方经济发展，增加了更多就业机会，方案二主要从第三产业带动了地方经济，两者各有优势；从可持续性来看，方案一“桑基鱼塘”是典型的因地制宜农业生产模式，体现了物质循环再生原理，方案二中，能够长期带动地方旅游业，但是会受到季节影响。

综合考虑，在选取方案时，本文建议选择方案一。

6 总结

将无人机测绘技术运用于矿山测量当中，充分发挥其低空摄影测量的优势，不断实现测绘手段向着自动化、智能化的方向转变，减少测绘人员的工作量，满足矿山测量要求，改善测绘手段。加强对矿山生态恢复和重建工作，对合理利用土地和人与自然相协调发展等方面具有较大意义[9]。充分利用无人机测绘技术，及时为矿区工作提供数据支持，有效提高矿山测量工作和矿山生态恢复工作的工作水平和效率。