无人机遥感技术在麻地梁煤矿中的精度分析及应用

徐十锋，吕文星，高亚军，李虎

(1.黄河水利委员会水文局， 河南 郑州 450004；2.内蒙古智能煤炭有限责任公司， 内蒙古 鄂尔多斯市 017000)

0 引言

水土保持监测是指对水土流失发生、发展、危害及水土保持效益进行长期的调查、观测和分析工作。我国一系列法律法规和技术标准明确了生产建设项目水土保持监测的相关责任、监测阶段、监测内容、监测方法。2019 年水利部关于水土保持监管的意见和通知，进一步加强了水土保持监督管理，要求各级行政主管部门和流域管理机构采用遥感监管、现场检等“互联网+监管”的方式，实现项目全覆盖，对生产建设项目实行水土保持监测“绿黄红”三色评价[1]。在此背景下，传统的水土保持监测手段存在精度不够、工作量大、工作效率低等弊端[2]，认真做好生产建设项目水土保持监测工作是防治水土流失的重要手段。本文以黄土高原地区麻地梁煤矿水土保持监测项目为例，介绍了无人机遥感技术手段，分析了无人机遥感技术监测的精度影响因子[3]。项目监测过程中应用的传统水土保持监测手段和无人机遥感监测手段相结合可为后续水土保持监测工作[4]提供参考。

1 研究区概况

内蒙古智能煤炭有限责任公司麻地梁煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗东南隅。矿区由工业广场区、场外道路区、水源及供水管线、供电通讯线路和矸石临时堆置场组成，于2010 年1 月开始施工，2019 年10 月完工。项目区地处鄂尔多斯黄土高原的东北部，区内第四系黄土覆盖广泛，厚度一般在15～120 m，地形破碎，沟谷纵横，基岩大部分在沟谷出露。部分地段被风积沙覆盖，由于受径流的影响，沟谷多呈树枝状，地形总趋势为东南高西北低；海拔标高在960～1350 m。项目区植被类型为典型干旱草原植被，林草覆盖率在20%～30%左右，经实地调查项目区土壤侵蚀模数背景值为3124 t/(km2·a)。本项目建设期持续时间较长，在实际监测过程中，运用了传统监测与无人机遥感监测相结合的方法。

2 传统水土保持监测手段

生产建设项目水土保持监测内容主要包括施工准备期的地形地貌监测、地面组成物质监测、水文气象监测、植被因子的监测、土地利用现状、水土流失状况，工程建设期的扰动土地情况监测、取土（石、料）弃土（石、渣）监测、水土流失情况监测、水土流失隐患及危害监测、水土保持措施监测，自然恢复期的水保措施运行状况及防护效果监测、项目6 项指标达标情况评价。

生产建设项目的传统监测方法主要包括径流小区、控制站、测钎、沉沙池、侵蚀沟量测等地面小区监测、调查监测、现场巡查、测量等。地面监测、调查监测、资料分析等监测方法方便易行，已被广泛应用于水土保持监测工作中。

随着经济社会的快速发展，传统的水土保持监测手段出现了诸多弊端。实际监测过程中，项目建设区域扰动面积的监测主要采用GPS 巡航方法，要确定区域的边界线和地理坐标，而且要同时确定不同分构的界线、面积，传统的测量方法精度较低，人为影响因素较大。林草覆盖度采用样方法，先确定调查地样方，现场量测、计算郁闭度（或盖度），再计算出场地的林草覆盖度，同样存在样方选择误差。临时堆土面积、体积采用直接量测和调查分析结合方法，堆积形状不规则时直接测量存在较大误差。

综上所述，传统的监测手段需要投入更多的人力、物力和时间，已不能满足水利行业强监管形势下对水土保持监测工作精细化和智能化的新要求。

3 无人机遥感技术手段介绍

随着社会的发展，卫星遥感逐步成为水土保持监测的手段，《生产建设项目水土保持监测规程（试行）》（2015−139）规定点型项目不小于100 hm2的应增加遥感监测方法；线型项目山区（丘陵区）长度不小于5 km、平原区长度不小于20 km 的应增加遥感监测方法。遥感影像空间分辨率应不低于2.5 m。卫星遥感技术能较快地获得项目区的扰动土地面积等数据，但也存在诸多问题。一是分辨率低，难以满足水土保持监测的工作需要；二是商用卫星遥感影像价格昂贵，制约了商用卫星遥感在水土保持监测工作中的应用[5]。小型无人机低空遥感技术解决了上述问题，在水土保持监测工作中得到了广泛应用。

3.1 无人机遥感监测技术路线

无人机遥感技术作为遥感影像资料获取手段之一，具有方便、快捷、高分辨率、低成本等[6]特点。近年来无人机遥感在技术水土保持监测工作中得到广泛应用。大疆无人机Mavic 2 Pro 具有携带方便、操作简单、起飞条件简单、分辨率高等特点。本文以工作中应用的大疆无人机Mavic 2 Pro 为例。

大疆无人机Mavic 2 Pro 飞行器使用CMOS 图像传感器，可稳定拍摄4K 超高清视频与4000 万像素照片，最大飞行速度为72 km/h，最长飞行时间约为31 min。主要技术路线见图1，步骤如下。

图1 无人机遥感技术路线

（1）经现场查勘、施工单位报送资料及工程施工进度和工程范围图，在现场确定扰动区域的基础上，划定边界位置，规划出项目区无人机航线。

（2）根据场地地形地貌、面积、范围，综合确定项目区飞行高度、相机角度、重叠度、飞行速度、分辨率等参数。

（3）经过航线规划、飞行参数确定及无人机各项指标信息检查无误后，开启自动飞行拍摄。

（4）拍摄的影像数据可根据不同的处理软件处理建模，本文以Pix4Dmapper 软件为例，主要包括建立项目、输入参数设定、输出参数设定、自动处理等程序，生成正射影像、编辑云数据、DSM 数据。

（5）根据软件处理生成的数据读取项目各分区扰动土地情况、取土弃土情况、水土流失情况、水土保持措施、林草覆盖面积等水土保持情况。

3.2 无人机遥感精度影响因子分析

无人机携带的照相机设置的光圈值、曝光时间、图片重叠度、分辨率和飞行高度等参数直接影响拍摄照片的质量[7−8]。

无人机在飞行过程中，受到风力、气流等影响，无人机飞行不稳定，发生位置偏离会影响拍摄图片的重合度。同样，外界因素或者人为操作会使角度发生偏离，影响正射影像质量。无人机的飞行速度也直接影响拍摄图片的质量。

目前市面上有许多三维处理建模软件，但不同的软件侧重点不同、算法不同，对计算结果有直接影响。

精度与角度（风速大、气流影响会影响飞行偏航、角度偏离）、高度保持一致性，相片重叠度、飞行速度、分辨率要保持一致（由分辨率数学模型可知，在相机传感器尺寸、镜头焦距与视场角等硬件参数一定的情况下，分辨率倍率值与航高无关，由倾斜角度决定），自动飞行可提高观测精度。

4 无人机遥感技术的应用

在麻地梁煤矿水土保持监测中，采用了无人机遥感监测航拍进行水土保持监测，内容及方法见表1。

表1 麻地梁煤矿无人机遥感内容及方法

（1）参数设置。根据项目特点，本文采用DJI携带的FC220 照相机，设置的光圈值f/2.2，曝光时间1/562 s，水平和垂直分辨率72 dpi，图片重叠度为70%，拍摄角度为90°，相对高度为100 m。

（2）飞行设置。为了保证拍摄图片质量，选择天气较好、风速较小的时间飞行。由于人工控制飞行的速度和飞行的相对高度无法达到完全一致，拍摄的图片重叠度无法保证，影响后期处理的精度。本项目借助Pix4D 软件进行无人机自动飞行，保证了无人机飞行控制，最大限度提高了拍摄图片的质量。

（3）图像处理。本项目选择Pix4Dmapper 软件作为图像处理软件建立相应模型。主要包括建立项目、输入参数设定、输出参数设定、自动处理等程序，生成正射影像、编辑云数据、DSM、DEM等数据，如图2～图3 所示。

图2 麻地梁煤矿无人机遥感监测正射影像图（DOM）

图3 麻地梁煤矿无人机遥感监测合成数字地表模型（DSM）

（4）精度分析。根据前文参数设置，Pix4D mapper 软件自动生成质量报告。结果显示，项目平均地面分辨率为8.25 cm。每张影像特征点数量中位数为63 746 个。初始和优化的内部相机参数之间的相对差异为2.68%。生成图像精度满足生产建设项目水土保持精度的要求，并且远优于人工测量的精度。

5 结果与分析

本文根据Pix4Dmapper 软件进行相关计算分析。根据Pix4Dmapper 平面对象创建功能实现扰动土地等面积量取；根据扰动前原地貌与不同时期监测成果，导入Pix4Dmapper 空三射线进行叠加分析计算临时堆土等方量（见图4）。根据Pix4Dmapper点云分类操作计算得出不同的水土保持措施情况。

图4 Pix4Dmapper 软件测量临时堆土面积、体积

5.1 扰动土地情况监测

经遥感监测和实地调查，项目区水土流失防治责任范围总面积为55.04 hm2（永久占地36.04 hm2，临时占地19.00 hm2）。其中，工业广场占地29.74 hm2，场外道路占地5.53 hm2，水源及供水管线占地6.45 hm2（永久占地0.05 hm2，临时占地6.4 hm2），供电通讯线路占地12.71 hm2，矸石临时堆置场占地0.61 hm2。

5.2 临时堆土监测

根据水土保持方案报告书、初步设计等，结合遥感监测和实地调查，本项目临时堆土来源于项目区表土剥离。项目区共剥离表土29 610 m3，其中工业广场剥离表土19 800 m3，矸石临时堆置场剥离表土900 m3，场外道路剥离表土8910 m3。

5.3 水土流失情况监测

水土流失情况监测主要包括土壤流失面积、土壤流失量、临时堆土场潜在土壤流失量和水土流失危害等内容。

通过监测，工程共扰动地表面积为55.04 hm2，产生水土流失面积为35.85 hm2。

经监测分析，麻地梁矿井及选煤厂工程水土流失总量为22 588.8 t（其中施工期水土流失总量为21 575.1 t，自然恢复期水土流失总量为1013.7 t）。新增水土流失量为8187.8 t。

5.4 水土保持措施监测

水土保持措施监测内容主要包括工程措施、植物措施和临时措施的类型、开（完）工日期、位置、规格、尺寸、数量、林草覆盖度（郁闭度）、防治效果、运行状况等。

经监测，项目区扰动土地整治率为98.5%，水土流失总治理度为97.7%，土壤流失控制比为0.9，拦渣率98.8%，林草植被恢复率为97.2%，林草覆盖率为52.2%。满足批复的水土保持方案的防治目标要求，工程建设新增水土流失得到了有效控制，改善了项目区的植被生态环境。

6 结论与展望

无人机遥感技术作为遥感影像资料获取手段之一，具有方便、快捷、高分辨率、低成本等特点。本文将传统水土保持监测手段和无人机遥感监测手段相结合对麻地梁煤矿项目进行水土保持监测，提高了监测精度，减少了资源投入，取得了良好效果。随着信息系统、移动端、互联网+等相关技术的发展，无人机遥感技术将更广泛地应用于生产建设项目水土保持监测、水土保持设施验收、水土保持监管工作中，本文无人机遥感技术的应用可为类似项目提供参数。