无人机倾斜摄影技术在露天矿山监管中的应用

张维生

(漳州市测绘设计研究院，福建 漳州 363000)

1 引 言

中国是全世界最大的矿产资源开发利用国家之一，矿产资源的开采促进了我国社会经济的快速发展，但是也极大地破坏了原始生态环境。早期矿山的不规范开采行为严重破坏了矿山周边生态环境，造成了大量的废弃石堆、危岩，常常引发泥石流、滑坡等地质灾害，严重影响着人们的生命财产安全和正常的生活秩序。因此，有必要对矿山开发利用状况、矿产资源规划执行情况和矿山地质环境治理恢复执行情况进行动态监管，保证矿山的可持续发展[1]。

传统的矿山监管大多以人工实地巡查为主、卫星遥感影像解译为辅，但是人工实地巡查受客观因素影响较大，容易出现遗漏，且需要大量的人力、物力和财力投入，效率低下，在露天矿边坡容易出现的滑坡裂隙地段，人员进入存在很大的安全隐患；而卫星遥感影像数据获取周期长，现势性不够[2]。为了适应新形势下矿山动态监管的要求，无人机倾斜摄影技术开始被广泛应用。无人机倾斜摄影技术通过无人机平台上搭载多台传感器，运用多角度相机同步获取地面物体各个角度高分辨率航摄影像，配合先进的定位、融合、三维模型处理系统等技术，自动生成高精度数字正射影像、数字高程模型和实景三维模型。相比传统测量技术，无人机倾斜摄影技术能够实现空间三维地理信息数据的快速获取、处理与应用，成果信息量丰富，且具有三维分析量测功能[3]。同时无人机具有轻巧灵动的特性、作业高效迅速、可高频监测、成本低廉及数据成果精确等优点[4]，已经在矿山测量[5]、矿山修复[6]、矿山地质环境治理[7]中得到广泛应用。文章以漳州市2021年度全市65个持证露天矿山的动态监管工作为契机，开展无人机倾斜摄影数据获取、数据处理、数据分析，探讨无人机倾斜摄影技术在露天矿山违法开采、矿山开发利用状况、地质环境治理恢复等动态监管中的应用。

2 监管工作情况介绍

根据《福建省矿产资源监督管理办法》要求，为有效监管矿山的违法开采问题，确实规范矿山边开采边治理和资源节约集约利用，为漳州市“大抓工业、抓大工业”提供有效的矿产资源支撑和生态环境保障作用，漳州市开展了2021年度持证露天矿山无人机监管测绘工作。工作要求每个季度对65个持证矿山进行一次全覆盖无人机航摄，并结合矿山成果数据、矿山监管要求编制监管报告，为矿山管理、生态修复、耕地保护、地灾治理等问题提供意见。漳州市65个持证露天矿山分布于各个县区，分布较为零散，且大多位于山区，交通困难。矿山分布位置如图1所示。

图1 漳州市持证矿山分布图

3 无人机倾斜摄影技术

本文通过无人机倾斜摄影数据获取、数据处理、数据分析，编制矿山监管成果报告，为矿山监管工作提供数据支撑。详细流程图如图2所示：

图2 生产流程图

3.1 飞行平台

本文采用大疆PHANTON 4 RTK作为飞行平台，PHANTON 4 RTK是一款具备高精度测绘功能的航测无人机，具备厘米级导航定位系统和高性能成像系统，搭载DJI FC6310R单镜头倾斜相机，有效像素 2 000万。

3.2 倾斜摄影

开展无人机倾斜摄影前，首先需收集各个矿山的采矿权范围线，转换成谷歌kml文件，导入奥维地图，做好路线规划，并进行前期设备质量检验、相机校验等工作。

由于搭载的相机是单镜头，实施倾斜摄影时采用将镜台倾斜一个角度并加大重叠度井字形飞行，首先平行飞行一个来回获取前后两个方向目标影像，再从垂直方向飞行一个来回获取左右两个方向的目标影像：最后再飞一组正射影像，然后再飞一组正射影像，来完成5个不同方向采集地表目标影像[8]。无人机倾斜摄影航线设计要求如下：

(1)影像地面分辨率优于2 cm；

(2)航向重叠70%～80%，旁向重叠70%～80%；

(3)相对航高80 m～100 m，相机倾斜角度30°(云台角度-60°)。

(4)飞行航线至少超出矿山范围线一个相对航高值。

3.3 像控布设

为了提高航测精度，保证成果质量，每个矿山在航飞前必须先布设像控点。像控点布设方案采用周旺辉等在控制点布设对低空小型无人机高分影像精度的影响[9]一文中提到的四周均匀布点加少量内部控制的方法为最优布点方式进行布设。像控选点应充分考虑现场地形地物情况，将控制点布设在清晰的明显地物折角，交角良好的线状地物交点，且像控点周边地形高差不大地区，在无明显地物标志时，采用在硬化地刷油漆的方式进行布置，标志刷成“L”型。像控点测量时，应对观测处进行近照和远照。近照要能够反映测量杆落点位置，远照要能够反映刺点与周边地物的位置关系。像控点外业观测完成后，及时做好记录，将矿山、像控点编号、照片编号进行一一关联。

3.4 数据处理

数据处理主要分为：数据预处理、数据空三加密、生产DEM和DOM、生产实景三维模型四个部分。

(1)数据预处理。数据预处理主要是检查外业航拍影像是否清晰，航拍是否有缺漏，影像成图质量是否符合要求，核查影像数据和POS数据是否一致，并将POS数据转换成CGCS2000坐标系。

(2)数据空三加密。空三加密采用Metashape软件，该软件空三计算能力优秀，影像畸变纠正能力比较强[10]。将倾斜影像、POS数据、像控点、相机参数等分别导入Metashape进行空三加密。空三加密具体流程为：首先将倾斜影像进行连接点自动匹配，对获取的特征点采用图像特征匹配及跟踪技术寻找和匹配不同像片间公共点，构建自由网，导入控制点后进行人工刺点，再进行光束法区域网平差，检查控制点精度，调整控制点后再平差至空三结果满足精度要求。

(3)生产DEM、DOM。空三加密满足精度要求后，可以导入空三成果进行DEM、DOM的生产。矿山数字正射影像图成果如图3所示。

图3 矿山数字正射影像图

(4)生产实景三维模型。ContextCapture软件在三维重建方面具体独特优势[11]。在Metashape中导出空三成果，选择Blocks Exchange*xml格式，再导入ContextCapture中新建三维重建项目，设置好三维模型的坐标系统、平面切片格网大小、输出范围及成果格式等，最后生成三维模型。矿山实景三维模型成果如图4所示。

图4 矿山实景三维模型

4 监管工作成果数据分析

4.1 越界及超深开采分析

以采矿权人采矿权证书确定的采矿权范围线和开采深度范围作为监管分析基准，在ArcGIS软件中将采矿权范围线与矿山开采现状DOM影像进行套合，可以判断矿区是否存在越界开采行为，并初步计算其越界面积，在矿山三维模型上直接量取矿山现状最低点高程，即可判断矿区是否存在超深开采行为。图5为某矿山正北侧越界开采情况。

图5 矿山越界开采情况

4.2 占用耕地情况分析

在ArcGIS软件中将采矿权范围线与矿山开采现状DOM影像进行套合，并且叠加第二次全国土地调查耕地图斑数据进行分析，可以判断矿区是否存在占用耕地行为。图6为某矿山红线外西北侧工业广场侵占耕地情况。

图6 矿山占用耕地情况

4.3 矿山开发利用方案执行情况

露天矿山开采需要及时监测和确定矿山是否存在违规开采矿产资源行为、开采现场是否按开采设计的要求自上而下分台阶或分层开采，台阶三要素是否符合相关设计要求，以确保矿山开采安全。通过矿山现状三维模型，可以直观地查看矿山开采总体情况，分析、量测矿山开采台阶情况，包括台阶高度、台阶安全平台宽度等。根据数据高程模型DEM，利用ArcGIS软件的坡度分析工具自动计算出矿区DEM的坡度值，可监测矿山台阶坡面角是否符合设计要求。

4.4 矿山地质环境治理恢复方案执行情况

矿山在开采过程及终了后，会存在土地植被破坏，废弃物排放、采场边坡治理、水文地质条件变化等矿山生态环境问题，需要进行矿山地质环境治理恢复及土地复垦复绿，通过矿山现状高分辨率数字正射影像和倾斜三维模型，可以清楚直观地监管矿山“边开采边治理”执行情况，核对矿山地质环境治理恢复情况及治理效果。如表1为某矿山监管情况表。

表1 矿山监管情况表

4.5 矿山监管问题清单

对每一季度所有持证矿山的监管结果进行整理统计，编制所有矿山的监管问题清单汇总表，如表2所示，了解每个矿山可能存在的违法开采行为，掌握每个矿山开发利用方案执行情况和地质环境治理恢复情况，并制定相应的整改措施，为规范矿山开采提供保障。

表2 矿山监管问题清单汇总表

5 监管工作成效

经过四个季度对持证露天矿山的无人机航飞监督管理工作，漳州市矿产资源开采行为得到有效的规范。

(1)矿山越界及超深开采行为得到有效遏制。第一季度发现的越界开采矿山全部停止了越界开采行为，并对越界区域进行了整改恢复。如图7为某矿山红线外西南侧越界开采行为进行整治效果图。

图7 矿山越界开采整治效果

(2)矿山占用耕地情况得到有效治理。矿山占用耕地区域全部进行了土地复垦，并恢复了植被种植。如图8为某矿山红线外东北侧剥离土堆放侵占耕地行为进行整治效果图。

图8 矿山占用耕地整治效果

(3)矿山开发利用方案得到有效执行。基本遏制了部分矿山乱采滥挖、采富弃贫等破坏和浪费矿产资源的行为和迹象，大部分矿山能够实行自上而下分台阶或分层开采，并修建治理台阶，对台阶进行削坡、开级、加固，建立完善的截排水设施，矿山边坡外侧修建铁丝网防护栏等，以保证矿山开采安全。如图9为某矿山依据开发利用方案自上而下分台阶开采过程。

图9 矿山自上而下分台阶开采

(4)边开采边治理要求得到进一步落实。大部分矿山都已对已开采完成区域进行了地质环境治理恢复，对已开采完成台阶平台进行种植树木、藤、草等植物，覆盖裸露岩面，恢复矿山地质环境。如图10、图11为某矿山对已开采完成区域进行台阶治理及复绿。

图10 矿山边开采边治理(正射影像)

图11 矿山边开采边治理(局部三维模型)

6 结论及展望

无人机倾斜摄影技术现已成为一种高效的矿山监管手段。利用无人机倾斜摄影技术快速安全地获取矿山现状高分辨率正射影像图和实景三维模型，可以为自然资源矿管部门提供更为直观的矿山开采现状成果，辅助矿管部门有效监管矿山的违法开采问题，促进矿山科学化、规范化开采，确实规范矿山边开采边治理行为，并为矿山的日常管理、耕地保护、生态修复、地灾治理等问题提供数据支撑。

下步的研究工作是建立矿山监管系统平台，将每一期矿山航飞成果进行数据入库，实现矿山开采情况可追溯管理，为矿管部门动态监管矿山每一阶段的开采情况，制定矿山管理计划提供参考，助力矿山高质量可持续发展。