基于无人机技术的露天矿山越界开采监测与评估方法

刘 一，马灿璇，湛 龙，范卓伟，宋世明，曾 勇

（中国地质调查局南京地质调查中心，江苏 南京 210016）

0 引 言

矿产资源是人类赖以生存和发展不可缺少的物质基础，矿产资源作为国民经济建设的重要资源，长期以来被不断开发利用，带动了经济的发展。随着经济社会发展对矿产资源需求量的日益增加，矿产品销售价格上涨和矿山企业采掘活动不断深入，过度开采、滥挖滥采、越界开采矿产资源的行为时有发生，在破坏矿产资源的同时给自然资源、人文环境等造成损害[1]，不但扰乱了矿产资源开发秩序，还产生了重大安全隐患和资源纠纷。如何严厉打击越界开采这一违法行为，有效遏制矿山安全生产事故的发生，实现矿产资源开发的高质量发展，是自然资源管理部门亟需探讨与解决的重大问题。

近年来，无人机技术在支撑自然资源调查和监测管理工作中得到广泛应用[2-3]。采用高分卫星遥感监测、无人机低空航测、GNSS-RTK 定位、全站仪放样、微震系统监测、三维激光扫描等最前沿技术手段，快速获取目标体与不同精度的影像和矢量数据[4]，查清区域范围各类自然资源家底，在实现重构山水林田湖草统一的自然资源调查体系中发挥了重要作用。其中，无人机低空航测技术在露天矿山的越界开采监测与评估中发展迅速，具有高适应性、高灵活性、高分辨率及经济便利等特性，成为推动卫片执法与例行督察工作的先进适用技术，在自然资源执法检查和卫星遥感监测中发挥了重大作用[3,5]，提高了工作效率同时，部分项目[6-7]精准获得了地上、地下矿山开采现状三维数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM），为监管部门提供直观、准确、及时有效的数据支持，成为支撑服务自然资源管理工作的重要手段。

传统利用无人机进行露天矿山越界开采监测的方法主要是以无人机完成任务区拍摄工作，采用野外铺设地面标识点的方式进行控制测量，通过比对得到任务区越界开采区域的位置及面积等信息，进一步实现三维建模并完成任务区数字高程模型和正射影像制作[8]。这种方式虽然在一定程度上提高了监测效率，但是飞行管控的特殊性要求和大数据处理对设备的先进性要求一直是制约快速监测和提升效率的瓶颈。本文基于无人机低空航测技术，通过系统采集无人机航测数据与飞控系统数据，结合卫星遥感、地理信息系统应用，快速获取了4 个疑似违法矿山二维场景图像模型（Scene Image Model，SIM），动态飞行展示了矿区全貌和精细地物；进一步建立了2 个矿山的三维数字高程模型（DEM）和三维数字地形模型（Digital Terrain Model，DTM），定性研判了违法类型与性质；针对需求建立了1 个矿山的三维数字表面模型（Digital Surface Model，DSM），定量估算违法采矿资源量；利用四维数字表面模型（DSM），查明矿山历史时期违法过程，测算违法开采的资源量，为矿产资源卫片执法检查工作提供理论支撑和决策依据。

1 露天矿山越界开采和监测状况

1.1 越界开采的种类及性质

矿产资源越界开采是指超越自然资源主管部门批准的矿区范围开采矿产资源的行为，属于非法采矿的一种重要表现形式。认定越界开采的首要问题是确定采矿权许可证规定的矿区范围，即指经登记管理机关依法划定的可供开采矿产资源的范围、井巷工程设施分布范围或者露天剥离范围的立体空间区域。

越界开采按超越的矿区空间范围可划分为三种类型：在平面上超越矿区范围，即通常所说的越界开采；在高程上超越矿区范围，也称超层开采；在平面和高程上均超越矿区范围，称越界超层开采。越界开采实质上是超越自然资源主管部门批准的矿区范围获取矿产资源，包含了越界开采矿业权空白区的矿产资源、越界开采其他矿业权的矿产资源、越界开采矿业权空白区兼有其他矿业权的矿产资源等情形。

越界开采矿业权空白区的矿产资源，实质上是对国家所有的矿产资源所有权的侵犯；而越界开采其他矿业权的矿产资源，则还侵犯了特定的矿业权（属用益物权）。

1.2 越界开采的监测与评估

矿产资源开采技术是指用人工或机械对有利用价值的天然矿物资源进行开采的各种方法。根据矿床埋藏深度的不同和技术经济合理性的要求，矿产资源开采分为露天开采和地下开采两种方式，接近地表和埋藏较浅的部分采用露天开采，深部矿藏采用地下开采。

简单的露天矿山越界开采的监测方法是采用人工目视解译法。在遥感影像上对露天矿山各组成要素由人工目视识别并手动勾绘，如图1（a）所示。比照矿区范围以登记管理机关颁发的采矿许可证为准进行人工比对，对矿山采矿场地、矿山环境和利用状态等进行研判，对其开采强度和开采潜力做出分析估计。

图1 越界开采的监测与评估工作实例Fig.1 Examples of monitoring and evaluation areas for cross border mining

传统遥感信息处理与提取已成为监测的重要手段。基于传统的矿山环境特征，在计算机上面向影像像元或面向对象进行多要素信息提取的方法发展时间长，已经成为比较成熟的监测方法技术，如图1（b）所示。根据影像处理的最小基元或影像光谱信息进行要素提取，提取出矿区开采单元和生产环境，在中精度、大范围、快速查明露天矿山开采的总体情况方面取得了好效果[1,3]。将影像分割成内部相对均一的几个斑块，以斑块为单位综合考虑其光谱、纹理、形状、空间关系等信息进行类别判定[9]，可以获得更高分辨率的无人机航测数据，如图1（c）所示。在露天矿山组成要素提取与监测中发挥重要作用。

近年来，基于深度学习的计算机视觉信息提取，包括深度学习图像分类、目标检测、图像分割等相关技术和前缘研究[10]，目前，露天开采矿区要素遥感提取技术仍在探索之中[10-11]，遥感影像变化智能监测与地物信息提取关键技术成为热点，基于深度学习的遥感图像目标识别与信息提取技术[11-12]、自然资源领域的精细地物分类[13]关键技术也取得了一定成果。

这些遥感监测方法技术形成了支撑服务自然资源督察与执法工作在卫片执法领域的基础，也是实现露天矿山开采监测真实性、准确性和时效性的重要途经。2022 年全国矿山开发及重点地区生态空间遥感监测显示，华东地区2022 年圈定的疑似违法图斑中，违法开采类型以越界开采为主，如图1（d）所示，矿产类型中非金属矿占比达到了违法图斑总数的97.16%，违法开采涉及较多的矿种如建筑石料用灰岩、建筑用花岗岩、砖瓦用黏土均为露天矿山。违法图斑空间分布上主要集中在江西省的重点矿集区及周边、安徽省中部及皖南地区，两省占比分别为38.59%和23.06%。在开发程度上露天矿山主要分布在中部省区的重点矿集区及周边，东部沿海地区则以生态修复治理为主，中西部山地则存留较多的未修复治理矿山。通过对历年多期次露天矿山开发监测数据对比发现，2017—2022 年矿山违法图斑数据量呈现逐年减少的迹象，反映出得益于矿产资源开发利用监管愈发严格，矿山开发利用逐步趋于规范。

2 无人机航测技术应用技术方法

无人机低空航测的出现更新了传统测绘的作业方式[2]。通过无人机低空多镜头获取高分辨率影像，多种测量设备的不断进化和设备准确度的迅速改善，以及远程分析数据的时间和空间分辨率持续提高，可快速实现对目标区域地理信息的获取、处理与应用，形成信息丰富、影像直观、可三维分析的精准数据集，充分满足露天矿山开采监测的需求。

2.1 无人机在露天矿山越界开采监测中应用

无人机航测技术的远程测量设备非常灵活，在着陆时不需要太多空间，运行中携带方便、安全，可持续运行。无人机航测的飞行高度相比于云层较低，为信息快速传输提供了较大便利。

无人机航测系统内置的GPS 可以准确计算地理位置，因此，在测量过程中不需要其他的定位软件。测量过程中对准确度要求较高时，随时可以追加部分检查点，变更与空中三角测量（以下简称“空三”）计算相关的检查点值。

无人机航测系统具有较高的空间分辨率。在计算通过无人机航测系统所获得的数据时，通常使用的方法是根据摄影数据对其进行空三算法及技术优化，自动修改矿山开采信息，将接收到的数据和其他信息标准化，然后输出使用，将摄影技术和监测工程完美地结合。

无人机在露天矿山越界开采监测中应用在矿山开采地物的识别与分析、矿山开采现状与事实调查、矿山越界开采取证与保全、矿山越界高精度数据测量等方面。通过无人机自动准确的数据处理技术与航空摄影技术有效地结合[14]，对露天矿山的开发利用进行监督和管理，显著提高了执法与督察工作的整体效率。

2.2 无人机监测露天矿山越界关键技术

1）前期矿区资料信息准备。在开展露天矿山越界开采监测工作时，专业人员需要确定使用的坐标系、中央子午线、投影面高程、高程系统、影像分辨率等，全面了解露天矿山的情况，如地形地貌、矿产资源分布、矿山开采现状以及计划工作期间的天气状况等，以便快速确定露天矿山越界开采监测的工作方案[15]。在露天矿山越界开采监测的前期调研阶段，根据需要可以开展现场勘查，收集地形地貌信息，以及周边的重要设备和交通信息，为无人机航测的起飞、降落、航线规划提供资料。

2）航线规划与像控点布设。综合应用导航技术、地理信息技术以及远程感知技术，需要结合露天矿山的规模以及矿产资源的分布情况，提前对无人机航测设备进行设置和航线进行规划，按照一定的航迹规划方法，制定最优或次优路径，实现对露天矿山以及特定区域的精准航拍。

规划的过程中需要确保无人机在不同矿区的垂直航拍效果和倾斜航拍效果，确定飞行高度和重点区域范围，调试使用最合适的快门、光圈、ISO 值，保证各部位的摄影分辨率。避免在露天矿山越界开采监测中应用无人机出现航线偏移的情况，保证露天矿山越界开采监测结果的准确性[16]。根据飞行过程中遇到的突发情况，局部动态地调整飞行路径或改变动作任务。无人机倾斜三维建模要求航向重叠度和旁向重叠度至少达到70%及以上，飞行作业前应向有关部门申请空域。

像控点按航线全区统一布设，应该选择在航测摄像片上影像清晰、目标明显的像点，像点间在测区内构成一定的几何强度，并且数量一般在5 个以上，达到控制整个区域的目的。一般采用“GPS-RTK”的方法，进行GPS 测量，检查残差看其是否满足项目测量精度的要求。

3）无人机外业航飞测量。在实际到达现场时，应记录现场的风速、天气、起降坐标等信息。无人机解锁起飞后，飞控人员留意飞控软件中的电池状况、飞行速度、飞行高度、飞行姿态、航线完成情况等，以此保证飞行安全。

航飞过程中应密切关注飞行器状态、飞行高度、飞行速度以及实时图传、飞行器卫星数、遥控器信号、飞行器电池电量。通过遥控器显示屏的相机回传信息小窗口监测相机视角。工作人员还需要对无人机的垂直角度与倾斜角度进行调整，利用传感器将无人机航测数据信息快速、准确传输至终端设备，便于工作人员及时对相关数据信息进行整合和分析，从而呈现露天矿山的实际情况。

完成降落后检查相机中的影像数据、飞控系统中的数据是否完整，对于无效数据的航线或架次将进行补飞。

4）飞行数据信息的处理。无人机低空航测技术在露天矿山越界开采监测中可以实时传输航拍影像和监测数据，快速生成二维场景图像模型（SIM），生成的矿山二维场景影像从不同视角，直观、动态地展示矿区全景立体地貌和矿山设施分布、设备运行情况，并在局部对矿山地质环境进行大比例放大与精细刻画。叠加矿业权矢量信息可以快速直观地检视矿山越界开采违法线索，为执法与督察工作提供快速响应支持。

利用全自动处理的空三软件，进行手动干预的自动空三加密。运算过程中，软件会对航片中的大量特征点进行自动运算提取，然后对其中的同名点进行匹配，反算出每张航片的空间位置和航片的姿态角度，确定航片间关系。通过空三加密点计算出不 规 则 三 角 网（Triangulated Irregular Network，TIN），生成三维数字高程模型（DEM），用于描述地表起伏形态特征的空间数据，由地面规则格网点的高程值构成的矩阵，形成栅格结构数据集。

三维数字高程模型（DEM）添加矿山遥感影像形成既有几何外观又有真实彩色纹理的逼真效果的三维数字地形模型（DTM），或对无人机低空航测相片进行数字微分纠正和镶嵌，可以直接导出三维数字正射影像（Digital Orthophoto Map，DOM）。三维数字正射影像（DOM）形成可以作为矿山开采标高计算分析的基础数据，并可作为露天矿山监测的地图分析背景控制信息，叠加矿业权矢量信息后可精细、准确显示平面越界开采和底面超层情况，达到大致、定性判别违法事实的目的，为执法与督察工作提供准确支持。

三维数字高程模型（DEM）结合无人机低空航测取得的矿山表面要素进一步构建露天矿山的数字地表模型（DSM）。无人机低空航测数据输出包含了地表建筑物、桥梁和树木等高度数据，按一定工作区域范围裁剪生成的数字地表模型（DSM）。同时叠加矿业权矢量信息后可精细、准确计算平面越界开采和底面超层的情况，达到做实、定量判别违法事实的目的，为执法与督察工作提供精细服务。

实施中结合收集的数据信息对露天矿山越界开采监测工作方案进行调控，进一步提高无人机航测数据的及时性与完整性。同时还能够加强该技术与3S 技术的联合运用[17]，在各项数据信息的支持下更加综合地应用资料，便于更加高效、精准地完成露天矿山越界开采监测工作。

5）矿山监测结果的评价。在对露天矿山进行监测以后，还可以多角度对露天矿山的测绘结果进行评价，进一步明确矿山越界开采监测中的各类信息。

无人机低空航测技术还能够将各类数据信息纳入信息化系统，让相关部门可以结合这些数据信息对露天矿山的实际情况进行准确评价，以此优化调整露天矿山开采方案。

2.3 矿山越界开采监测中的工作方法

露天矿山越界开采监测中的主要技术方法[16]包含露天矿山全景监测方法、非法开采实时取证方法、越界开采过时追踪方法、违法开采数量测算方法、基础数据整合应用方法、矿山违法中长期预警方法和无人机航测成果展示方法等。

1）基础数据整合应用方法。为了在监测领域获得准确的地理信息，在利用无人机航测技术采集信息时，必须根据地理特征设置合适的飞行模式，同时对采集到的信息进行自动加密，防止信息随时变化或者被盗取。同时，无人机航测技术可以对采集到的地理信息进行自动分类和过滤，删除与测量结果无关的、没有特定用途的信息，这样就可以大大降低信息和数据的复杂性，提高测量数据的精度。当无人机航测技术完成信息采集的任务后，把信息数据转换为计算机三维数字高程模型（DEM），提高了数据信息的可观性，进而提高了工程测量的精度。

2）非法开采实时取证方法。无人机以其个体小、易操作、高度智能化和不受环境约束的特点备受人们青睐。监测过程中无人机达到需要准确视频和固定图像的领域只需要非常短的时间，所以可以快速感知对矿山的非法开采、无证开采和对国家土地进行非法侵占等行为，并提供视频证据，及时发现正在生产矿山的作业人员、机械、设备和生产痕迹。无人机在动态检查中除了能够克服低效率和盲区的问题，更是弥补了资源卫星感应时间长、分辨率低的缺点。

3）越界开采过时追踪方法。通过不同视角同步采集影像，获取露天矿山的立体高分辨率数据后，运用先进的定位、融合、建模等技术[18]，生成露天矿山三维数字地表模型（DSM）。三维数字地表模型（DSM）是对矿区的立体化复制，具有实时可量测的特性，能够真实地反映矿区各种细节特征，为超层越界开采监管等各项矿政管理工作提供精细化的本底数据，也可用以开展不同时期露天矿山四维数字地表模型（DSM）比对工作，对违规开采行为形成有力震慑。

4）违法开采数量测算方法。对越界开采量精准计算的方法主要有直接体积法估算、滤波估算方法和软件自动测量方法。直接体积法估算平面越界开采矿石量方法是在无人机低空航测技术应用到矿山监测后，用无人机航测所生成的数字地表模型（DSM）亦可以进行储量与开采量的估算，使用较为普遍的方法为两期数字地表模型（DSM）相减，或结合以往矿山测绘资料（如实地核查报告等）差值即为该矿山开采深度。滤波估算方法是在对无人机航测三维数字正射影像（DOM）进行边界提取与分类的基础上，采用三角网内插加密、曲面参数约束等滤波算法，进行地物分类与轮廓提取，对提取出的地物分别设置一个高程差阈值作为滤波参数进行滤波处理，形成精细的三维数字高程模型（DEM），它是一个理论的物体模型，可以剔除地表多余地物参与运算对结果的影响，直接用体积法估算开采矿石量。

部分无人机航测平台和基于三维场景的管理系统也可以进行数量测算。如基于三维场景的露天矿安全生产监管系统可对三维数字地表模型（DSM）进行量测，直接计算开挖的土方数量。也可将不同时段的三维数字正射影像（DOM）进行对比量测，对矿山的开采过程进行动态监测，为监管部门提供直观、准确、及时有效的数据支持，可以更加直观和准确地监测露天矿的开采是否超限，是否存在违法开采状况。

5）越界开采中长期预警方法。建立矿山防越界开采成像动态监测预警系统，实时监测采矿生产及人工活动信号，将露天矿山实景三维数字地表模型（DSM）与高灵敏度的成像传感器布设于研究区域处四周，全面、实时、三维监测因越界开采活动产生的采掘放炮及生产活动信号，来获得越界开采活动发生的位置和时间，并且在越界开采活动引起矿山的外在变化之前通过实时监测来实现预警[19]。同时对中长期越界开采的趋势进行分析，提出预防越界违法的开采措施和建议。

3 某地四矿无人机航测技术应用

江南某地非金属矿产资源较为丰富，其中，水泥用石灰岩、建筑石料用火山岩、石灰岩是最重要的露天开采资源。

该地某水泥集团是本区集矿石采掘、水泥制造、产品销售一体的大型企业（集团），其下属有QFS 矿区、SCS 矿区、NCS 矿区和DJS 矿区等4 个水泥用石灰岩矿区。2022 年底，国家自然资源督察南京局与中国地质调查局南京地质调查中心组织团队，共同探索应用无人机航测技术定性、定量监测露天矿山开采中的违法行为。

3.1 二维场景图像模型（SIM）

通过无人机大师镜头全景摄像与像控点布设，采集无人机影像数据与飞控系统数据，获取了SCS矿区、CSN 矿区、DJS 矿区和QFS 矿区等4 个矿区的二维场景图像模型（SIM）。动态飞行展示矿区自然景观，观察矿区不同空间位置的矿山地质结构、采矿工程布局，实现矿坑不稳定岩块和矿山机械设备定位搜寻，构筑自然的动态矿区全貌效果和精细地物，如图2（a）和（b）所示。鸟瞰功能时停、时动、时静，凸显不同方位与视角的节奏感，产生不同感观的视觉体念，辅助督察区域概况的研判，增强对矿山总体结构的了解，如图2（c）和（d）所示。叠加矿业权矢量信息后，快速、直观地发现和确认区域内4 个矿区存在5 处疑似越界开采区段、3 处疑似超层采矿区段，选定2 个矿区进一步开展三维数字高程模型（DEM）构建试验。

图2 江南四矿区高精度二维场景图像模型Fig.2 High precision 2D SIM of four mining areas in Jiangnan

3.2 三维数字高程模型（DEM）

通过像控点校准、平面坐标纠正和图像畸变处理，建立了QFS 矿区和DJS 矿区等2 个矿区的三维数字高程模型（DEM），进一步生成三维数字地形模型（DTM）。三维数字地形模型（DTM）着重描述包括高程在内的各种地貌因子，如坡度、坡向、坡度变化率等因子在内的线性和非线性组合的空间分布。三维数字地形模型（DTM）与矿山采掘边界、矢量矿业权界线的叠合，快速（定性）研判违法类型（越界与超层）与性质（违法与合法），大致确定区域内2 个矿区存在4 处疑似越界开采区段、2 处疑似超层采矿区段，如图3（a）所示。协助督察工作对现场问题进行分析统计和预判，定性存在一定规模的违法事实。

图3 矿区高精度数字模型判别矿山违法Fig.3 High precision digital model for distinguishing illegal mining facts in mining area

3.3 三维数字表面模型（DSM）

在三维数字高程模型的基础上，进一步补充矿坑表面地质结构和采掘要素等（包括地形、建筑、地层、构造、矿床矿体、危险源、开采单元、采场、工作面、设备等），建立了QFS 矿区的三维数字表面模型（DSM）。数字表面模型是真正的倾斜摄影数据，具有精确坐标信息和可量测的数据属性，可以协助督察与执法部门对现场进行精准测量和统计分析，如图3（b）所示，从而大致估算（定量）违法采矿资源量。

三维数字表面模型（DSM）结合矢量矿业权界线，对矿业权3 处超层越界范围进行计算，如图3（c）所示，进一步精准估算了违法采矿资源量，达到做实、定量判别违法事实的目的。

3.4 四维数字表面模型（DSM）

为了进一步分析往年开采境界及越界区域的变化，基于统一的空间和时间四维坐标，将矿坑中的历史时期的采掘信息可视化后，配置完整的属性信息，建立三维矿山数字地理信息模型，形成完整的四维时态地理信息系统，实现采坑所有对象的透明管理和虚拟现实系统仿真。在自然资源督察中，测算（定量）历史时期或某个阶段违法开采的资源量。

通过剖面分析和多期数据对比，如图3（d）所示。圈定QFS 矿区2020 年底以来1 处不同类型的违法采矿（越界与超层）块段，扣除合法工程（如消险、救灾）的影响，精准计算违法开采的资源量，实现高效、精准地判别矿产资源违法的技术支撑。

4 结 论

1）矿产资源越界开采属于非法采矿的一种重要表现形式，其实质上是对国家所有的矿产资源所有权的侵犯；而越界开采其他矿业权的矿产资源还侵犯了他人矿业权的权属。

2）无人机低空航测技术的出现更新了传统测绘的作业方式，具有信息丰富、影像直观、可三维分析等特点，可为露天矿山监测提供新型、快捷和方便的技术支持。

3）无人机监测露天矿山越界的技术流程主要分为前期矿区资料准备、航线规划与像控点布设、无人机外业航飞测量、监测数据信息处理及测绘结果评价5 个阶段。

4）基于无人机航测技术，结合卫星遥感、地理信息系统应用在江南某地进行的试验，快速获取了疑似违法矿山二维场景图像模型（SIM），进一步建立了矿山的三维数字地形模型（DTM），定性研判违法类型与性质；针对需求建立了矿山的三维数字表面模型（SIM），定量估算违法采矿资源量；利用四维数字表面模型（SIM），查明了该矿山历史时期的违法过程并测算了违法开采的资源量。

致谢：感谢国家自然资源督察南京局贾宏俊博士、赵昊同志的大力支持，提出了露天矿山矿产资源督察工作需求方向，在试验中给予关键问题指导与成果目标谋划，保障无人机航测技术应用的顺利实施。