黃 軍，李 濤，朱俊利

(1. 山東省國土測繪院，山東 濟(jì)南 250102； 2. 山東魯邦地理信息工程有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，生態(tài)環(huán)境保護(hù)成為當(dāng)前熱點(diǎn)話題，“共抓大保護(hù)，不搞大開發(fā)”“綠水青山就是金山銀山”，這給環(huán)境監(jiān)管、土地執(zhí)法、礦山監(jiān)測等行業(yè)管理部門帶來巨大壓力和挑戰(zhàn)。由于監(jiān)管執(zhí)法過程中難免存在監(jiān)管不到位或被執(zhí)法者晝伏夜出躲避執(zhí)法，偷采、盜采現(xiàn)象仍然存在，為解決被動執(zhí)法難題，急需探尋一種新手段，從根本上杜絕礦山違法開采現(xiàn)象，讓違法者無所遁形。

目前無人機(jī)航拍等手段已經(jīng)逐步應(yīng)用于執(zhí)法管理中，在工作效率和管理模式上也取得了較大突破[1]。但是由于航測專業(yè)性較強(qiáng)，如像控點(diǎn)布設(shè)、采集與糾正、影像空三加密等關(guān)鍵工序通常需要專業(yè)的測繪技術(shù)人員完成，普通無人機(jī)獲取的影像主要用來還原現(xiàn)場，對于精確量算和分析還存在一定難度[2]。本文以濟(jì)南市某露天采石場執(zhí)法監(jiān)測為例，采用操作簡便、安全性高的免像控?zé)o人機(jī)航測，作業(yè)人員無需進(jìn)入危險的施工現(xiàn)場，不用布設(shè)和采集像控點(diǎn)，只需要采集一個基站坐標(biāo)即可通過空三處理軟件制作高精度航測成果[3]。結(jié)合LubSpace實(shí)景三維管理系統(tǒng)，可以直觀查看是否存在越界開采與違法開采現(xiàn)象[4]。通過周期性數(shù)據(jù)比對與矢量數(shù)據(jù)疊加分析，能夠快速定位違法開采位置并能準(zhǔn)確量算破損山體面積、開挖方量，為相關(guān)執(zhí)法部門提供權(quán)威數(shù)據(jù)支持和執(zhí)法依據(jù)。

1 天狼星無人機(jī)概述

天狼星無人機(jī)自從引入國內(nèi)便對高程精度要求較高的測繪領(lǐng)域工作模式帶來較大轉(zhuǎn)變。該設(shè)備屬于高精度、智能化化的測量型無人機(jī)，安全性高，手拋式起飛、俯沖式降落，起降場地易于選擇，具有優(yōu)秀的飛控和姿態(tài)調(diào)整能力，能夠自適應(yīng)地表以超低空方式飛行，在起伏較大的測區(qū)也能保證相同的重疊度；精度高，機(jī)身內(nèi)置高精度IMU和100 Hz實(shí)時差分GPS RTK，在飛行拍照的同時完成相片空間定位，每張照片相位中心都具有厘米級GPS RTK固定解精度的定位坐標(biāo)；作業(yè)機(jī)動、靈活，特別適用于位置分散、人員難以進(jìn)入的礦山監(jiān)測項(xiàng)目。

1.1 免像控技術(shù)

像控點(diǎn)是聯(lián)系影像與實(shí)地位置的橋梁和紐帶，傳統(tǒng)航測空三加密離不開地面像控點(diǎn)。在復(fù)雜的礦區(qū)環(huán)境下進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè)與采集通常存在諸多困難，不僅測繪外業(yè)勞動強(qiáng)度較大，作業(yè)效率低，而且在某些困難區(qū)域作業(yè)人員難以進(jìn)入現(xiàn)場或無特征地物用于采集，在無足夠控制點(diǎn)情況下進(jìn)行影像空三加密勢必會影響影像和數(shù)字高程模型質(zhì)量[5]。因此減少像控或免像控技術(shù)一直是科研人員不懈努力的方向，隨著無人機(jī)高精度慣導(dǎo)和實(shí)時差分技術(shù)的融入，以天狼星無人機(jī)為代表的免像控?zé)o人機(jī)已經(jīng)成功應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域，其高程精度也經(jīng)過測繪行業(yè)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)鑒定并逐步被測繪工作者認(rèn)可[6]。

1.2 智能化的一鍵空三加密技術(shù)

空三加密一直是傳統(tǒng)航測數(shù)據(jù)處理的核心技術(shù)，因?yàn)楹綔y的專業(yè)性和復(fù)雜性，傳統(tǒng)航測通常是綜合性測繪單位的專屬業(yè)務(wù)，多數(shù)中小規(guī)模測繪單位對傳統(tǒng)航測業(yè)務(wù)望而卻步，制約了航測手段的普及和應(yīng)用。但是天狼星無人機(jī)智能化的空三加密技術(shù)無需掌握專業(yè)復(fù)雜的航測知識，只需要簡單設(shè)定坐標(biāo)系統(tǒng)、基站坐標(biāo)與航測參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)無人值守方式空三加密，一步獲取正射影像、數(shù)字高程模型、原始影像匹配點(diǎn)云、瓦片模型等成果，大幅降低了航測的門檻準(zhǔn)入性[7]。

1.3 優(yōu)秀的姿態(tài)調(diào)整與控制技術(shù)

天狼星無人機(jī)具有多項(xiàng)獨(dú)特的技術(shù)，優(yōu)秀的姿態(tài)調(diào)整與控制技術(shù)是其最大亮點(diǎn)。除了固定航高平行航線模式，還有根據(jù)工程類型定制的螺旋狀、井狀、帶狀等多種飛行模式，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)航測作業(yè)效率最大化。其中最具代表性的自適應(yīng)地表飛行模式，任意一張航片拍攝高度均不相同，但是通過計算機(jī)特征點(diǎn)地物匹配技術(shù)，將這些看似無序的照片組合快速制作形成高精度無人機(jī)航測成果[8]。

2 實(shí)景三維應(yīng)用推動行業(yè)管理創(chuàng)新

無人機(jī)影像分辨率高、數(shù)據(jù)量大，成果樣式豐富，但是受計算機(jī)處理速度影響，快速展示與匯報仍然存在困難。特別是實(shí)景三維模型，需要在Acute3D Viewer等專業(yè)軟件下瀏覽，便捷性和實(shí)用性明顯不足。

基于Web GIS技術(shù)的實(shí)景三維地理信息管理系統(tǒng)的出現(xiàn)恰好彌補(bǔ)了這一缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下無人機(jī)影像大數(shù)據(jù)的快速發(fā)布、瀏覽與管理功能。目前實(shí)景三維管理系統(tǒng)已成功應(yīng)用于公共事業(yè)單位、企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)并取得良好效果，如圖1所示。

圖1 露天礦開采在線監(jiān)測地理信息管理平臺

3 工程實(shí)施

3.1 工程概況

本試驗(yàn)案例位于濟(jì)南市歷城區(qū)，屬于典型的丘陵山區(qū)地形，測區(qū)附近存在多處露天采石場。相關(guān)行業(yè)管理部門為治理多年來存在的礦山無序開采引發(fā)的礦山地質(zhì)環(huán)境問題，已經(jīng)關(guān)停多處采石場，但是仍然存在違法開采現(xiàn)象。為堅決治理這一現(xiàn)象并責(zé)任落實(shí)到人，本文擬使用無人機(jī)航測與三維地理信息管理平臺等新技術(shù)手段，使用可量化的手段解決執(zhí)法難與取證難的問題[9]。

3.2 實(shí)施方法

無人機(jī)航測過程為：使用天狼星免像控?zé)o人機(jī)，在飛控系統(tǒng)中導(dǎo)入KML格式測區(qū)范圍線，設(shè)定坐標(biāo)系統(tǒng)、高程基準(zhǔn)、GSD地面影像間隔、航向重疊度和旁向重疊度等相關(guān)參數(shù)。精度要求如下：經(jīng)過噪點(diǎn)剔除后的無人機(jī)影像匹配地面點(diǎn)云成果精度要求優(yōu)于±15 cm，兩期數(shù)字高程模型對比能探測出±25 cm高差地表變化。

3.3 工作流程

工作流程如圖2所示。

3.4 高精度DEM獲取的關(guān)鍵措施

與傳統(tǒng)航測相比，無人機(jī)航測存在以下缺點(diǎn)：抗風(fēng)、抗氣流能力差，飛行姿態(tài)不穩(wěn)定，飛行高度、旋偏角、重疊度都不容易控制。無人機(jī)精度不穩(wěn)定，特別是高程精度不穩(wěn)定已經(jīng)成為行業(yè)共識。在外界環(huán)境不容易改變的情況下，為提高無人機(jī)航測精度和成果可靠性，采取了如下措施：

(1) 提高精度冗余：根據(jù)設(shè)備廠商建議和相關(guān)工程精度統(tǒng)計，天狼星無人機(jī)基本能達(dá)到平面精度約2GSD，高程精度約3GSD。為實(shí)現(xiàn)±15 cm的高程精度，其GSD最佳設(shè)定為不大于5 cm，考慮到精度冗余和數(shù)據(jù)處理工作效率，本次航測GSD設(shè)定為3 cm，飛行相對地面航高120 m。

圖2 礦山監(jiān)測工作流程

(2) 提高影像重疊度：在航向80%、旁向60%的基礎(chǔ)上采用井字形飛行計劃，相當(dāng)于測區(qū)按縱向與橫向飛行兩遍，不僅提高了航測成果精度可靠性，也提高了數(shù)字表面模型(DSM)的精細(xì)程度和實(shí)景三維模型展示效果，如圖3所示。

圖3 高重疊度井字形飛行計劃

3.5 檢測方法

(1) 外業(yè)檢測。為保證數(shù)據(jù)成果的可靠性，使用GPS RTK設(shè)備隨機(jī)抽檢了42處檢測點(diǎn)，在不考慮儀器設(shè)備采集誤差的情況下，分別取得了平面±5.4 cm和高程±8.7 cm精度。從精度檢測對照表(表1)中可以看出，16號與38號點(diǎn)高差偏離較大。通過DSM影像檢查，16號點(diǎn)位于陡坎邊緣，無人機(jī)影像匹配點(diǎn)云構(gòu)建的DTM模型略有變形；38號點(diǎn)附近有樹木遮擋，影像發(fā)生畸變。

表1 實(shí)測坐標(biāo)與點(diǎn)云解析坐標(biāo)較差 cm

(2) 與既有矢量地形圖套合檢驗(yàn)。在立體環(huán)境下，從地貌貼合地表程度可以直觀地檢驗(yàn)航測DEM精度，在圖4中矩形框內(nèi)等高線與立體影像不吻合，實(shí)際為礦山開采地表發(fā)生了變化。

圖4 矢量數(shù)據(jù)套合檢驗(yàn)

4 成果應(yīng)用與發(fā)布

無人機(jī)航測可以帶來豐富多樣的測繪成果，除了常規(guī)的地形圖，實(shí)景三維管理逐漸成為行業(yè)新寵[10]。利用LubSpace專用影像切片發(fā)布工具，制作LRP格式影像與地形數(shù)據(jù)，將成果導(dǎo)入礦山實(shí)景三維監(jiān)測平臺，在手機(jī)等智能終端即可直觀瀏覽礦區(qū)開采現(xiàn)狀。通過二維碼在線分享功能，輕松解決無人機(jī)影像數(shù)據(jù)量大、展示難、匯報難的問題[11]，如圖5、圖6所示。

在PC端可以進(jìn)行專業(yè)的定性與定量分析。基于影像和高精度數(shù)字高程模型，在實(shí)景三維模型中可以獲取任意位置空間三維坐標(biāo)。人性化的雙屏聯(lián)動功能可以輕松比較兩期影像變化，結(jié)合兩期DEM疊加分析，可快速定位地表變化區(qū)域，如圖7所示。

圖5 實(shí)景三維模型在線虛擬顯示

圖6 實(shí)景三維環(huán)境下定量分析

圖7 開挖土石方量量算

5 結(jié) 語

基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的大數(shù)據(jù)、云平臺應(yīng)用是行業(yè)管理、技術(shù)創(chuàng)新的主流趨勢。與傳統(tǒng)執(zhí)法手段相比，免像控?zé)o人機(jī)用于露天礦執(zhí)法監(jiān)測安全性高、三維展示效果逼真直觀，不定期航測與精確的量算分析可以有效制止和震懾違法開采行為，有助于片區(qū)管理和責(zé)任劃分，實(shí)現(xiàn)了從被動執(zhí)法到主動執(zhí)法的轉(zhuǎn)變。在數(shù)據(jù)共享機(jī)制下，跨行業(yè)、多部門還可以對航測成果進(jìn)一步挖掘利用，做到一圖多用，讓測繪成果發(fā)揮更大價值。