張 航,盧小平,郝 波,王如意

(河南理工大學 礦山空間信息技術國家測繪地理信息局重點實驗室, 河南 焦作市 454003)

0 引 言

露天礦山資源的非法開采不僅浪費了自然資源,而且對自然環(huán)境造成了破壞,導致土地荒漠化、水土流失,甚至誘發(fā)地質災害。近年來,國土、環(huán)保等部門加大了對露天礦山資源開采的監(jiān)管力度[1-3]。但由于許多露天礦山所處位置較為偏僻且地形復雜,監(jiān)管難度較大,監(jiān)管效率低,因此迫切需要探尋更為有效的監(jiān)管方式,實現礦山開發(fā)秩序的良性發(fā)展。

傳統(tǒng)的監(jiān)管方式需要執(zhí)法人員到達執(zhí)法現場進行拍照取證,不僅耗費人力物力,還有可能引起執(zhí)法沖突。并且由于交通等其他因素,部分違法開采區(qū)域執(zhí)法人員很難到達。而無人機技術的發(fā)展為上述難題提供了新的解決思路,無人機低空遙感具有操作簡單、機動靈活、成本低、效率高等優(yōu)點,而且空間分辨率高,可以進行多角度拍攝,尤其適應于地形復雜露天礦山的監(jiān)管監(jiān)控。同時,對于某些需要進行快速精確監(jiān)測的特定區(qū)域,無人機能夠及時準確地進行動態(tài)監(jiān)測[4]。

近年來,無人機低空攝影測量技術快速發(fā)展,已經在基礎測繪、礦山監(jiān)管、工程測量、地籍測繪等領域得到廣泛應用[5]。利用無人機低空遙感得到的影像數據,不僅可以獲取監(jiān)管區(qū)域的數字正射影像圖(DOM),還可以制作三維景觀模型,從而為礦山非法開采執(zhí)法取證提供了可靠的數據支持。

1 研究方法

1．1 無人機平臺

無人機(unmanned aerial vehicle,UAV)是自帶飛行控制系統(tǒng)和導航定位系統(tǒng)的無人駕駛飛行器,廣義上為不需要駕駛員登機駕駛的、通過無線遙控或規(guī)劃航線飛行的各式飛行器[6]。

在縣級監(jiān)管部門中,由于采用專業(yè)航測無人機會受到人員和經費的限制,對礦區(qū)進行高頻率的飛行監(jiān)測不太現實。所以本文采用的無人機為大疆PHANTOM 4 PRO,此無人機為消費級無人機,且操作簡單,無需專業(yè)人員進行操控,其相關參數如表1所示。

表1 無人機相機參數

1．2 技術路線

為了實現礦區(qū)監(jiān)測的任務,整個過程需要解決以下3個方面的問題:

(1)航拍視頻的預處理:對無人機航拍得到的視頻影像進行關鍵幀的提取,為建立地面三維景觀模型和DOM的生成提供數據源,并剔除因航飛時飛行平臺抖動而產生的過于模糊的關鍵幀影像,提高三維建模和DOM的精度和質量。

(2)影像匹配與三維建模:需要對提取出的關鍵幀影像進行特征點的提取,并基于提取的特征點進行影像的匹配,進而完成三維建模的過程。

(3)數據的對比分析:將無人機航拍影像處理后得到的DOM與Google Earth遙感衛(wèi)星影像數據對比分析得到變化區(qū)域,從而為判定礦區(qū)是否存在違法開采行為提供依據。

具體實施的技術流程如圖1所示。

圖1 技術流程

2 實驗與分析

2．1 測區(qū)概況

本次監(jiān)測于2017年11月16日在鄂爾多斯某礦區(qū)進行。測區(qū)南北長約0．35 km,東西寬約0．34 km,測區(qū)面積約0．12 km2。測區(qū)內有簡易工棚、道路、車輛、煤場、樹木等建(構)筑物和其它人工設施。當天天氣晴朗,風力小于4級。飛行區(qū)域地勢起伏較大,側風飛行。

2．2 外業(yè)航飛技術流程

在Google Earth中查找所要監(jiān)測的區(qū)域,如圖2所示,對監(jiān)測區(qū)域的概貌有大致的了解,并通過框選區(qū)域的方法得出測區(qū)最低海拔和最高海拔近似分別為1256 m和1352 m,從而得出該地區(qū)高差大致為96 m,為航高設置提供了參考依據。

無人機飛到指定的高度后,采用Z字形對所飛的區(qū)域進行視頻采集,如圖3所示。時實圖傳的視頻既可以及時了解礦區(qū)的作業(yè)情況,也可以避免因手動拍照而發(fā)生的漏幀情況,為后期地表三維景觀建模和DOM的生成提供可靠的數據源。

圖2 航拍區(qū)域衛(wèi)星影像

圖3 航拍路線

2．3 內業(yè)處理技術流程

本次監(jiān)測得到的原始數據為視頻數據,而建立地表三維景觀模型和DOM所需要的數據為帶有一定重疊度的影像數據,由于視頻是由按照時間順序排列的一幀幀影像構成,根據本次無人機飛行的特點,采用基于采樣的關鍵幀提取算法(SKF),該算法等時間差從視頻中抽取關鍵幀,按3 s每幀的間隔抽取關鍵幀,一共抽取173張影像,抽取的部分關鍵幀影像如圖4所示。

傳統(tǒng)的空間位置坐標測量是利用空間后方交匯,但這種方法需要知道相機的方位和控制點的坐標。而SFM算法,即運動恢復結構算法,是指從多幅不同角度的圖像序列中匹配點,并根據匹配點計算出對應的三維點位置和圖像相機參數,利用非線性最小二乘法進行不斷優(yōu)化的過程,SFM與傳統(tǒng)攝影測量的區(qū)別是,其不需要上述已知條件,對影像姿態(tài)要求低,并且匹配效果好,在圖像三維重建領域得到了廣泛應用[7-9]。

本次實驗采用的建模軟件為Agisoft Photoscan Profession,此軟件為一款基于影像數據生成三維模型的專業(yè)軟件,此軟件通過影像匹配技術來尋找不同影像間的公共點,自動解算與匹配公共點在影像中空間坐標位置,利用內置的SFM算法來進行三維場景重建。地表三維模型建模在Agisoft Photoscan Profession中的操作步驟如下:

圖4 抽取的部分關鍵幀影像

(1)把提取出的關鍵幀圖片導入Agisoft Photoscan Profession,并對照片質量進行評價,如圖5所示,在保證重疊度的條件下,將質量小于0．8的照片刪除掉。

圖5 照片質量評價

(2)進行影像的匹配,在本過程中,Agisoft Photoscan Profession將基于SFM算法完成影像數據的三維解算,并生成相應的連接點,如圖6所示。

圖6 連接點示意

(3)進行生成網格處理,處理完成后,生成測區(qū)光滑曲面,如圖7所示。

(4)生成紋理操作,如果只進行生成網格處理,所生成的地表模型會比較模糊。進行生成紋理操作后,整個地表模型會表現出清晰的紋理信息,如圖8所示。

圖7 光滑曲面圖

圖8 生成的紋理信息

(5)生成瓦片模型,對生成的模型進分區(qū)和按金字塔等級存儲,完成三維建模的整個過程,并導出正射影像,如圖9所示。

圖9 礦區(qū)正射影像

2．4 數據對比分析

Google Earth是谷歌公司開發(fā)的一款虛擬地球軟件,是現行階段數據最為完善的網絡遙感數據集,可以瀏覽歷史衛(wèi)星影像[10]。將從Google Earth上下載的衛(wèi)星影像數據(見圖2)與無人機飛行處理獲取的正射影像(見圖9)進行對比,可知整個礦區(qū)的變化還是比較明顯的,監(jiān)測區(qū)域西北部原來是沒有工棚的,而現在工棚數量明顯增多,如圖10所示。南部工棚區(qū)域周邊聚集大量的作業(yè)車輛,如圖11所示,疑似礦區(qū)開采仍有活動跡象。

圖10 變化區(qū)域

圖11 疑似作業(yè)車輛

3 結 語

無人機技術的快速發(fā)展為監(jiān)管露天礦山資源的非法開采提供了極大便利,通過對無人機數據處理獲取露天礦山監(jiān)管所需的高分辨率的DOM數據和地表三維景觀模型數據,能夠直觀地看到整個監(jiān)測區(qū)域的范圍、地形概況,通過對比無人機拍攝的高分辨率的正射影像和Google Earth衛(wèi)星影像,輔以礦區(qū)地表三維景觀模型成果,執(zhí)法者能夠直觀清楚地觀察露天煤礦的開采情況,方便管理者制定相應的措施以減少違法開采行為。