劉建坡，王宇鑫

（1.河南省有色金屬礦產(chǎn)探測工程技術(shù)研究中心,河南 鄭州450016；2.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第四地質(zhì)大隊,河南 鄭州450016；3.昆明理工大學(xué) 城市學(xué)院,云南 昆明 650051）

習(xí)近平同志于2005年8月在浙江安吉考察時提出了“綠水青山就是金山銀山”的科學(xué)論斷。開采露天礦山時,地表覆蓋的大量植被遭到破壞,礦石上覆蓋的表土和巖石被剝離,對自然地貌和生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞,從而限制了社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。露天礦山閉坑后會形成大大小小的露天采坑,不僅使良好的自然景觀變得支離破碎、滿目瘡痍,而且會使裸露的地表產(chǎn)生大量的揚塵,嚴(yán)重影響身心健康和生態(tài)環(huán)境。除此之外,露天礦山開采還破壞了原有的土壤結(jié)構(gòu),受重力沉降、開挖邊坡不穩(wěn)定、排水設(shè)施不完善等因素影響,易引起水土流失、巖體崩塌、滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害,危及人民生命財產(chǎn)安全。目前從中央到地方對環(huán)境的保護都非常重視,要求所有礦山企業(yè)都要嚴(yán)格執(zhí)行國土資源部國土資源部令第44號《礦山地質(zhì)環(huán)境保護規(guī)定》和河南省國土資源廳豫國土資發(fā)[2012]39號《關(guān)于進一步加強礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理工作的意見》的要求,嚴(yán)格按照“邊開采邊治理,先設(shè)計后施工”的原則開展各項工作。 對廢棄和在開采的礦山進行恢復(fù)治理和生態(tài)復(fù)綠,是保護生態(tài)環(huán)境、提高人們生活質(zhì)量和保持經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的必要措施。

1 無人機低空攝影測量的優(yōu)勢

對露天礦山進行地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理,第一步需要獲取露天礦山的詳細測量數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的獲取礦山數(shù)據(jù)的手段為利用GNSS-RTK和全站儀進行人工野外數(shù)據(jù)采集。該作業(yè)模式不僅效率低下,而且作業(yè)過程中也很不安全。將無人機低空攝影測量技術(shù)應(yīng)用于露天礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理工程的前期基礎(chǔ)測繪中,能大大提高野外數(shù)據(jù)采集的效率、豐富性以及安全性,還能間接提高露天礦山恢復(fù)治理的效率和效益,從另一方面推動“數(shù)字礦山”建設(shè),這也是航空攝影測量技術(shù)的發(fā)展趨勢[3-7]。無人機低空攝影測量較傳統(tǒng)測量的優(yōu)勢如表1所示。

表1 傳統(tǒng)測量與無人機航測的比較

2 在露天礦山恢復(fù)治理中的應(yīng)用

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河南省安陽市某露天礦區(qū),占地面積約為2.467 km2,地形破碎、植被稀少,海拔高度為175～313 m（圖1）。

圖1 研究區(qū)位置概況圖

2.2 儀器裝備

本文采用大疆公司生產(chǎn)的Phantom 4 RTK無人機獲取航拍照片（圖2）。Phantom 4 RTK無人機因其價格低廉且具有先進的航測技術(shù)而被應(yīng)用于專業(yè)測繪即泛在測繪領(lǐng)域。首先制作了多個1 m×1 m的地面控制點（GCP）標(biāo)志牌,并實地布設(shè)于研究區(qū)；再利用天寶品牌（型號:SPS985）的RTK GNSS接收機對實地布設(shè)的GCP標(biāo)志牌進行逐個測量；然后在飛行前利用Trimble Business Center和Google Earth制作航測作業(yè)KML文件,在航測時利用GS RTK App進行航線規(guī)劃和飛行控制；最后利用Agisoft PhotoScan和Global Mapper對無人機獲取的影像進行數(shù)據(jù)處理和輸出。

圖2 采用的儀器設(shè)備

2.3 飛行前準(zhǔn)備

飛行前的準(zhǔn)備工作對于影像數(shù)據(jù)質(zhì)量至關(guān)重要。首先在開始作業(yè)前必須充分了解要航測區(qū)域和成果的應(yīng)用領(lǐng)域；然后利用Trimble Business Center和Google Earth把GCP放置在指定研究區(qū)域內(nèi)衛(wèi)星地圖的合適位置,航飛時借助智能手機上的奧維互動地圖App把室內(nèi)設(shè)計好的GCP放置在實地；最后利用GS RTK App進行航線規(guī)劃以及設(shè)置飛行高度、航向重疊、旁向重疊、照相機拍攝角度和無人機速度等信息參數(shù)[8]。主要飛行參數(shù)設(shè)置為:航高為120 m,航向重疊度為80%,旁向重疊度為70%,飛行速度為8 m/s。

2.4 數(shù)據(jù)采集與處理

整個研究區(qū)面積為2 819 665.5 m2,飛行6個架次,共用時2 h 9 min。在一個架次電池用完,更換電池后需接著上個架次繼續(xù)進行斷點續(xù)測,整個測區(qū)共獲得1 946張高精度航測影像。利用Agisoft PhotoScan對獲取的影像進行數(shù)據(jù)處理,獲得數(shù)字正射影像圖（圖3）、數(shù)字高程模型（圖4）、點云以及三維立體模型（圖5）等數(shù)字化成果[9]。在EPS2006、Global Mapper和南方地形地籍成圖軟件CASS9.2的支持下,制作了最終數(shù)字線劃圖局部（圖6）。

圖3 數(shù)字正射影像圖

圖4 數(shù)字高程模型

圖5 真三維立體模型

圖6 數(shù)字線劃圖

2.5 精度分析

通過比較實地布設(shè)的檢查點測量結(jié)果可知,研究區(qū)的平面位置中誤差為±0.053 m,高程中誤差為±0.064 m,滿足GB/T 7930-2008《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》[10]要求的平地、丘陵地地物點平面位置中誤差不大于圖上0.6 mm,以及1∶500比例尺、平地地形要求的0.2 m規(guī)定。結(jié)果表明,Phantom 4 RTK 無人機測繪能滿足地形測量精度要求。詳細結(jié)果如表2所示。

表2 GNSS RTK實測坐標(biāo)與無人機航測量測坐標(biāo)結(jié)果比較表/m

2.6 成果應(yīng)用

十八大以來,國家對自然環(huán)境的保護越來越重視,從中央到地方都在積極推動礦山環(huán)境恢復(fù)治理工作。露天礦山開采將對自然環(huán)境造成極大破壞,嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)鼐用竦纳钯|(zhì)量。礦山環(huán)境的恢復(fù)治理工作主要包括礦山綠化、裸露巖石邊坡植被恢復(fù)、工業(yè)尾礦和垃圾場的恢復(fù)治理等。常規(guī)測量很難對露天礦山進行詳細測繪,效率低下,且為礦山恢復(fù)治理提供的成果單一。采用無人機低空攝影測量技術(shù)能對整個礦山的全貌及其周邊環(huán)境進行快速攝影測量,形成正射影像圖、數(shù)字表面模型、數(shù)字線劃圖、數(shù)字高程模型、實景三維模型等；能為礦山恢復(fù)治理設(shè)計方案的編寫提供豐富、翔實的數(shù)據(jù)支持,為編寫切實可行、高效的礦山恢復(fù)治理設(shè)計方案做好了前期基礎(chǔ)資料準(zhǔn)備工作；能為礦山的開發(fā)和治理規(guī)劃提供高效、直觀的幫助；能直觀利用實景三維模型、正射影像圖、數(shù)字線劃圖進行治理方案的設(shè)計編寫工作,還可利用數(shù)字高程模型進行礦山恢復(fù)治理所需的工程量計算工作,不僅大大提高了礦山恢復(fù)治理的效率,而且降低了礦山治理的成本。通過正射影像圖、數(shù)字表面模型、數(shù)字線劃圖、數(shù)字高程模型和實景三維模型,能很容易地確定需要開展邊坡清理工程、土地整治工程、擋土墻工程、排水渠工程以及生物綠化工程等的位置。通過礦山恢復(fù)治理,能最大程度地消除采礦活動對礦山周邊環(huán)境和居民生活的影響,恢復(fù)礦山生態(tài)環(huán)境和土地資源,使礦山恢復(fù)治理后獲得顯著的社會經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

3 結(jié) 語

無人機低空攝影測量技術(shù)是一種全新的測量技術(shù),已逐漸成為地理信息采集與實景三維建模的重要手段。首先利用無人機低空攝影測量技術(shù)獲取礦山恢復(fù)治理區(qū)域的精確二維照片,再通過專業(yè)攝影測量軟件Agisoft PhotoScan的數(shù)據(jù)處理,形成礦山治理區(qū)域的真正射影像圖、數(shù)字線劃圖、數(shù)字高程模型、實景三維模型等。本文主要以河南省安陽市一處露天礦山恢復(fù)治理任務(wù)為例,對小型旋翼無人機攝影測量成果進行了數(shù)據(jù)分析；通過分析檢查點的精度,闡述了小型旋翼無人機攝影測量能達到的精度 以及相較于傳統(tǒng)測量表現(xiàn)出來的優(yōu)勢。實驗結(jié)果表明,小型多旋翼無人機攝影測量技術(shù)能滿足大比例尺數(shù)字線劃圖的數(shù)據(jù)采集生產(chǎn)要求。在復(fù)雜、危險的露天礦區(qū)采用小型多旋翼無人機進行低空攝影測量,能大大提高工作效率,為地質(zhì)環(huán)境保護與恢復(fù)治理工程提供高精度多源數(shù)據(jù)。