无人机是由动力装置、导航模块和摄影模块组成的无人驾驶航空器,可在一定范围内靠遥控或规划航线实现自主控制飞行^[1]。无人机遥感技术是无人驾驶飞行器技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、通信技术、POS 定位定姿技术和 GPS 差分定位技术等一系列技术的组合。无人机飞行具备成本低廉、机动灵活性强、时效性强和数据分辨率高等优势,近年来广泛应用于自然资源和矿山监测领域,成为自然资源遥感领域的研究热点之一。

无人机在矿山执法与监测领域的应用处于持续探索阶段。崔宏兵等基于无人机低空摄影测量获取高精度的POS数据,监测了矿山企业是否存在超越矿区批准范围的采矿行为^[2];陈浩分析了无人机航测技术在矿山勘测之中的意义、优势和机能,研究了其在未来矿山监测中的应用^[3];宋铁军在矿山修复工作中采用无人机倾斜摄影技术构建立体模型,并绘制剖面图与立面图,提升了地质测绘的专业性和精确度^[4];王凯等以河南省A矿山的无人机倾斜摄影监测为案例研究,通过多期数字正射影像图(digital orthophotomap,DOM)、实景三维模型进行对比分析,监测了不同时间段内的矿山现状与储量变化数据^[5];向杰等以北京首云铁矿为例,利用无人机摄影测量技术获取了高精度的数字地表模型(digital surface model,DSM)以及DOM,并利用改进的地形变化算法和矿石相关数据计算出矿山储量变化^[6]。现阶段研究表明,无人机在以遥感测量为基础的交叉学科研究领域,具备多重研究与应用潜力。随着无人机技术的不断发展,消费级无人机正逐渐满足在矿山监测与计算方面的基本要求^[7-11]。

根据国家自然资源督查执法工作需求,中国自然资源航空物探遥感中心(下称“航遥中心”)正在牵头实施开展每个季度疑似问题较多省份的矿产卫片外业抽查工作。以往的实地核查工作采用暗访+座谈的方式开展,在暗访过程中,进入矿区后在车内拍下的矿区作业照片基本可以作为矿山违法开采的证据,为矿山定性。遇到确实存在违法开采行为的矿山,开车贸然进入矿区内部具有较大的风险。在定量方面,比如矿山具体的开采范围,尤其是越界开采矿区的边界、越界多少范围、开采总体方量等信息通过地面拍照较难获取。为了更精确地获取矿山开采现状,在矿山执法工作中采取无人机摄影测量技术,按既定规划完成工作任务的同时,既能保证安全又能提高效率。

本文以辽宁省某市几处矿山作为研究区,利用无人机摄影测量技术获取不同类型的航测数据,分析在矿产卫片野外查证过程中针对不同环境条件下采用不同航测方式的标准与优势。与传统野外查证方法相比,本方法具有安全、准确、效率高的特点,对于以后矿产卫片执法野外工作具有重要的推广价值。

无人机三维扫描实景建模技术是指利用无人机搭载的传感器设备,通过航空摄影和激光扫描等手段,对地面或物体进行高精度数据采集,并使用计算机算法将采集的数据转化为真实世界场景的三维模型的过程^[12]。

无人机航空摄影主要使用倾斜摄影测量技术快速获取三维空间数据和实景模型(图1)。通过无人机飞行平台搭载的多台不同角度相机(通常为5镜头),从垂直、倾斜5个角度同时采集影像数据(外业),快速、高效、精确地获取海量的地物影像数据,通过数据处理作业(内业)生产出三维实景模型^[13]。

相比测绘全站仪、卫星遥感、点云等传统的测量方式,无人机拍摄建模(特别是采用倾斜摄影测量技术)具有大范围、高精度、高清晰等优势,在矿山测绘、执法、地质测量方面应用较为广泛^[14-19]。

无人机航测建模技术流程如图2所示。

首先是对测区开展无人机飞行规划,包括: ①实地踏勘,了解测区地形,是否存在新建高建筑物或高压塔线等难以探查的会对飞行造成影响的危险因素,必要情况下需先进行预扫生成DSM; ②飞行器及航摄仪的选择,根据实地情况与载荷情况,选择合适的飞行器完成飞行任务; ③航线规划,在地面站上圈画飞行范围,设置相应参数如航线、航高、地面分辨率、旁向航向重叠度等,完成起飞前的规划准备工作。

然后是实地飞行以及飞行数据预处理。按规划以及作业规范进行外业飞行,针对每一架次无人机所采集的影像和POS数据,开展数据质量检查和外业预处理工作。

最后是飞行结束后,对所有飞行数据进行空三解算并完成整个测区的三维模型构建,并利用模型开展进一步应用。

以2023年辽宁省某市重点矿山的实地核查工作为例,介绍轻型无人机在矿产资源督查执法中的应用。

无人机在执法工作中的作用不同于测绘工作,由于可能无法提前规划具体的测区和起降点,更需要随机应变。在到达矿区后,需要对现场的情况进行判断,决定是由无人机查证还是手机拍照取证,无人机起飞后若时间充足可以飞航线建模,若时间较为紧张只能拍照录像后迅速降落。由于人员设备较多、矿区道路条件一般较为复杂,为了不引起矿方注意,一般不会在矿区内逗留时间过长,需要远离矿山区域寻找合适的地点起飞,这就可能无法满足起降点和测量航线的距离要求以及起降场的环境条件。虽然专业测绘无人机如大疆的M300、飞马的D2000搭配正射或倾斜模块进行矿区航测,在位置误差控制和建模精细度上有着无法比拟的优势,但是在便携程度、灵活程度和隐蔽方面存在一定缺陷。

大疆御2 Pro具有重量轻、翼展小、水平垂直飞行速度快、拆装快速等优点,2 000万像素镜头可以满足大部分场景的拍摄取证及模型构建要求,参数如表1所示。同时,其自带的DJI GO 4飞控软件可以完成指定航点飞行以及航线规划。对于周围环境安全、整体规模不大的矿区可以规划飞行航线,提高构建模型的精度。

该无人机遥控器可以通过打开开发者模式调出进阶的DJI PILOT飞控软件,能够框选范围直接生成正射航线或是倾斜摄影航线,更符合摄影测量需求,如图3所示。虽然御2 Pro只有一台相机,但是通过设计相互垂直的5条航线以及一定角度的云台倾角,可以模拟出五镜头倾斜相机的拍摄效果。此种航测建模对于精度要求较高、立面较多的矿区有着较为明显的优势,但是因为需要飞5条航线,所耗费的时间以及电池电量也较多。综合以上因素,结合卫片执法工作特点,本次研究选择大疆御2 Pro无人机作为工作机型。

执法局重点关注图斑情况,因此主要收集工作区需核查的图斑分布资料。通过地方填报内容分析该地区图斑存在的共性问题,做到在查证过程中有的放矢。同时应密切关注飞行期间的天气情况。

对照高分辨率卫星影像和三维影像,分析所有待查证图斑的具体情况。针对不同违法性质无人机拍摄的侧重点不同:无证开采图斑注重实时违法行为;越界开采图斑侧重调查矿山的具体开采范围等。将图斑周围的交通情况、重点关注图斑的航测摄影时间等,分别在表格上进行标注,确保到达现场后能够迅速开展查证工作。最终的查证方式以现场具体情况为准。

根据无人机使用的优先级以及图斑分布,结合野外工作日的天气情况安排合适的野外工作路线。

在根据规划进行野外工作时,临近每个野外验证点时,野外人员根据图斑填报情况、矿区工作及看守情况初步判断调查取证的方式。在矿区规模较小、开采面与观察面存在明显高程差、看守人员较少的情况下,可以进入矿区寻找起降地点,放飞无人机进行拍摄取证;在矿区规模较大、看守人员较多,以及在矿区内直接放飞无人机存在安全隐患的情况下,可以在矿区内手机或相机拍照取证,再远离矿区采面,寻找矿区周围地势较高的地点放飞无人机拍摄取证。

针对之前工作区的情况和野外实际条件,野外查证中使用无人机可以搜集4种类型数据。

1)可以观察到矿区内开采活动、人员车辆进出、矿山机械运转的照片或视频,可以佐证说明矿山开采活动的状态,如图4所示。

2)矿区正射视频。当起飞点距离测区较远、时间较为紧张,或是测区范围太大时,把无人机飞到矿区上方,以较快的飞行速度垂直向下录制待查证的区域,如图5所示,通过建模软件可以自动将视频截取照片完成空三、建模等任务,可以更细致地观察到矿区内开采情况、机械车辆活动情况,作为矿区照片、视频采集数据的补充。此种方法的缺点是无法获取坐标、高程信息,无法实现量测功能,同时模型精细度较差。

3)矿区正射照片。在时间较为充裕、矿区内条件允许的情况下,可以使用航点飞行。利用规划航线功能,设置数个航点进行航线飞行并连续拍摄正射照片,形成完全覆盖测区的正射照片,可以制作较为精细、满足量测功能的矿区三维模型。虽然正射照片建模并非无人机摄影测量三维建模中的主要方式,但对于起伏不大、上下分层较少的矿区,正射照片建模效果可以满足展示与量测功能,且效率较高。

4)矿区倾斜摄影照片。若时间充裕、矿区内比较安全,且矿区存在大范围立面或是上下分层明显的矿山建筑,对于开采面岩性分层性质及开采量有更准确量测需求的情况下,可以在矿区内使用倾斜摄影功能规划5条飞行航线,以较慢的飞行速度拍摄大量正射与倾斜照片,构建更为精细的矿区模型。

本次实地核查辽宁工作区,所在地以低山、丘陵、河流阶地为主,区内矿产资源丰富,以煤、油页岩、铁、钼、水泥用灰岩、玄武岩、珍珠岩、膨润土等为主,其中铁矿探明储量和年铁精粉产量均在全国靠前。

2022年以来,“自然资源执法综合监管平台”下发工作区所在县矿产疑似违法图斑3个批次共29个,其中11个为连续变化图斑。截至2023年2月核查组入驻前,工作区所在县自然资源局在“自然资源执法综合监管平台”将29个疑似违法图斑填报为“合法”10个,“违法”10个,“伪变化”9个,与上报数据相差较大,故安排进行现场核查。

在本次工作区内的卫片执法实地查证工作中,共飞行无人机照片或视频取证15个矿区,其中建模8个矿区。建模的矿区中,利用倾斜摄影建模1个矿区,航点飞行拍摄正射照片建模2个矿区,视频建模5个矿区。

受制于野外工作时间、野外查证点数量、矿区情况及无人机电池等条件,利用无人机拍摄照片或视频取证仍是当前矿产卫片执法野外工作的主要形式,野外人员只需要保证起降点附近人员车辆以及飞行过程中无人机的安全,无人机到达矿区上方通过拍摄几张照片或一段视频,能够说明待查证矿区问题即可返回降落,平均作业时间不到3 min。针对距离较近的扎堆矿区,选取好起降点可以一次起飞取证数个图斑,不需要再针对每个点找路、下车、拍照,大大提高效率、保证安全。所以在本次实地查证过程中,除环境条件非常宽松或重点关注图斑之外,均采用照片/视频取证方式完成图斑核查。

利用倾斜摄影建模的矿区是一座中等规模、暂无作业行为的采石场。开采面形状复杂,大部分为较高较陡的立面,虽无机械人员作业,但车辆无法绕行至采面背后观察情况,如图6所示。该采石场为本次工作重点关注图斑之一,为获取较为精准的开采面情况与开采方量,故核查组在开采面旁规划倾斜摄影飞行航线后开始拍摄。

开采面呈北东-南西走向的长条形,高约70 m,最长处约300 m,最宽处约80 m,总体面积约2万m²。在DJI PILOT中倾斜摄影功能里圈画出待飞行区域的大致范围,软件便会自动规划出5条航线。再根据实际建模精度需求,以及预计飞行时间、电量剩余等条件综合判断,设置飞行速度、航线重叠度、飞行高度等参数,最后上传航线进行飞行拍摄,如图7所示。无人机会自动进入航线并拍照,地面人员只需关注天气状况与无人机飞行姿态即可。本次倾斜摄影共飞行50 min,正射航线拍摄照片300余张,4条倾斜航线拍摄照片600余张,共拍摄照片1 000余张。

拍摄正射照片建模的矿区为小规模正在作业的采石场。因坑深难以通过照片估计,为获取开采方量,核查组规划飞行航线后开始拍摄。采坑呈东西走向的长条形,坑深50 m,长约200 m,宽约50 m,面积约为1万m²。核查组到达采坑周围时可以听到坑底传来明显的机械作业声音,但是因采坑坡度较陡,没有合适的观察位置可以拍到坑底作业机械,所以在采坑南侧路边设置起降点,如图8所示,采用正射方式对采坑进行建模。

在DJI GO 4中航点飞行功能里从东北角开始依次打点,共设置4条航线,完全覆盖整个矿区,设置合适的航高、航向以及镜头角度。因为考虑到飞行高度较低会被采坑内作业人员觉察到,故将航线高度设置到80 m,如图9所示。

上传航线后,无人机会先拉高至第一个航点设置的高度,再飞行至第一个航点进入航线。飞行过程中需相等时间间隔地手动拍照,直至完成最后一个航点返航,结束本次飞行,本次正射航线飞行时长6 min,拍摄照片100余张。

拍摄视频建模的矿区为规模较大正在作业的铁矿矿区,进入矿区道路有人把守。工作组在矿山周边地势较高的山头进行拍摄,如图10所示。因为此处距开采面距离超过1 km,轻型无人机的信号接收范围以及续航时间有限,所以在不引起矿方人员注意的前提下,使无人机以较快的飞行速度在矿区采面上空拍摄正射视频,最大采面面积约为20万m²,视频建模飞行时间4 min左右。

数据处理阶段与一般无人机摄影测量建模工作类似,在此不再赘述。只对数据检查、空三计算需注意的事项进行说明。

对于上述第一、二种类型的数据,需关注其覆盖范围的完整性,以及是否清晰捕捉到矿区内的开采行为;第三、四种类型的数据,需要关注其EXIF信息,即每张照片拍摄时的经纬度与高程,以及照片图像质量,以免特征点不明显,空三计算失败。

因为在卫片执法过程中不能保证天气、高度、角度、拍摄范围等都较为合适,数据覆盖范围小、航向旁向重叠度不高的情况时有发生,所以在空三计算阶段选用针对弱纹理通过率较高的瞰景Smart3D软件来完成,即便在涉及到树林、草地等特征点不明显的区域,调整连接点密度、匹配对选择模式以及源数据纹理等参数,可以将通过率从70%甚至更低提高到98%以上,符合重建要求。

空三结束后预览构建模型的大致情况,若无空洞分层等明显问题,选择合适的瓦片大小、切分方式、坐标系提交模型重建(图11)。

随着民用轻量化航拍无人机价格与使用门槛越来越低,利用轻型无人机协助野外人员进行现场查证的应用也越来越广泛,但是对于轻型无人机通过不同飞行方式采集到的不同类型数据与传统现场查证方式在时间效率、取证效果、精细程度方面鲜有对比,因此本文以辽宁野外数据成果为基础,结合多次野外工作经验,从上述3个方面开展对比分析。

对实地查证与无人机飞行所花费时间的统计见表2,除上文介绍的15个图斑无法到达而使用无人机查证外,还有8个图斑通过开车或步行到达现场,从到达入口到下车拍照最后离开,平均时间约为12.6 min。除需精细建模的倾斜摄影外,无人机的其他查证方式均比现场查证所需的时间少、效率高。

除时间方面的对比外,针对现场查证与无人机不同方式查证的取证效果进行对比,如表3所示。受制于拍摄位置、角度、相机型号等条件,现场查证对于图斑内关注点的取证可能并不完整或是有所遮挡,尤其是对于需要查明越界情况的图斑,现场照片就更难看出越界范围与实际矿权范围之间的关系,通常需要在矿区内寻找多个角度进行拍摄,矿区内逗留时间过久有可能对野外人员的人身安全造成影响。而无人机拍摄角度多变、位置灵活,对于目标地物可以从多个角度进行拍摄,且野外人员可以在一个距矿区比较安全的距离进行操作。对于无证开采图斑,空中拍摄视频可以取证违法开采行为,明确开采面、开采矿种及规模,建模后的量测数据也同样可以作为案件执法的证据;对于越界图斑,通过无人机拍摄的正射照片或是建模与矢量进行套合,能够帮助野外人员清晰判断越界范围。

对现场查证与无人机不同方式查证的成果数据量测功能与精细程度进行对比,结果如表4所示。在传统野外查证过程中,对于图斑边界的判断通常是结合现场观察与遥感影像完成的,对于开采方量的预估通常是通过目测开采面的长宽高来进行估算,误差较大,严重影响矿山执法的证据精确度;对于开采面的具体情况(如开采台阶个数、台阶长宽高、作业车辆机械等信息)通常也难以从照片或遥感影像中精确获取。而无人机正射影像建模或倾斜摄影建模可以还原整个图斑矿区的全貌,三维模型分辨率达到1∶10 000(1 m)的精度,在开采方量、堆积土石方量、台阶个数与尺寸等量测方面比目测与遥感影像测量更加精确和有据可依,现场照片、遥感影像与无人机建模精细程度对比如图12所示。

现阶段卫片执法野外工作过程中,无人机的作用更多是代替野外人员完成查证点前的最后一公里。本文主要分析介绍了当前无人机飞行建模的主要方式与技术路线,以某地的一次卫片执法野外查证工作为例,利用轻型无人机拍摄照片或视频进行三维建模,大大提升了观测效果、查证数据的可信度与精确度;对传统野外取证与采用轻型无人机的不同取证方式在时间效率、取证效果、精细程度方面进行对比,得出无论是在时间效率较高还是在数据精度要求较高的条件下,无人机对比传统方式均有不同程度优势的结论。

虽然无人机对比传统方式有着不少优势,但是现阶段无人机却无法替代现场调查,野外工作中也无法完全依赖于无人机完成查证,这是因为无人机只能获取到某一时间节点表面的图像数据,而很多表面之下的信息,如隐藏在茂密丛林中机械开采的声音、白天休息半夜偷采躲避检察人员的行为等,需要通过野外人员实地踏勘近距离观察、向矿内人员或周围居民问询等方式来完成,这些细节信息无法在无人机采集的数据中感知到。另外无人机对于天气与起降环境的条件较为苛刻,在南方多雨季节进行野外工作会经常无法使用无人机。所以以无人机查证与现场调查相辅相成、搭配工作的矿产卫片执法野外查证技术体系,是最适合现阶段矿产卫片执法的野外工作方式。

对于后续无人机在矿产卫片执法工作过程中的应用,有以下2点展望:

1)在将来无人机应用范围越来越广、无人机软硬件功能更加强大以及无人机飞手操作日渐熟练的情况下,在保证安全第一、实际条件允许的情况下,尽量对野外查证对象建模,便于后续为观察开采行迹具体细节与核实地方处罚方量提供依据;另外对于长时间序列监测,可以针对同一个矿山建立多期模型的模型库,同时调出多期影像与三维模型进行对比,将以往二维面状的矿山“立起来”,更科学直观地说明矿山变化。

2)因现在飞行建模遵循的是精度较高的航测规范,如飞行高度、重叠度以及飞行速度等参数更多是偏向质量而非效率,而在卫片执法野外工作中,有时定性要求高于定量要求,对于建出的模型精度并非像测绘需求的模型那么高,所以在后续的野外工作中,需要寻找一个无人机飞行效率与建模精度的平衡点,在保证安全、效率的前提下,进一步挖掘现有无人机在飞行建模中的潜力,寻找更多提升工作质量的方法。