摘要：從無人機地質環境監測應用、航測設備系統及主要性能指標、高精度航拍外業和正射影像圖解譯評價、便攜機野外拓展運用技術方法、無人機航測監測手段對比、各型無人機航測實踐運用問題、無人機航測在國土資源領域擴展運用的前景等方面，對各型無人機在地質環境動態監測特別是礦山生態環境動態監測實踐，進行了問題分析與建議探討。以加快自然資源管理技術信息化步伐，促進新型無人機在自然資源領域的普及應用。

　　關鍵詞：地質環境監測,無人機,應用實踐

　　福建省地處我國東南部東海之濱，東隔臺灣海峽與臺灣省相望，全省山地丘陵面積約占全省土地總面積的90%、山高林密，而大部分地質環境應急和監測工作都處偏遠山區，路途遙遠且交通不便，為我省自然資源管理、動態監測帶來極大不便。新型無人機遙感作為空間數據采集的重要手段,具有成本低、全自動無人飛行、影像實時傳輸、高危地區探測、機動靈活等優點,將成為未來理想的主要航空遙感平臺之一;2014年以來，我省引入各專業型和簡易型無人機進行即時的地質環境監測應用及核查評價，取得直觀、快捷、精準的效果。現對各型無人機(專業型、簡易型)在地質環境監測應用實踐中的配置、性能、載荷及性價比等綜合比對探討。

　　1各型無人機在地質環境監測部分應用項目

　　2014年12月，福建省國土資源廳在福清市新厝鎮漆林村玉成石料場廢棄礦山“青山掛白”暨“礦山復綠”治理項目中使用專業型六旋翼低空遙控無人機航拍正射影像圖、遙感攝制高清視頻，比對航拍正射影像圖解譯評價;2015年初，使用六旋翼低空遙控無人飛機對龍巖高嶺土有限公司東宮下高嶺土礦、永安市啟勝礦產有限公司李坊重晶石礦兩座礦山生態環境恢復治理情況航攝解譯評價。

　　2015年3月~2016年9月，根據《2015年部分省級發證露采礦山檢查工作方案》和《福建省國土資源廳關于印發<2016年隨機抽查露采礦山工作的實施方案>的通知》，運用無人飛機航攝、GNSS、移動執法等設備技術和手段，以無人機航攝與實地核查相結合方式重點抽省及市、縣級發證露采礦山越界開采、非法占地及礦山用地情況;2015年3月~9月，按省政府辦公廳《敖江流域水環境綜合整治工作實施方案》，省國土資源廳制定了敖江流域建筑飾面石材礦山全面退出及生態環境恢復實施方案，利用專業型高精度無人機航拍影像解譯全面查清情況，嚴厲打擊非法采礦，加強礦山生態環境恢復治理。

　　2016年5月8日5時許，三明市泰寧縣開善鄉突發泥石流災害，應急使用簡易型便攜式4旋翼低空遙控無人機航拍泥石流全貌正射影像圖等影像資料;2016、2017年底，省政府對設區市年度目標責任考核中，運用無人機航攝、移動執法與實地核查相結合等手段，隨機抽查設區市發證露采礦山生態環境治理恢復情況;2017年底和2018年初，對中央環保督察反饋意見整改落實情況之羅源縣飾面石材礦山關閉及生態恢復情況：①飾面石材礦山關閉情況，②2017年底前計劃完成生態恢復且已完成生態復綠的13座礦山抽查情況，③初次驗收尚未完成生態恢復驗收的的8座礦山生態恢復進展情況現場核查。

　　2各型無人機航測設備系統及主要性能指標

　　福建省自然資源管理部門各型無人機航測主要有廳地質環境監測中心(簡易型便攜式為主)、省測繪院(專業型各式無人機為主)承擔，整體裝備在國內處于領先地位。

　　2.1專業型無人機

　　主要包括監測型、常規型、海洋監測型、長航時型、多旋翼型，分述如下：

　　(1)常規型無人機：適用于新農村城鎮規劃建設、土地利用調查、礦產開采監測等領域中小范圍航攝。

　　(2)長航時型無人機：續航時間超長。在大范圍遠距離應急救災、電力勘測、高速公路、鐵路、石油管道航攝以及農林、水利監測等領域有重要的應用。

　　(3)多旋翼無人機：多旋翼(四旋翼、六旋翼、八旋翼)的主要特點是能夠懸停，多用于視頻拍攝，能夠實時回傳畫面。應用于短距離小范圍的電力巡線、管道監測、災害調查、應急保障、礦產開采監測等。

　　(4)監測型無人機：與多旋翼無人機類似，能夠實時回傳拍攝畫面，主要用于監測，不同的是其沒有懸停功能，但能夠實現定點凝視、定軌巡視，在一些需要按航線航攝監測的場合較為適用。應用于電力巡線、管道監測、災害調查、災情監測、海洋監測等。

　　(5)海洋監測無人機：是為了應對海洋監測需求而配備的，要求其有較好的抗風能力和可觀的續航時間。海洋監測無人機搭載光譜儀等傳感器，能夠有效地實現各類海洋現象的監測，搭載數碼相機，進行常規無人機航測，用于國土、農林、礦產、海洋等領域。

　　2.2應急監測車

　　作為無人機航測系統的保障設備，國家地理信息應急監測車擁有優良的越野性能，持續10小時以上的獨立供電系統;另外還擁有應急航攝任務規劃系統和應急遙感影像快速處理系統，可以在現場成圖出圖。同時還配備衛星通訊系統，可與基站進行衛星通訊，實現航攝視頻的實時傳輸。

　　2.3便攜式遙控型無人機

　　簡易型之便攜式4旋翼低空遙控型無人機，廳地質環境監測中心配備20臺套大疆精靈3~精靈4的四旋翼低空遙控型無人機(地質環境監測應急單兵裝備)。其飛機性能為：有效載荷1kg，續航時間0.5小時，抗風能力2級，動力來源為電池組，最大升限500m，活動半徑≤7km。主要特點：機動靈活，起降方便，操作簡單，能夠快速響應應急需求，場地受限小，可超低空飛行，可懸停拍攝，可實時回傳拍攝視頻畫面。

　　3地質環境監測高精度航拍外業和正射影像圖解譯評價

　　地質環境動態監測高精度航拍外業工作主要由專業測繪無人機承擔。相對分散單個項目(礦山)使用多旋翼無人機高精度外業航拍，主要能懸停、實時回傳、同時攝視頻、不需起降場地等，對于短距離小范圍地質環境動態監測航攝解譯等更為便捷;對于像敖江流域水環境綜合整治工作等較大范圍連片的礦山集中區，每塊區域面積在7~10km2可以成片飛行的區域，使用續航時間相對較長的電動無人機——“雨燕”型固定翼無人飛機作業較為適宜。

　　3.1羅源縣地質環境(礦山)動態監測無人機航攝方案

　　羅源縣飾面石材礦山分布概況：羅源縣有坐標需核查的礦共107個，主要分布在洪洋、西蘭和白塔鄉，其中洪洋鄉33個、西蘭鄉35個、白塔鄉24個，其余飛竹鎮6個，中房鎮5個，起步鎮4個。

　　無人機飛行規劃：107個礦在總面積約300km2的范圍內分布較為稀疏，僅有三塊面積在7~10km2可以成片飛行的區域，因礦山大多在山區，沒有適合大油動固定翼無人機的起降場地，無法進行大面積航飛，因此考慮使用續航時間相對較長的電動無人機“雨燕”型固定翼無人飛機作業，該機型在1:1000比例尺要求下，單個架次可覆蓋3~4km2，且對起降場地要求較低，準備時間短，靈活方便。

　　其余各個礦相對分散，點與點之間的距離有近有遠，連片全覆蓋面積又較大，耗時較長，且附近沒有油動固定翼飛機起降場地。考慮采用相近點合并的方法盡量減少轉場，幾個相近點合并后一塊區域面積在2~3km2左右，考慮使用八旋翼飛機，該機型在1:1000比例尺要求下一個架次覆蓋面積約0.25km2，一天時間可以完成一塊區域。其余不能合并的孤立點再用八旋翼飛機逐點完成。

　　3.2地質環境動態監測高精度航拍正射影像圖解譯評價

　　經過礦山地質環境動態監測無人機高精度航拍外業工作，所獲取的大量實測數據進入正射影像圖解譯評價階段。我們目前運用GlobalMapper地圖繪制軟件對航拍正射影像圖礦山生態環境恢復治理情況解譯評價：能夠將數據(如SRTM數據)顯示為光柵地圖、高程地圖、矢量地圖，還可以對地圖作編輯、轉換、打印、記錄GPS及利用數據的GIS功能;可瀏覽、合成、輸入、輸出大部分流行的掃描點陣圖、等高線、矢量數據集的軟件，可以編輯、轉換、打印各類地圖圖形文件，可以利用地理信息系統信息資源;轉換數據集的投影方式以符合你的項目的坐標系統，并可以同時對數據集的范圍進行裁剪。

　　它還提供距離和面積計算，光柵混合、對比度調節、海拔高度查詢、視線計算，以及一些高級功能，如圖像校正、通過地表數據進行輪廓生成、通過地表數據觀察分水嶺、對3Dpoint數據轉換為三角多邊形和網格化等。

　　4便攜式無人機在野外拓展運用實踐暨技術方法

　　簡易型便攜式無人機進行即時的地質災害應急調查和礦山生態環境恢復治理等地質環境動態監測工作具有直觀、快捷、精準、良好的效果，但從配置、載荷與性價比的綜合考慮,便攜式無人機未配裝衛星定位儀和航測比例尺，在需拼接成圖時遇到確定地理座標、標識比例尺、方位方向等難題;現根據近年實踐經驗，利用野外作業技術人員已配置的地質羅盤、GPS衛星定位儀、激光測距儀等，對便攜式無人機在野外拓展運用需連續航測拼接標準成圖時的技術方法進行探討。

　　4.1對便攜式無人機部分飛行參數的設置

　　連續航測拼接標準成圖時，需盡量保持無人機在同一飛行高度平移航拍，但靠手動長時間遙控保持無人機在同一飛行高度難度較大。根據野外地形、航測面積、分辨率要求，對便攜式無人機飛行參數的最大飛行高度進行設置：對面積較小、地形平緩、相對高差小于50m、分辨率要求高的，一般設置最大飛行高度100~200m;對面積較大、地形起伏、相對高差較大的，設置最大飛行高度300~500m;利用無人機飛行參數最大飛行高度的設置，只要保持最大飛行高度平移航拍，基本可形成相同比例尺的連續航拍照片。

　　4.2無人機航測(起航)點的選定航測

　　(起航)點應盡量在航測范圍的平面和高程相對中點的位置選取，要求相對平緩、視野開闊(與民居樓房、高大樹冠特別是高壓電線保持一定距離)，與其它標志性地形地物視距溝通友好，一般選定一個航測(起航)點即可完成工作任務，如需選取多個航測(起航)點才能完成工作任務，需設置所需最大高度作為所有航測(起航)點飛行高度。以形成相同比例尺的連續航拍照片。因航測(起航)點還作為GPS衛星定位儀、激光測距儀、地質羅盤方位確定原點，無人機航測(起航)點選定后，在起飛原點要做好醒目的“十”字標識。

　　4.3GPS衛星定位導入地理座標

　　在航測(起航)起飛原點的“十”字標識處，利用野外作業技術人員已配備的GPS衛星定位儀進行地理座標GPS衛星定位;進行地理座標GPS衛星定位時為盡可能消減誤差，每到一地使用前需對GPS坐標dx、dy、dz、da、df參數轉換，GPS衛星定位準確性與所接收到信號的衛星顆數有關，一般有4顆衛星信號就能定位、但定位誤差在10m左右，接收越多顆衛星信號定位誤差越小，要求GPS衛星定位誤差在個位數之內。GPS衛星定位地理座標數據在室內成圖時，即以該地理座標擴建成全圖框地理座標。

　　4.4激光測距儀對標志物測量精確距離(導入比例尺)

　　在航測(起航)起飛原點的“十”字標識處，利用野外作業技術人員已配備的激光測距儀選取較為明顯易見的地形地物標志物進行測距、導入精確距離;激光測距儀測距范圍在5~500m，選取地形地物標志物測距的距離以100~450m為佳，并該地形地物標志物在直視和俯視均要易于辨認識別。激光測距儀精確測量距離數值在室內成圖時，即以激光測距儀地形地物標志物精確測距距離構建成全圖面的比例尺。

　　4.5利用地質羅盤標識確定航測照片方位

　　在航測(起航)起飛原點的“十”字標識處，利用野外作業技術人員已配備的地質羅盤選取較為明顯易見的地形地物標志物測定相對方位方向;利用地質羅盤測量方位方向時，選取地形地物標志物測距的距離以目視清晰為準、以300~1000m為佳，并該地形地物標志物在直視和俯視均要易于辨認識別。利用地質羅盤測量方位方向數值在室內成圖時，即以地質羅盤對地形地物標志物測定相對方位方向構建成全圖方位方向。

　　4.6野外的現場校驗核查

　　便攜式無人機野外拓展運用航拍正射影像圖與以往的航片、衛片有所不同，其影像、色彩、色差、分辨率、映射狀況、立體效果等，都與以往的航片、衛片正射影像圖都有較大的差別和變化(平面狀態反映較為突出直觀)，在現有圖像分辨率條件下，在野外可多選取一些航測(起航)點、地形地物標志物進行測定，對有疑問現場調查校驗核查。野外現場調查校驗核查主要對疑似問題、隱蔽工程等航拍暫無法完全解譯部分進行現場調查校驗核查。

　　4.7航拍影像進行室內處理、形成正射影像圖

　　便攜式無人機高精度航拍外業工作，所獲取的大量實測數據進入對航拍正射影像圖拼圖和解譯評價階段。運用AdobePhotoshop7.0.1制圖軟件對單幀航拍照片進行處理，最終形成正射影像圖解譯評價。

　　5新型無人機航測與傳統礦山監測手段對比及體會

　　在對地質環境動態監測特別是礦山生態環境保護與治理恢復的實踐過程中，各型無人機航測與傳統礦山監測手段對比具有度量精準、省時高效、直觀便捷等優勢。過去運用傳統地質環境動態監測手段，一個礦山都需一個野外作業小組3~5天的野外實地調查測量，大型礦山或相對復雜的礦山(礦山生態環境保護與治理恢復項目數量較多的)可能還需10~20天，加之室內資料整理、編寫評價報告，總需時要1~2個月。

　　采用無人機動態監測航測后，單獨礦山野外作業一般半天至一天就可采集完成所需數據，特別是集中連片的礦山集中區可以成片飛行的區域可以考慮使用電動無人機或油動固定翼無人機進行大面積航飛，優勢明顯。

　　6各型無人機航測實踐運用問題與建議探討

　　在地質環境動態監測特別是礦山生態環境動態監測中，經過對各型無人機的實踐運用提出所存在的一些問題與解決問題的建議：

　　(1)起降技術改善與抗風性能提高。無人機工作環境一般在山區,平坦地少,樹木、電桿、房屋多,對于需要滑跑、滑降的較大型的無人機來說,難以滿足起飛要求勉強起降會大大增加飛機損壞的可能性，如果使用小或輕型無人機則由于飛行高度低,在低空作業時受風速、風向影響大。如何很好的利用彈射起飛、撞網回收技術降低無人機對起飛場地的要求以及在不增加重量或盡量輕的條件下提高抗風性能保證飛行的穩定性,是各型無人機急需解決的問題。

　　(2)各型無人機航測精度與航測成本問題。目前我們運用的多旋翼無人機、電動無人機和油動固定翼飛機航拍的分辨率在0.1~1m，基本能滿足地質環境動態監測既礦山生態環境保護與治理恢復動態監測的要求。因一般分辨率在1m以內，但在實踐運用中常發現有些一年內新植的馬尾松或其它樹種幼苗無法分辨的情形，需精度和成本綜合考慮統籌解決問題。

　　專業型無人機航測系統的價格一般在數十萬至數百萬元不等，航拍每km2直接成本在數百至數千元不等，內業處理生成航拍正射影像底圖每km2需要數百元，加之礦山生態環境恢復治理情況航拍正射影像圖解譯評價，分辨率在1m以內時基本每km2綜合成本在上千元之間;簡易型便攜式無人機從配置、載荷與性價比的綜合考慮,未配裝衛星定位儀和航測比例尺，在需拼接成圖時遇到確定地理座標、標識比例尺、方位方向等的較大難題;現僅根據本人多年實踐經驗，利用野外作業技術人員已配置的地質羅盤、GPS衛星定位儀、激光測距儀等，對便攜式無人機在野外拓展運用需連續航測拼接標準成圖時的技術方法進行了一些探索。

　　(3)新型無人機信息量和數據處理量巨大，數據傳輸、數據存儲和數據處理能力函待提高。以2015年重點抽查20個省級發證露采礦山為例，單個礦山航拍正射影像底圖數據就達4~10G，20個礦山共約100G。如果敖江流域約200個石材礦山單航拍正射影像底圖數據就達1000G多，普通辦公用計算機能力根本無法數據傳輸、數據存儲和數據處理，需購置專業用計算機解決。

　　(4)地質環境動態監測之礦山航測解譯評價中疑似問題的現場調查校驗核查。利用各型無人機對礦山生態環境保護與治理恢復動態監測航測，與以往的航片、衛片解譯有所不同，其影像、色彩、色差、分辨率、映射狀況、立體效果等都與以往的航片、衛片正射影像圖都有較大的差別和變化，在現有圖像分辨率條件下，對礦區范圍內的部分工程治理措施，如截、排水溝，地采硐口封閉整治等暫無法解譯，需要對礦山航測解譯評價中疑似問題的現場調查校驗核查。

　　在解譯評價過程中，結合實際情況對礦山航測解譯評價中疑似問題的現場調查校驗核查，現場調查校驗核查主要對疑似問題、露天礦山生態環境保護與治理恢復的部分治理措施如攔渣壩土石方量、地表塌陷、排水溝、沉淀池等漿砌石土石方量，覆土整治土石方量、土地復墾等，植樹株數、播草籽數量等航拍暫無法完全解譯部分進行現場調查校驗核查。

　　7無人機航測在國土資源領域擴展運用的前景

　　我國地域廣袤，自然資源領域構建“數字國土資源”快速地質環境動態監測的任務迫在眉睫。隨著自然資源管理技術信息化步伐加快，各型無人機航測在自然資源領域的普及應用前景廣闊。各型無人機航測在便捷高效地滿足測繪行業基礎測繪、自然資源普查及調查、礦山生態環境保護與治理恢復動態監測、礦產開采監測、城鎮規劃、新農村建設、生態環境調查監測與評估、地籍測量、土地利用變更監測與核查、土地執法檢查、地質災害監測、災情監測、高危地區探測、遠距離應急救災、電力勘測巡線、管道監測、應急保障、高速公路(鐵路、石油管道)航攝以及農林、水利監測、海洋監測、自然資源科研基地系列技術研究等方面的應用具有廣泛而美好前景。

　　8結語

　　本文是新型無人機地質環境監測應用實踐過程中，從無人機地質環境應用、航測設備系統及性能、高精度航拍和解譯評價、便攜式無人機野外拓展運用實踐、航測與傳統礦山監測手段對比、無人機航測實踐運用問題與建議、航測在國土資源領域擴展運用的前景等方面，強化科技創新引領、促進地質環境工作，綜合對各型無人機在地質環境動態監測特別是礦山生態環境動態監測的實踐運用問題與建議探討。以加快自然資源管理技術信息化步伐，促進新型無人機在自然資源領域的普及應用，努力為構建自然資源領域“數字自然資源”而添磚加瓦!

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