基于無人機技術的露天礦山越界開采監測與評估方法

劉 一，馬燦璇，湛 龍，范卓偉，宋世明，曾 勇

（中國地質調查局南京地質調查中心，江蘇 南京 210016）

0 引 言

礦產資源是人類賴以生存和發展不可缺少的物質基礎，礦產資源作為國民經濟建設的重要資源，長期以來被不斷開發利用，帶動了經濟的發展。隨著經濟社會發展對礦產資源需求量的日益增加，礦產品銷售價格上漲和礦山企業采掘活動不斷深入，過度開采、濫挖濫采、越界開采礦產資源的行為時有發生，在破壞礦產資源的同時給自然資源、人文環境等造成損害[1]，不但擾亂了礦產資源開發秩序，還產生了重大安全隱患和資源糾紛。如何嚴厲打擊越界開采這一違法行為，有效遏制礦山安全生產事故的發生，實現礦產資源開發的高質量發展，是自然資源管理部門亟需探討與解決的重大問題。

近年來，無人機技術在支撐自然資源調查和監測管理工作中得到廣泛應用[2-3]。采用高分衛星遙感監測、無人機低空航測、GNSS-RTK 定位、全站儀放樣、微震系統監測、三維激光掃描等最前沿技術手段，快速獲取目標體與不同精度的影像和矢量數據[4]，查清區域范圍各類自然資源家底，在實現重構山水林田湖草統一的自然資源調查體系中發揮了重要作用。其中，無人機低空航測技術在露天礦山的越界開采監測與評估中發展迅速，具有高適應性、高靈活性、高分辨率及經濟便利等特性，成為推動衛片執法與例行督察工作的先進適用技術，在自然資源執法檢查和衛星遙感監測中發揮了重大作用[3,5]，提高了工作效率同時，部分項目[6-7]精準獲得了地上、地下礦山開采現狀三維數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM），為監管部門提供直觀、準確、及時有效的數據支持，成為支撐服務自然資源管理工作的重要手段。

傳統利用無人機進行露天礦山越界開采監測的方法主要是以無人機完成任務區拍攝工作，采用野外鋪設地面標識點的方式進行控制測量，通過比對得到任務區越界開采區域的位置及面積等信息，進一步實現三維建模并完成任務區數字高程模型和正射影像制作[8]。這種方式雖然在一定程度上提高了監測效率，但是飛行管控的特殊性要求和大數據處理對設備的先進性要求一直是制約快速監測和提升效率的瓶頸。本文基于無人機低空航測技術，通過系統采集無人機航測數據與飛控系統數據，結合衛星遙感、地理信息系統應用，快速獲取了4 個疑似違法礦山二維場景圖像模型（Scene Image Model，SIM），動態飛行展示了礦區全貌和精細地物；進一步建立了2 個礦山的三維數字高程模型（DEM）和三維數字地形模型（Digital Terrain Model，DTM），定性研判了違法類型與性質；針對需求建立了1 個礦山的三維數字表面模型（Digital Surface Model，DSM），定量估算違法采礦資源量；利用四維數字表面模型（DSM），查明礦山歷史時期違法過程，測算違法開采的資源量，為礦產資源衛片執法檢查工作提供理論支撐和決策依據。

1 露天礦山越界開采和監測狀況

1.1 越界開采的種類及性質

礦產資源越界開采是指超越自然資源主管部門批準的礦區范圍開采礦產資源的行為，屬于非法采礦的一種重要表現形式。認定越界開采的首要問題是確定采礦權許可證規定的礦區范圍，即指經登記管理機關依法劃定的可供開采礦產資源的范圍、井巷工程設施分布范圍或者露天剝離范圍的立體空間區域。

越界開采按超越的礦區空間范圍可劃分為三種類型：在平面上超越礦區范圍，即通常所說的越界開采；在高程上超越礦區范圍，也稱超層開采；在平面和高程上均超越礦區范圍，稱越界超層開采。越界開采實質上是超越自然資源主管部門批準的礦區范圍獲取礦產資源，包含了越界開采礦業權空白區的礦產資源、越界開采其他礦業權的礦產資源、越界開采礦業權空白區兼有其他礦業權的礦產資源等情形。

越界開采礦業權空白區的礦產資源，實質上是對國家所有的礦產資源所有權的侵犯；而越界開采其他礦業權的礦產資源，則還侵犯了特定的礦業權（屬用益物權）。

1.2 越界開采的監測與評估

礦產資源開采技術是指用人工或機械對有利用價值的天然礦物資源進行開采的各種方法。根據礦床埋藏深度的不同和技術經濟合理性的要求，礦產資源開采分為露天開采和地下開采兩種方式，接近地表和埋藏較淺的部分采用露天開采，深部礦藏采用地下開采。

簡單的露天礦山越界開采的監測方法是采用人工目視解譯法。在遙感影像上對露天礦山各組成要素由人工目視識別并手動勾繪，如圖1（a）所示。比照礦區范圍以登記管理機關頒發的采礦許可證為準進行人工比對，對礦山采礦場地、礦山環境和利用狀態等進行研判，對其開采強度和開采潛力做出分析估計。

圖1 越界開采的監測與評估工作實例Fig.1 Examples of monitoring and evaluation areas for cross border mining

傳統遙感信息處理與提取已成為監測的重要手段?；趥鹘y的礦山環境特征，在計算機上面向影像像元或面向對象進行多要素信息提取的方法發展時間長，已經成為比較成熟的監測方法技術，如圖1（b）所示。根據影像處理的最小基元或影像光譜信息進行要素提取，提取出礦區開采單元和生產環境，在中精度、大范圍、快速查明露天礦山開采的總體情況方面取得了好效果[1,3]。將影像分割成內部相對均一的幾個斑塊，以斑塊為單位綜合考慮其光譜、紋理、形狀、空間關系等信息進行類別判定[9]，可以獲得更高分辨率的無人機航測數據，如圖1（c）所示。在露天礦山組成要素提取與監測中發揮重要作用。

近年來，基于深度學習的計算機視覺信息提取，包括深度學習圖像分類、目標檢測、圖像分割等相關技術和前緣研究[10]，目前，露天開采礦區要素遙感提取技術仍在探索之中[10-11]，遙感影像變化智能監測與地物信息提取關鍵技術成為熱點，基于深度學習的遙感圖像目標識別與信息提取技術[11-12]、自然資源領域的精細地物分類[13]關鍵技術也取得了一定成果。

這些遙感監測方法技術形成了支撐服務自然資源督察與執法工作在衛片執法領域的基礎，也是實現露天礦山開采監測真實性、準確性和時效性的重要途經。2022 年全國礦山開發及重點地區生態空間遙感監測顯示，華東地區2022 年圈定的疑似違法圖斑中，違法開采類型以越界開采為主，如圖1（d）所示，礦產類型中非金屬礦占比達到了違法圖斑總數的97.16%，違法開采涉及較多的礦種如建筑石料用灰巖、建筑用花崗巖、磚瓦用黏土均為露天礦山。違法圖斑空間分布上主要集中在江西省的重點礦集區及周邊、安徽省中部及皖南地區，兩省占比分別為38.59%和23.06%。在開發程度上露天礦山主要分布在中部省區的重點礦集區及周邊，東部沿海地區則以生態修復治理為主，中西部山地則存留較多的未修復治理礦山。通過對歷年多期次露天礦山開發監測數據對比發現，2017—2022 年礦山違法圖斑數據量呈現逐年減少的跡象，反映出得益于礦產資源開發利用監管愈發嚴格，礦山開發利用逐步趨于規范。

2 無人機航測技術應用技術方法

無人機低空航測的出現更新了傳統測繪的作業方式[2]。通過無人機低空多鏡頭獲取高分辨率影像，多種測量設備的不斷進化和設備準確度的迅速改善，以及遠程分析數據的時間和空間分辨率持續提高，可快速實現對目標區域地理信息的獲取、處理與應用，形成信息豐富、影像直觀、可三維分析的精準數據集，充分滿足露天礦山開采監測的需求。

2.1 無人機在露天礦山越界開采監測中應用

無人機航測技術的遠程測量設備非常靈活，在著陸時不需要太多空間，運行中攜帶方便、安全，可持續運行。無人機航測的飛行高度相比于云層較低，為信息快速傳輸提供了較大便利。

無人機航測系統內置的GPS 可以準確計算地理位置，因此，在測量過程中不需要其他的定位軟件。測量過程中對準確度要求較高時，隨時可以追加部分檢查點，變更與空中三角測量（以下簡稱“空三”）計算相關的檢查點值。

無人機航測系統具有較高的空間分辨率。在計算通過無人機航測系統所獲得的數據時，通常使用的方法是根據攝影數據對其進行空三算法及技術優化，自動修改礦山開采信息，將接收到的數據和其他信息標準化，然后輸出使用，將攝影技術和監測工程完美地結合。

無人機在露天礦山越界開采監測中應用在礦山開采地物的識別與分析、礦山開采現狀與事實調查、礦山越界開采取證與保全、礦山越界高精度數據測量等方面。通過無人機自動準確的數據處理技術與航空攝影技術有效地結合[14]，對露天礦山的開發利用進行監督和管理，顯著提高了執法與督察工作的整體效率。

2.2 無人機監測露天礦山越界關鍵技術

1）前期礦區資料信息準備。在開展露天礦山越界開采監測工作時，專業人員需要確定使用的坐標系、中央子午線、投影面高程、高程系統、影像分辨率等，全面了解露天礦山的情況，如地形地貌、礦產資源分布、礦山開采現狀以及計劃工作期間的天氣狀況等，以便快速確定露天礦山越界開采監測的工作方案[15]。在露天礦山越界開采監測的前期調研階段，根據需要可以開展現場勘查，收集地形地貌信息，以及周邊的重要設備和交通信息，為無人機航測的起飛、降落、航線規劃提供資料。

2）航線規劃與像控點布設。綜合應用導航技術、地理信息技術以及遠程感知技術，需要結合露天礦山的規模以及礦產資源的分布情況，提前對無人機航測設備進行設置和航線進行規劃，按照一定的航跡規劃方法，制定最優或次優路徑，實現對露天礦山以及特定區域的精準航拍。

規劃的過程中需要確保無人機在不同礦區的垂直航拍效果和傾斜航拍效果，確定飛行高度和重點區域范圍，調試使用最合適的快門、光圈、ISO 值，保證各部位的攝影分辨率。避免在露天礦山越界開采監測中應用無人機出現航線偏移的情況，保證露天礦山越界開采監測結果的準確性[16]。根據飛行過程中遇到的突發情況，局部動態地調整飛行路徑或改變動作任務。無人機傾斜三維建模要求航向重疊度和旁向重疊度至少達到70%及以上，飛行作業前應向有關部門申請空域。

像控點按航線全區統一布設，應該選擇在航測攝像片上影像清晰、目標明顯的像點，像點間在測區內構成一定的幾何強度，并且數量一般在5 個以上，達到控制整個區域的目的。一般采用“GPS-RTK”的方法，進行GPS 測量，檢查殘差看其是否滿足項目測量精度的要求。

3）無人機外業航飛測量。在實際到達現場時，應記錄現場的風速、天氣、起降坐標等信息。無人機解鎖起飛后，飛控人員留意飛控軟件中的電池狀況、飛行速度、飛行高度、飛行姿態、航線完成情況等，以此保證飛行安全。

航飛過程中應密切關注飛行器狀態、飛行高度、飛行速度以及實時圖傳、飛行器衛星數、遙控器信號、飛行器電池電量。通過遙控器顯示屏的相機回傳信息小窗口監測相機視角。工作人員還需要對無人機的垂直角度與傾斜角度進行調整，利用傳感器將無人機航測數據信息快速、準確傳輸至終端設備，便于工作人員及時對相關數據信息進行整合和分析，從而呈現露天礦山的實際情況。

完成降落后檢查相機中的影像數據、飛控系統中的數據是否完整，對于無效數據的航線或架次將進行補飛。

4）飛行數據信息的處理。無人機低空航測技術在露天礦山越界開采監測中可以實時傳輸航拍影像和監測數據，快速生成二維場景圖像模型（SIM），生成的礦山二維場景影像從不同視角，直觀、動態地展示礦區全景立體地貌和礦山設施分布、設備運行情況，并在局部對礦山地質環境進行大比例放大與精細刻畫。疊加礦業權矢量信息可以快速直觀地檢視礦山越界開采違法線索，為執法與督察工作提供快速響應支持。

利用全自動處理的空三軟件，進行手動干預的自動空三加密。運算過程中，軟件會對航片中的大量特征點進行自動運算提取，然后對其中的同名點進行匹配，反算出每張航片的空間位置和航片的姿態角度，確定航片間關系。通過空三加密點計算出不 規 則 三 角 網（Triangulated Irregular Network，TIN），生成三維數字高程模型（DEM），用于描述地表起伏形態特征的空間數據，由地面規則格網點的高程值構成的矩陣，形成柵格結構數據集。

三維數字高程模型（DEM）添加礦山遙感影像形成既有幾何外觀又有真實彩色紋理的逼真效果的三維數字地形模型（DTM），或對無人機低空航測相片進行數字微分糾正和鑲嵌，可以直接導出三維數字正射影像（Digital Orthophoto Map，DOM）。三維數字正射影像（DOM）形成可以作為礦山開采標高計算分析的基礎數據，并可作為露天礦山監測的地圖分析背景控制信息，疊加礦業權矢量信息后可精細、準確顯示平面越界開采和底面超層情況，達到大致、定性判別違法事實的目的，為執法與督察工作提供準確支持。

三維數字高程模型（DEM）結合無人機低空航測取得的礦山表面要素進一步構建露天礦山的數字地表模型（DSM）。無人機低空航測數據輸出包含了地表建筑物、橋梁和樹木等高度數據，按一定工作區域范圍裁剪生成的數字地表模型（DSM）。同時疊加礦業權矢量信息后可精細、準確計算平面越界開采和底面超層的情況，達到做實、定量判別違法事實的目的，為執法與督察工作提供精細服務。

實施中結合收集的數據信息對露天礦山越界開采監測工作方案進行調控，進一步提高無人機航測數據的及時性與完整性。同時還能夠加強該技術與3S 技術的聯合運用[17]，在各項數據信息的支持下更加綜合地應用資料，便于更加高效、精準地完成露天礦山越界開采監測工作。

5）礦山監測結果的評價。在對露天礦山進行監測以后，還可以多角度對露天礦山的測繪結果進行評價，進一步明確礦山越界開采監測中的各類信息。

無人機低空航測技術還能夠將各類數據信息納入信息化系統，讓相關部門可以結合這些數據信息對露天礦山的實際情況進行準確評價，以此優化調整露天礦山開采方案。

2.3 礦山越界開采監測中的工作方法

露天礦山越界開采監測中的主要技術方法[16]包含露天礦山全景監測方法、非法開采實時取證方法、越界開采過時追蹤方法、違法開采數量測算方法、基礎數據整合應用方法、礦山違法中長期預警方法和無人機航測成果展示方法等。

1）基礎數據整合應用方法。為了在監測領域獲得準確的地理信息，在利用無人機航測技術采集信息時，必須根據地理特征設置合適的飛行模式，同時對采集到的信息進行自動加密，防止信息隨時變化或者被盜取。同時，無人機航測技術可以對采集到的地理信息進行自動分類和過濾，刪除與測量結果無關的、沒有特定用途的信息，這樣就可以大大降低信息和數據的復雜性，提高測量數據的精度。當無人機航測技術完成信息采集的任務后，把信息數據轉換為計算機三維數字高程模型（DEM），提高了數據信息的可觀性，進而提高了工程測量的精度。

2）非法開采實時取證方法。無人機以其個體小、易操作、高度智能化和不受環境約束的特點備受人們青睞。監測過程中無人機達到需要準確視頻和固定圖像的領域只需要非常短的時間，所以可以快速感知對礦山的非法開采、無證開采和對國家土地進行非法侵占等行為，并提供視頻證據，及時發現正在生產礦山的作業人員、機械、設備和生產痕跡。無人機在動態檢查中除了能夠克服低效率和盲區的問題，更是彌補了資源衛星感應時間長、分辨率低的缺點。

3）越界開采過時追蹤方法。通過不同視角同步采集影像，獲取露天礦山的立體高分辨率數據后，運用先進的定位、融合、建模等技術[18]，生成露天礦山三維數字地表模型（DSM）。三維數字地表模型（DSM）是對礦區的立體化復制，具有實時可量測的特性，能夠真實地反映礦區各種細節特征，為超層越界開采監管等各項礦政管理工作提供精細化的本底數據，也可用以開展不同時期露天礦山四維數字地表模型（DSM）比對工作，對違規開采行為形成有力震懾。

4）違法開采數量測算方法。對越界開采量精準計算的方法主要有直接體積法估算、濾波估算方法和軟件自動測量方法。直接體積法估算平面越界開采礦石量方法是在無人機低空航測技術應用到礦山監測后，用無人機航測所生成的數字地表模型（DSM）亦可以進行儲量與開采量的估算，使用較為普遍的方法為兩期數字地表模型（DSM）相減，或結合以往礦山測繪資料（如實地核查報告等）差值即為該礦山開采深度。濾波估算方法是在對無人機航測三維數字正射影像（DOM）進行邊界提取與分類的基礎上，采用三角網內插加密、曲面參數約束等濾波算法，進行地物分類與輪廓提取，對提取出的地物分別設置一個高程差閾值作為濾波參數進行濾波處理，形成精細的三維數字高程模型（DEM），它是一個理論的物體模型，可以剔除地表多余地物參與運算對結果的影響，直接用體積法估算開采礦石量。

部分無人機航測平臺和基于三維場景的管理系統也可以進行數量測算。如基于三維場景的露天礦安全生產監管系統可對三維數字地表模型（DSM）進行量測，直接計算開挖的土方數量。也可將不同時段的三維數字正射影像（DOM）進行對比量測，對礦山的開采過程進行動態監測，為監管部門提供直觀、準確、及時有效的數據支持，可以更加直觀和準確地監測露天礦的開采是否超限，是否存在違法開采狀況。

5）越界開采中長期預警方法。建立礦山防越界開采成像動態監測預警系統，實時監測采礦生產及人工活動信號，將露天礦山實景三維數字地表模型（DSM）與高靈敏度的成像傳感器布設于研究區域處四周，全面、實時、三維監測因越界開采活動產生的采掘放炮及生產活動信號，來獲得越界開采活動發生的位置和時間，并且在越界開采活動引起礦山的外在變化之前通過實時監測來實現預警[19]。同時對中長期越界開采的趨勢進行分析，提出預防越界違法的開采措施和建議。

3 某地四礦無人機航測技術應用

江南某地非金屬礦產資源較為豐富，其中，水泥用石灰巖、建筑石料用火山巖、石灰巖是最重要的露天開采資源。

該地某水泥集團是本區集礦石采掘、水泥制造、產品銷售一體的大型企業（集團），其下屬有QFS 礦區、SCS 礦區、NCS 礦區和DJS 礦區等4 個水泥用石灰巖礦區。2022 年底，國家自然資源督察南京局與中國地質調查局南京地質調查中心組織團隊，共同探索應用無人機航測技術定性、定量監測露天礦山開采中的違法行為。

3.1 二維場景圖像模型（SIM）

通過無人機大師鏡頭全景攝像與像控點布設，采集無人機影像數據與飛控系統數據，獲取了SCS礦區、CSN 礦區、DJS 礦區和QFS 礦區等4 個礦區的二維場景圖像模型（SIM）。動態飛行展示礦區自然景觀，觀察礦區不同空間位置的礦山地質結構、采礦工程布局，實現礦坑不穩定巖塊和礦山機械設備定位搜尋，構筑自然的動態礦區全貌效果和精細地物，如圖2（a）和（b）所示。鳥瞰功能時停、時動、時靜，凸顯不同方位與視角的節奏感，產生不同感觀的視覺體念，輔助督察區域概況的研判，增強對礦山總體結構的了解，如圖2（c）和（d）所示。疊加礦業權矢量信息后，快速、直觀地發現和確認區域內4 個礦區存在5 處疑似越界開采區段、3 處疑似超層采礦區段，選定2 個礦區進一步開展三維數字高程模型（DEM）構建試驗。

圖2 江南四礦區高精度二維場景圖像模型Fig.2 High precision 2D SIM of four mining areas in Jiangnan

3.2 三維數字高程模型（DEM）

通過像控點校準、平面坐標糾正和圖像畸變處理，建立了QFS 礦區和DJS 礦區等2 個礦區的三維數字高程模型（DEM），進一步生成三維數字地形模型（DTM）。三維數字地形模型（DTM）著重描述包括高程在內的各種地貌因子，如坡度、坡向、坡度變化率等因子在內的線性和非線性組合的空間分布。三維數字地形模型（DTM）與礦山采掘邊界、矢量礦業權界線的疊合，快速（定性）研判違法類型（越界與超層）與性質（違法與合法），大致確定區域內2 個礦區存在4 處疑似越界開采區段、2 處疑似超層采礦區段，如圖3（a）所示。協助督察工作對現場問題進行分析統計和預判，定性存在一定規模的違法事實。

圖3 礦區高精度數字模型判別礦山違法Fig.3 High precision digital model for distinguishing illegal mining facts in mining area

3.3 三維數字表面模型（DSM）

在三維數字高程模型的基礎上，進一步補充礦坑表面地質結構和采掘要素等（包括地形、建筑、地層、構造、礦床礦體、危險源、開采單元、采場、工作面、設備等），建立了QFS 礦區的三維數字表面模型（DSM）。數字表面模型是真正的傾斜攝影數據，具有精確坐標信息和可量測的數據屬性，可以協助督察與執法部門對現場進行精準測量和統計分析，如圖3（b）所示，從而大致估算（定量）違法采礦資源量。

三維數字表面模型（DSM）結合矢量礦業權界線，對礦業權3 處超層越界范圍進行計算，如圖3（c）所示，進一步精準估算了違法采礦資源量，達到做實、定量判別違法事實的目的。

3.4 四維數字表面模型（DSM）

為了進一步分析往年開采境界及越界區域的變化，基于統一的空間和時間四維坐標，將礦坑中的歷史時期的采掘信息可視化后，配置完整的屬性信息，建立三維礦山數字地理信息模型，形成完整的四維時態地理信息系統，實現采坑所有對象的透明管理和虛擬現實系統仿真。在自然資源督察中，測算（定量）歷史時期或某個階段違法開采的資源量。

通過剖面分析和多期數據對比，如圖3（d）所示。圈定QFS 礦區2020 年底以來1 處不同類型的違法采礦（越界與超層）塊段，扣除合法工程（如消險、救災）的影響，精準計算違法開采的資源量，實現高效、精準地判別礦產資源違法的技術支撐。

4 結 論

1）礦產資源越界開采屬于非法采礦的一種重要表現形式，其實質上是對國家所有的礦產資源所有權的侵犯；而越界開采其他礦業權的礦產資源還侵犯了他人礦業權的權屬。

2）無人機低空航測技術的出現更新了傳統測繪的作業方式，具有信息豐富、影像直觀、可三維分析等特點，可為露天礦山監測提供新型、快捷和方便的技術支持。

3）無人機監測露天礦山越界的技術流程主要分為前期礦區資料準備、航線規劃與像控點布設、無人機外業航飛測量、監測數據信息處理及測繪結果評價5 個階段。

4）基于無人機航測技術，結合衛星遙感、地理信息系統應用在江南某地進行的試驗，快速獲取了疑似違法礦山二維場景圖像模型（SIM），進一步建立了礦山的三維數字地形模型（DTM），定性研判違法類型與性質；針對需求建立了礦山的三維數字表面模型（SIM），定量估算違法采礦資源量；利用四維數字表面模型（SIM），查明了該礦山歷史時期的違法過程并測算了違法開采的資源量。

致謝：感謝國家自然資源督察南京局賈宏俊博士、趙昊同志的大力支持，提出了露天礦山礦產資源督察工作需求方向，在試驗中給予關鍵問題指導與成果目標謀劃，保障無人機航測技術應用的順利實施。