無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用分析

無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用分析

1引言傳統(tǒng)礦山監(jiān)測(cè)主要采用的全野外測(cè)量方式（GPS-RTK或全站儀實(shí)測(cè)）對(duì)礦山進(jìn)行測(cè)繪及儲(chǔ)量計(jì)算。無人機(jī)航攝是近年來迅速發(fā)展的空間數(shù)據(jù)獲取手段，具有較高的機(jī)動(dòng)靈活性，受地形限制小，能夠避免因地形復(fù)雜無法完成測(cè)量而產(chǎn)生盲區(qū)，大大降低了外業(yè)工作的勞動(dòng)量和難度。相比難度大、周期長(zhǎng)的傳統(tǒng)礦山測(cè)量方式，無人機(jī)遙感技術(shù)可快速對(duì)地質(zhì)環(huán)境信息和過時(shí)的GIS數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新、修正和升級(jí)。無人機(jī)所體現(xiàn)的低成本、高效率，且所獲取的數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的現(xiàn)勢(shì)性等特點(diǎn)，在小區(qū)域和飛行困難地區(qū)高分辨率影像快速獲取方面有明顯優(yōu)勢(shì)，對(duì)數(shù)字礦山建設(shè)和礦山災(zāi)害應(yīng)急等工作均具有重要的意義。為驗(yàn)證無人機(jī)航攝技術(shù)能否滿足礦山測(cè)量及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作的要求，本文選取了地形區(qū)別較大的南寧市興寧區(qū)五塘鎮(zhèn)四平村三炮山磚用頁巖礦（以下簡(jiǎn)稱“三炮山礦區(qū)”）和南寧市雙秀石場(chǎng)（以下簡(jiǎn)稱“雙秀石場(chǎng)”）作為試點(diǎn)區(qū)域，分別采用無人機(jī)航攝手段和傳統(tǒng)全野外測(cè)量手段對(duì)礦區(qū)進(jìn)行地形測(cè)量及儲(chǔ)量計(jì)算，并對(duì)兩種測(cè)量方式的測(cè)量成果及計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。經(jīng)試驗(yàn)分析，本文認(rèn)為無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)滿足礦山地形測(cè)量及儲(chǔ)量計(jì)算的要求，可以應(yīng)用于南寧礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作當(dāng)中。2研究區(qū)概況2.1三炮山礦區(qū)三炮山礦區(qū)位于南寧市興寧區(qū)五塘鎮(zhèn)四平村，屬山地地形，開采礦種為磚瓦用頁巖，開采標(biāo)高+134.80m～+97.00m。2.2雙秀石場(chǎng)雙秀石場(chǎng)位于南寧市雙定鎮(zhèn)秀山村隴埋坡，屬高山地地形，開采礦種為建筑石料用灰?guī)r，開采標(biāo)高+270m～+180m。3全野外礦山地形測(cè)量3.1礦山地形測(cè)量利用CORS的網(wǎng)絡(luò)RTK方式進(jìn)行礦山地形測(cè)量，用戶隨時(shí)可以觀測(cè)，使用方便，提高工作效率。本文使用GPS-RTK接收機(jī)接入南寧市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星綜合服務(wù)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“NNCORS”）;該系統(tǒng)能夠提供覆蓋南寧市全市域范圍內(nèi)的厘米級(jí)坐標(biāo)快速定位服務(wù)，可以獲得精確的2000國家大地坐標(biāo)。3.2高程轉(zhuǎn)換通過“南寧市測(cè)繪基準(zhǔn)服務(wù)平臺(tái)”（www.nncors.cn）提供的似大地水準(zhǔn)面精化服務(wù)，將實(shí)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的高程值轉(zhuǎn)換為1985國家高程。3.3地形圖成圖地形圖內(nèi)業(yè)編輯在南方CASS7.0軟件下完成，根據(jù)《國家基本比例尺地形圖圖式第一部分：1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖圖式》對(duì)1∶1000比例尺地形圖的測(cè)圖要求，按CASS7.0繪圖軟件自身編碼系統(tǒng)對(duì)地物進(jìn)行編碼，不存在無編碼的地物，線型連續(xù)，面狀閉合，各項(xiàng)操作均能嚴(yán)格按照軟件的要求執(zhí)行。4無人機(jī)航攝數(shù)據(jù)獲取與處理4.1無人機(jī)航攝生產(chǎn)技術(shù)流程根據(jù)礦山測(cè)量及儲(chǔ)量計(jì)算的工作要求，無人機(jī)航攝需要生產(chǎn)的產(chǎn)品包括數(shù)字高程模型DEM和數(shù)字正射影像DOM。生產(chǎn)流程如1圖所示。圖1無人機(jī)航攝生產(chǎn)技術(shù)流程圖4.2像片控制點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量像片控制點(diǎn)布設(shè)采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)法，根據(jù)測(cè)區(qū)面積大小與地形地貌特征，在三炮山礦區(qū)共布設(shè)5個(gè)平高控制點(diǎn)，雙秀石場(chǎng)布設(shè)6個(gè)平高控制點(diǎn)。為確保坐標(biāo)基準(zhǔn)一致，無人機(jī)航攝像片控制點(diǎn)的測(cè)量采用與全野外地形測(cè)量相同的方式（CORS-RTK接入NNCORS），測(cè)量成果通過南寧市測(cè)繪基準(zhǔn)服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使像控點(diǎn)高程成果轉(zhuǎn)換為1985國家高程。4.3原始航片采集無人機(jī)低空航攝采用電動(dòng)固定翼無人機(jī)，相機(jī)搭載傾斜航攝鏡頭組，配合35mm定焦鏡頭進(jìn)行航攝。根據(jù)《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》相關(guān)要求，考慮礦區(qū)地形起伏較大，宜提高航攝重疊度以避免出現(xiàn)航攝漏洞，故設(shè)置航向重疊度為75%，旁向重疊度為55%，地面分辨率0.06m。兩個(gè)礦區(qū)的航攝區(qū)域均設(shè)置為1km2的矩形，確保在完全包含礦區(qū)范圍的前提下同時(shí)對(duì)礦區(qū)周邊區(qū)域進(jìn)行航攝完成無人機(jī)航攝任務(wù)設(shè)置后，需進(jìn)行飛前檢查，確認(rèn)飛機(jī)和氣象條件均滿足航攝要求之后方可準(zhǔn)備起飛。本次工作所用機(jī)型采用彈射起飛的方式，到達(dá)工作高度之后，根據(jù)地面站發(fā)出的任務(wù)指令進(jìn)入航線，完成低空航攝工作并返航降落。4.4內(nèi)業(yè)處理由于無人機(jī)所攜帶的都是相機(jī)不是專業(yè)量測(cè)相機(jī)，鏡頭畸變較大，因此需在后期利用畸變改正參數(shù)通過計(jì)算機(jī)軟件對(duì)航飛原始影像進(jìn)行畸變修正。內(nèi)業(yè)加密采用無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理軟件的空三模塊進(jìn)行全數(shù)字空三加密，對(duì)野外測(cè)定的高程點(diǎn)、平面點(diǎn)進(jìn)行核查和加密，為數(shù)據(jù)采集提供質(zhì)量可靠的定向點(diǎn)。平差計(jì)算采用光束法區(qū)域網(wǎng)平差。空三加密完成后，基于空三加密成果，智能匹配密集點(diǎn)云，生成測(cè)區(qū)0.25m格網(wǎng)間距的三維點(diǎn)云文件。對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行整體濾波，濾除匹配在建筑物、樹木上等非地面的匹配，生成測(cè)區(qū)1∶1000的數(shù)字高程模型（DEM）。根據(jù)外方位元素和DEM逐一對(duì)每個(gè)像對(duì)進(jìn)行數(shù)字微分糾正，得到數(shù)字正射影像（DOM），不同像對(duì)的DOM經(jīng)鑲嵌、圖廓裁切、色彩平衡處理、圖廓整飾等步驟，生成礦區(qū)1∶1000的DOM。無人機(jī)航攝影像細(xì)節(jié)清晰，層次豐富，無明顯模糊、重影和錯(cuò)位，航攝范圍覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)，真實(shí)客觀地反映了礦山的開采現(xiàn)狀。4.5質(zhì)量檢查基于無人機(jī)航攝進(jìn)行礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)需要使用DEM和DOM成果，必須對(duì)這兩個(gè)成果進(jìn)行精度檢核，以確保其符合相關(guān)規(guī)范要求。檢查點(diǎn)按照均勻分布、覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)的原則進(jìn)行選點(diǎn)及測(cè)量。三炮山礦區(qū)和雙秀石場(chǎng)選取的平面檢查點(diǎn)數(shù)量分別為26個(gè)和20個(gè)，高程檢查點(diǎn)數(shù)量均為100個(gè)。兩個(gè)礦區(qū)選取的平面和高程檢查點(diǎn)分布如圖2所示。圖2平面和高程檢查點(diǎn)分布（1）DOM平面位置精度檢查DOM平面位置精度檢查采取外業(yè)實(shí)測(cè)特征點(diǎn)的方式，將檢查點(diǎn)的平面位置坐標(biāo)（Xi，Yi）輸入計(jì)算機(jī)中，并由檢查員在DOM上的提取同名像點(diǎn)坐標(biāo)（xi，yi），計(jì)算平面位置中誤差是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。對(duì)實(shí)測(cè)平面坐標(biāo)與DOM地物特征點(diǎn)坐標(biāo)的對(duì)比結(jié)果顯示，三炮山礦區(qū)DOM的平面位置中誤差為±0.23m和±0.19m，兩者均小于《城市測(cè)量規(guī)范》對(duì)山地和高山地區(qū)域1∶1000DOM平面位置中誤差的限差0.75m［7］。（2）DEM高程精度檢查DEM高程精度檢查是在平面位置精度檢查符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的前提下，將實(shí)測(cè)的高程檢查點(diǎn)（X，Y，Z）的平面坐標(biāo)（X，Y）輸入計(jì)算機(jī)，提取對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的DEM高程（Xi，Yi，Zi），與實(shí)測(cè)高程對(duì)比并計(jì)算高程中誤差。對(duì)實(shí)測(cè)高程值與DEM格網(wǎng)高程的對(duì)比結(jié)果顯示，三炮山礦區(qū)航攝所成DEM的高程中誤差為±0.35m，小于《城市測(cè)量規(guī)范》對(duì)山地區(qū)域1∶1000比例尺、精度等級(jí)為一級(jí)的DEM高程精度限差1.20m;雙秀石場(chǎng)航攝所成DEM的高程中誤差為±0.67m，小于《城市測(cè)量規(guī)范》對(duì)高山地區(qū)域1∶1000比例尺、精度等級(jí)為一級(jí)的DEM高程精度限差2.50m。5礦山儲(chǔ)量計(jì)算5.1利用全野外實(shí)測(cè)成果進(jìn)行礦山儲(chǔ)量計(jì)算南方CASS7.0軟件的方格網(wǎng)法是進(jìn)行計(jì)算土方測(cè)量中常用的計(jì)算方法。對(duì)兩個(gè)測(cè)區(qū)，根據(jù)地形圖采用5m×5m劃分方格網(wǎng)，將計(jì)算起始標(biāo)高和自然地面標(biāo)高分別標(biāo)注在方格點(diǎn)的右上角和右下角，求出各點(diǎn)的高度（挖或填），挖方為（+）、填方為（-）。計(jì)算零點(diǎn)位置，將方格網(wǎng)中兩端角點(diǎn)挖方高度符號(hào)不同的方格邊上零點(diǎn)位置，標(biāo)于方格網(wǎng)上，連接零點(diǎn)，即是填方（超挖）或挖方區(qū)的分界線。零點(diǎn)位置按下列公式計(jì)算：x1=h2/（h1+h2）×αx2=h2/（h1+h2）×α式中：x1，x2—角點(diǎn)至零點(diǎn)的距離（m）;h1，h2—相鄰兩點(diǎn)角的高程（m）;α—方格網(wǎng)的邊長(zhǎng)（m）按方格網(wǎng)底面圖形和下表體積計(jì)算公式，計(jì)算每個(gè)方格網(wǎng)的挖方或填方量，在將所有方格計(jì)算土方匯總即得該礦區(qū)的挖方區(qū)和填方區(qū)的總土方量。采用方格網(wǎng)法計(jì)算得到的三炮山礦區(qū)和雙秀石場(chǎng)的礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量分別為99.3949萬m3和181.4483萬m3。5.2利用無人機(jī)航攝成果進(jìn)行礦山儲(chǔ)量計(jì)算在航攝DEM成果的基礎(chǔ)上，使用礦區(qū)開采邊界對(duì)DEM進(jìn)行裁剪。在三炮山礦區(qū)，無越界超采情況存在，因此使用采礦權(quán)登記界線進(jìn)行裁剪;而雙秀石場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)開采范圍超出原有登記界線，在此采用全野外實(shí)測(cè)得到的現(xiàn)狀開采界線對(duì)DEM進(jìn)行裁剪。得到裁剪過的DEM之后，使用ArcGISforDesktop軟件中的“表面體積”工具計(jì)算地表面DEM和參考平面（即開采標(biāo)高平面）之間的體積。三炮山礦區(qū)無越層超采的情況，計(jì)算時(shí)只需輸入標(biāo)高97m、計(jì)算條件ABOVE（上方）即可得到礦區(qū)現(xiàn)有儲(chǔ)量101.7863萬m3。三炮山礦區(qū)三維示意圖如圖3所示。圖3山炮山儲(chǔ)量計(jì)算示意圖雙秀石場(chǎng)已發(fā)生越層開采，需要分別使用ABOVE和BELOW條件來計(jì)算180m標(biāo)高之上和之下的儲(chǔ)量，兩者加和后，得到實(shí)際的礦產(chǎn)儲(chǔ)量189.9449萬m3。雙秀石場(chǎng)三維示意圖如圖4所示。圖4雙秀石場(chǎng)儲(chǔ)量計(jì)算示意圖5.3儲(chǔ)量計(jì)算結(jié)果對(duì)比兩個(gè)礦區(qū)不同測(cè)量方式計(jì)算儲(chǔ)量得到的結(jié)果如表1所示，以全野外測(cè)量計(jì)算得到的結(jié)果為真值，則偏差量等于全野外測(cè)量計(jì)算結(jié)果減去無人機(jī)航攝計(jì)算結(jié)果，相對(duì)誤差為偏差量除以全野外測(cè)量計(jì)算結(jié)果的絕對(duì)值。由該表可知，兩個(gè)礦區(qū)儲(chǔ)量計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差分別為2.41%和4.68%，兩者均優(yōu)于5%，說明無人機(jī)航攝成果計(jì)算得到的礦山儲(chǔ)量具有很高的可信性。儲(chǔ)量計(jì)算結(jié)果對(duì)比表表16結(jié)論本文通過無人機(jī)航攝和全野外測(cè)量對(duì)南寧市某礦區(qū)進(jìn)行儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)，對(duì)兩種方式的實(shí)施過程、數(shù)據(jù)成果和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下主要結(jié)論：（1）無人機(jī)航攝數(shù)據(jù)成果具備可靠性，平面及高程中誤差滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，可以用于礦山測(cè)量和儲(chǔ)量計(jì)算工作當(dāng)中。（2）在南寧市興寧區(qū)五塘鎮(zhèn)四平村三炮山磚用頁巖礦和南寧市雙秀石場(chǎng)，無人機(jī)航攝與全野外地形測(cè)量?jī)煞N成果采用同樣的方法進(jìn)行儲(chǔ)量計(jì)算得到的結(jié)果相對(duì)誤差分別為2.41%和4.68%，無人機(jī)航攝計(jì)算礦產(chǎn)儲(chǔ)量的可信度較高。（3）對(duì)全野外地形測(cè)量中人員無法到達(dá)、GPS信號(hào)不穩(wěn)定的高邊坡、陡坎、灌木林區(qū)，無人機(jī)航空攝影測(cè)量的方式可以全面覆蓋。（4）相比于傳統(tǒng)的礦山測(cè)量方式，無人機(jī)航攝獲取得到的高分辨率DOM可以與過往多期衛(wèi)星影像、大飛機(jī)航攝影像以及地形數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加對(duì)比，其客觀性強(qiáng)于全野外實(shí)測(cè)