無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)在露天礦山監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

謝意，易桂軒，梁煥青，范昆飛

(1.南寧市國(guó)土測(cè)繪地理信息中心，廣西 南寧 530021； 2.武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430022)

無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)在露天礦山監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

謝意1*，易桂軒2，梁煥青1，范昆飛1

(1.南寧市國(guó)土測(cè)繪地理信息中心，廣西 南寧 530021； 2.武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430022)

以南寧市興寧區(qū)五塘鎮(zhèn)四平村三炮山磚用頁(yè)巖礦和南寧市雙秀石場(chǎng)為例，探討無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)在露天礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的適用性。首先使用全野外地形測(cè)量方式和無(wú)人機(jī)航攝方式分別對(duì)礦山進(jìn)行測(cè)量，并以全野外實(shí)測(cè)成果對(duì)無(wú)人機(jī)航攝成果進(jìn)行檢查；然后利用兩種測(cè)量方法的成果分別進(jìn)行礦山儲(chǔ)量計(jì)算；最后將無(wú)人機(jī)航攝與全野外地形測(cè)量的儲(chǔ)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。研究結(jié)果表明：無(wú)人機(jī)航攝能夠高效、全面地完成礦山測(cè)量及礦山儲(chǔ)量的計(jì)算，可以應(yīng)用于露天礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中。

無(wú)人機(jī)；航空攝影測(cè)量；礦山監(jiān)測(cè)

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(wú)人機(jī)航攝是近年來(lái)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(wú)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[1]。相比難度大、周期長(zhǎng)的傳統(tǒng)礦山測(cè)量方式，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)可快速對(duì)地質(zhì)環(huán)境信息和過(guò)時(shí)的GIS數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行更新、修正和升級(jí)[2]。無(wú)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)[3]，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[4]。

為驗(yàn)證無(wú)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(yè)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(wú)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(wú)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(kāi)采礦種為磚瓦用頁(yè)巖，開(kāi)采標(biāo)高 +134.80 m～ +97.00 m。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(kāi)采礦種為建筑石料用灰?guī)r，開(kāi)采標(biāo)高 +270 m～+180 m。

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[5]。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(guó)家大地坐標(biāo)。

3.2 高程轉(zhuǎn)換

通過(guò)“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(guó)家高程。

3.3 地形圖成圖

地形圖內(nèi)業(yè)編輯在南方CASS 7.0軟件下完成，根據(jù)《國(guó)家基本比例尺地形圖圖式第一部分：1∶500、1∶1 000、1∶2 000地形圖圖式》對(duì) 1∶1 000比例尺地形圖的測(cè)圖要求，按CASS 7.0繪圖軟件自身編碼系統(tǒng)對(duì)地物進(jìn)行編碼，不存在無(wú)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(wú)人機(jī)航攝數(shù)據(jù)獲取與處理

4.1 無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(guò)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(guó)家高程。4.3 原始航片采集

無(wú)人機(jī)低空航攝采用電動(dòng)固定翼無(wú)人機(jī)，相機(jī)搭載傾斜航攝鏡頭組，配合 35 mm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[6]，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 0.06 m。兩個(gè)礦區(qū)的航攝區(qū)域均設(shè)置為 1 km2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(wú)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(wú)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(guò)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(wú)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) 0.25 m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(shù)木上等非地面的匹配，生成測(cè)區(qū) 1∶1 000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∶1 000的DOM。

無(wú)人機(jī)航攝影像細(xì)節(jié)清晰，層次豐富，無(wú)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(kāi)采現(xiàn)狀。

4.5 質(zhì)量檢查

基于無(wú)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 ±0.23 m和 ±0.19 m，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∶1000 DOM平面位置中誤差的限差 0.75 m[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)(Xi，Yi，Zi)的平面坐標(biāo)(Xi，Yi) 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 ±0.35 m，小于《城市測(cè)量規(guī)范》對(duì)山地區(qū)域 1∶1 000比例尺、精度等級(jí)為一級(jí)的DEM高程精度限差 1.20 m；雙秀石場(chǎng)航攝所成DEM的高程中誤差為 ±0.67 m，小于《城市測(cè)量規(guī)范》對(duì)高山地區(qū)域 1∶1 000比例尺、精度等級(jí)為一級(jí)的DEM高程精度限差 2.50 m[7]。

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CASS 7.0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5 m×5 m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)×α

x2=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 99.3 949萬(wàn)m3和 181.448 3萬(wàn)m3。

5.2 利用無(wú)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(kāi)采邊界對(duì)DEM進(jìn)行裁剪。在三炮山礦區(qū)，無(wú)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(kāi)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(kāi)采界線對(duì)DEM進(jìn)行裁剪。得到裁剪過(guò)的DEM之后，使用ArcGIS for Desktop軟件中的“表面體積”工具計(jì)算地表面DEM和參考平面(即開(kāi)采標(biāo)高平面)之間的體積。

三炮山礦區(qū)無(wú)越層超采的情況，計(jì)算時(shí)只需輸入標(biāo)高 97 m、計(jì)算條件ABOVE(上方)即可得到礦區(qū)現(xiàn)有儲(chǔ)量 101.786 3萬(wàn)m3。三炮山礦區(qū)三維示意圖如圖3所示。

圖3 三炮山儲(chǔ)量計(jì)算示意圖

雙秀石場(chǎng)已發(fā)生越層開(kāi)采，需要分別使用ABOVE和BELOW條件來(lái)計(jì)算 180 m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 189.944 9萬(wàn)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(wú)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(shuō)明無(wú)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1

6 結(jié) 論

本文通過(guò)無(wú)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(guò)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(wú)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(yè)巖礦和南寧市雙秀石場(chǎng)，無(wú)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(wú)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(wú)法到達(dá)、GPS信號(hào)不穩(wěn)定的高邊坡、陡坎、灌木林區(qū)，無(wú)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(wú)人機(jī)航攝獲取得到的高分辨率DOM可以與過(guò)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)，可有效杜絕擅自更改數(shù)據(jù)成果從而造成年審評(píng)估結(jié)果失實(shí)的情況。

(5)本文對(duì)兩種測(cè)量手段的測(cè)量成果均采取較為簡(jiǎn)便的計(jì)算方法進(jìn)行儲(chǔ)量計(jì)算，尚不能充分體現(xiàn)無(wú)人機(jī)航攝成果全覆蓋、高分辨率的優(yōu)越性；此外，為便于計(jì)算，未扣除邊坡壓占資源儲(chǔ)量，未考慮回采率、損失率等因素。實(shí)際工作中，應(yīng)充分利用航攝生產(chǎn)的數(shù)字高程模型，結(jié)合地質(zhì)勘查成果，構(gòu)建包含地表信息和地下信息的礦山三維模型，采用適用于特定礦區(qū)、特定礦產(chǎn)的儲(chǔ)量計(jì)算方法，對(duì)露天礦山進(jìn)行儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

[1] 楊青山，范彬彬，魏顯龍等. 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在新疆礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 測(cè)繪通報(bào)，2015(5)：91～94.

[2] 張?zhí)i，宋會(huì)傳. 無(wú)人機(jī)技術(shù)在現(xiàn)代礦山測(cè)量中的應(yīng)用探討[J]. 礦山測(cè)量，2010(3)：44～46.

[3] 陳玲，潘伯鳴，曹黎云. 低空無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)在四川地形測(cè)繪中的應(yīng)用[J]. 城市勘測(cè)，2011(5)：75～77.

[4] 王有業(yè). 無(wú)人機(jī)技術(shù)在數(shù)字礦山中的應(yīng)用[J]. 山西焦煤科技，2012(12)：45～47.

[5] 梁朝鋼，李軍軍，喬戰(zhàn)偉. CORS系統(tǒng)與傳統(tǒng)GPS測(cè)量在礦業(yè)權(quán)實(shí)地核查中的應(yīng)用及對(duì)比分析[J]. 礦山測(cè)量，2010(6)：24～26.

[6] CH/Z 3005-2010. 低空數(shù)字航空攝影規(guī)范[S].

[7] CJJ/T8-2011. 城市測(cè)量規(guī)范[S].

Research on the Application of UAV Photogrammetry in Open-pit Mineral Monitoring

Xie Yi1，Yi Guixuan2，Liang Huanqing1，F(xiàn)an Kunfei1

(1.Nanning Land Resources Center of Surveying，Mapping and Geoinformation，Nanning 530021，China； 2.Wuhan Geomatics Institution，Wuhan 420000，China)

This paper focus on the application of UAV photogrammetry in open-pit mineral monitoring，taking Sanpaoshan Brick Shale Mine and Shuangxiu Quarry，both located in Nanning city，for instance. First，use traditional survey in the field and UAV photogrammetry，and then bring the results by the two methods into mining reserves calculation procedure. Finally，the calculated reserves of both mining area are compared. We come to the conclusion that UAV photogrammetry，which is more efficient and more comprehensive，could be utilized in monitoring the surface mines.

UAV；photogrammetry；mineral monitoring

1672-8262(2017)02-114-04

P237

B

2016—09—21

謝意(1987—)，男，碩士，工程師，主要從事攝影測(cè)量與遙感等技術(shù)工作。