露天礦山監(jiān)管中的無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用研究

杜甘霖，葉 茂，劉玉珠，何淮林，劉亞克

(浙江省測(cè)繪大隊(duì)，浙江 杭州 310030)

隨著礦業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用，礦產(chǎn)資源日常執(zhí)法監(jiān)察的任務(wù)日益繁重，礦山資源監(jiān)管部門會(huì)定期對(duì)各礦區(qū)進(jìn)行檢查，包括邊坡角是否超限、可綠化覆蓋率是否滿足要求，是否存在越界開采礦產(chǎn)資源、采用破壞性方式開采礦產(chǎn)資源等違法違規(guī)情形。各類礦產(chǎn)資源違法行為不斷顯現(xiàn)，呈現(xiàn)出多樣性、復(fù)雜性，因此礦產(chǎn)資源執(zhí)法監(jiān)察工作對(duì)人員專業(yè)技術(shù)和業(yè)務(wù)知識(shí)的要求越來(lái)越高，單一的行政執(zhí)法方式已不能滿足實(shí)際執(zhí)法監(jiān)察工作的需要。

傳統(tǒng)的巡查監(jiān)管手段受客觀因素影響較大，巡查力量分散。由于監(jiān)管區(qū)存在占地面積大、地形復(fù)雜多變等特點(diǎn)，使得傳統(tǒng)監(jiān)管手段勞動(dòng)強(qiáng)度大、監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)、精度不能保證。特別在露天礦邊坡容易出現(xiàn)的滑坡裂隙地段，工作人員進(jìn)入測(cè)區(qū)測(cè)量存在很大的安全隱患，所以在保證監(jiān)測(cè)精度和效率的前提下，礦產(chǎn)資源監(jiān)管需要一種較輕外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度、高精度高效的動(dòng)態(tài)監(jiān)管技術(shù)手段作為工作補(bǔ)充。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)以其快速、高效、高精度等優(yōu)勢(shì)，可為礦產(chǎn)開發(fā)監(jiān)管提供有力技術(shù)支撐。

1 測(cè)繪技術(shù)方法概況

近年來(lái)，測(cè)繪信息技術(shù)發(fā)展迅速，計(jì)算機(jī)技術(shù)、GNSS技術(shù)、地理信息技術(shù)、遙感技術(shù)等都為露天礦山監(jiān)管提供了有力的技術(shù)支撐。目前，露天礦山監(jiān)測(cè)以人工外業(yè)巡查和常規(guī)測(cè)繪為主要技術(shù)手段，主要包括：露天礦控制測(cè)量、碎部點(diǎn)測(cè)量、采場(chǎng)驗(yàn)收測(cè)量等。對(duì)于露天礦山，要對(duì)采場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行高程點(diǎn)采集，對(duì)于高程變化較大的地區(qū)適當(dāng)加密。利用測(cè)繪高程數(shù)據(jù)可對(duì)露天礦進(jìn)行邊坡角監(jiān)測(cè)、開采量計(jì)算，定期監(jiān)測(cè)礦山采場(chǎng)穩(wěn)定性和礦產(chǎn)儲(chǔ)量變化[1]。常規(guī)測(cè)量需要人員進(jìn)入礦區(qū)實(shí)施作業(yè)，測(cè)量精度較高，但是外業(yè)工作量大且存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)。

無(wú)人機(jī)低空遙感采集數(shù)據(jù)覆蓋面大，外業(yè)采集自動(dòng)化程度高、效率高[2]。無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)主要是遙感數(shù)據(jù)，具有較高空間分辨率，同時(shí)時(shí)效性較強(qiáng)、測(cè)繪周期短。無(wú)人機(jī)測(cè)繪包括一般大比例尺航測(cè)、傾斜攝影三維建模等，其中傾斜攝影技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的低空攝影測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)可對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景進(jìn)行大范圍、高重疊度、高精度、高分辨率航攝，通過專業(yè)航測(cè)軟件進(jìn)行局域網(wǎng)聯(lián)合平差、多視影像匹配等步驟處理，生成實(shí)景三維模型等成果數(shù)據(jù)，可直觀反映地物的外形、位置、高度等屬性信息，為高精度測(cè)繪提供保證，可視化效果極佳。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)繪成果包括：數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字線化圖(DLG)、數(shù)字正射影像(DOM)、實(shí)景三維模型等，生成流程如圖1所示。利用上述成果可高精度描述露天礦山的幾何特征，全方位展示礦產(chǎn)資源利用現(xiàn)狀，結(jié)合露天礦山礦產(chǎn)資源監(jiān)管的需求，可進(jìn)行數(shù)據(jù)深入分析研究。

2 監(jiān)管應(yīng)用研究

本研究從越界開采監(jiān)測(cè)、開采量監(jiān)測(cè)、邊坡角監(jiān)測(cè)和日常監(jiān)管四方面需求入手。監(jiān)管方法流程如圖2所示，設(shè)計(jì)通過使用無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)對(duì)露天礦山進(jìn)行周期性無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)繪和常規(guī)測(cè)繪，通過監(jiān)測(cè)成果計(jì)算礦區(qū)采礦量變化，并判斷是否存在違規(guī)開采情況，再對(duì)照實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)精度對(duì)比，檢驗(yàn)無(wú)人機(jī)測(cè)繪監(jiān)測(cè)方法的可行性。

在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理方面，項(xiàng)目以露天礦區(qū)為監(jiān)測(cè)目標(biāo)，建立三維全景虛擬野外地質(zhì)信息系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三維虛擬野外環(huán)境的漫游、量測(cè)等功能，提升地質(zhì)信息的可視性和交互性[3]。

2.1 開采范圍監(jiān)測(cè)

根據(jù)礦區(qū)范圍線適當(dāng)外擴(kuò)進(jìn)行傾斜攝影航攝設(shè)計(jì)，在采礦區(qū)以外固定點(diǎn)布設(shè)像控點(diǎn)，根據(jù)監(jiān)測(cè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行航攝作業(yè)，經(jīng)過航內(nèi)步驟后，生產(chǎn)出高分辨率DOM。將采礦審批范圍坐標(biāo)展點(diǎn)并套合礦區(qū)DOM數(shù)據(jù)，通過人工解譯，可初步判斷礦區(qū)實(shí)際開采范圍是否存在越界，如圖3所示。通過DOM可直觀判斷出露天礦山越界開采情況，為外業(yè)巡查監(jiān)督提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，提高工作效率。

圖1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)繪技術(shù)路線Fig.1 UAV tilt mapping technical route

圖2 監(jiān)管方法流程圖Fig.2 Flow chart of supervision methods

圖3 紅線套合監(jiān)測(cè)示意圖Fig.3 Overstep the boundary supervision

2.2 開采量監(jiān)測(cè)

開采量監(jiān)測(cè)是礦產(chǎn)資源監(jiān)測(cè)重要工作之一。項(xiàng)目設(shè)計(jì)用傾斜攝影三維建模方法建立礦區(qū)實(shí)景三維模型。露天礦開采區(qū)裸露基本無(wú)植被覆蓋，可方便得到礦區(qū)DEM數(shù)據(jù)，用于礦山體積量測(cè)(圖4)。為了驗(yàn)證無(wú)人機(jī)航測(cè)法生產(chǎn)DEM的準(zhǔn)確度，無(wú)人機(jī)航攝作業(yè)過程中，同時(shí)采用常規(guī)測(cè)繪方法對(duì)礦區(qū)進(jìn)行測(cè)繪，得到DEM數(shù)據(jù)，并確保兩種作業(yè)方法在同一采礦間歇期內(nèi)完成。

將兩種方法各2次的監(jiān)測(cè)成果計(jì)算出的開采量與礦區(qū)實(shí)際開采量進(jìn)行比較分析，判定無(wú)人機(jī)航測(cè)成果的精度相對(duì)于礦山礦產(chǎn)資源開發(fā)儲(chǔ)量監(jiān)精度要求度是否可用，設(shè)定最大誤差不超過3%。

圖4 利用DEM計(jì)算開采量變化示意圖Fig.4 Using DEM to calculate the distribution of reserves

無(wú)人機(jī)傾斜攝影航測(cè)法以非接觸式測(cè)繪對(duì)礦區(qū)開采量進(jìn)行測(cè)算，降低了測(cè)繪人員礦區(qū)作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)，測(cè)繪成果可精細(xì)、全面描述礦區(qū)地理信息，不會(huì)產(chǎn)生遺漏，高程精度較高，相比常規(guī)測(cè)繪方法有較大優(yōu)勢(shì)。

2.3 邊坡角監(jiān)測(cè)

露天礦區(qū)每天受到爆破、車輛運(yùn)輸?shù)纫蛩赜绊慬5]。邊坡受爆破振動(dòng)影響大，受運(yùn)輸設(shè)備自身載荷及沖擊載荷較大，所以露天礦邊坡容易出現(xiàn)滑坡裂隙情況[6]。本研究設(shè)計(jì)利用無(wú)人機(jī)航測(cè)制作的DEM，使用ArcGIS軟件的坡度分析工具，自動(dòng)計(jì)算出礦區(qū)DEM的坡度值，設(shè)置邊坡角安全閾值，監(jiān)測(cè)并定位出邊坡角超限區(qū)域，為邊坡角安全治理提供依據(jù)。

2.4 日常開采監(jiān)管

露天礦山的日常巡查可借助無(wú)人機(jī)航拍實(shí)現(xiàn)，拍攝礦區(qū)隱患點(diǎn)視頻或照片，進(jìn)行監(jiān)測(cè)判別[7]。同時(shí)開發(fā)露天礦山礦產(chǎn)資源監(jiān)管系統(tǒng)，將各周期測(cè)繪成果和監(jiān)測(cè)成果多源數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)，用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)管理手段，以數(shù)據(jù)為核心，通過對(duì)歷史數(shù)據(jù)及各周期采集的信息資源的管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié)過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制與監(jiān)督，并提供輔助決策(圖5)。

在高分辨率數(shù)字正射影像和傾斜三維模型的成果上，管理者能夠清楚直觀地觀察露天礦的開采情況，以便制定相應(yīng)的管理措施，包括開采生產(chǎn)調(diào)度、礦山排水疏干、礦山環(huán)境保護(hù)、礦山土地復(fù)用等。根據(jù)航測(cè)成果可獲取的露天礦山開采境界，而開采境界的范圍將直接決定著露天礦的可開采量、剝離巖石量、露天礦生產(chǎn)能力和開采年限等[8]。這使管理者能夠做到事后可以進(jìn)行詳盡分析、事中可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、事前可以進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，提高管理水平[4]。

3 案例應(yīng)用

根據(jù)相關(guān)法律法規(guī)的要求，各級(jí)自然資源部門要按照職能開展礦山開采量動(dòng)態(tài)監(jiān)督管理工作。礦山采礦量地質(zhì)測(cè)量實(shí)行動(dòng)態(tài)管理，每季度不少于一次。對(duì)地質(zhì)條件復(fù)雜、資源儲(chǔ)量有較大變化、采礦許可證即將到期，以及開采工作面臨近礦區(qū)邊界的礦山，應(yīng)當(dāng)增加檢測(cè)頻次。

本次選取浙江省西南部某石灰石露天礦進(jìn)行監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行應(yīng)用研究，共測(cè)繪監(jiān)測(cè)三次，統(tǒng)計(jì)出相鄰2個(gè)周期內(nèi)采礦量變化。研究區(qū)域地形為丘陵，最大海拔落差約220 m。該礦區(qū)儲(chǔ)量較大、開發(fā)較早，年產(chǎn)量平穩(wěn)。本研究使用無(wú)人機(jī)測(cè)繪方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)周期性采集與常規(guī)測(cè)繪結(jié)合的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的生產(chǎn)，使用Smart3D軟件進(jìn)行航測(cè)內(nèi)業(yè)處理，使用ArcGIS軟件進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理分析。對(duì)于多源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理，設(shè)計(jì)使用Skyline軟件進(jìn)行二次開發(fā)，搭建數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，用于礦產(chǎn)資源監(jiān)管。監(jiān)測(cè)成果對(duì)比見表1。

圖5 系統(tǒng)框架示意圖Fig.5 Diagram of the system framework

表1 監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 1 StatisticalTables of monitoring results

周期統(tǒng)計(jì)方法無(wú)人機(jī)測(cè)繪常規(guī)測(cè)繪實(shí)際開采輸出量第一次監(jiān)測(cè)工作量2人2天3人10天-第二次監(jiān)測(cè)工作量2人2天3人10天-第三次監(jiān)測(cè)工作量2人2天3人10天-第一周期變化量38.823萬(wàn)t37.231萬(wàn)t39.801萬(wàn)t第二周期變化量35.441萬(wàn)t35.132萬(wàn)t36.305萬(wàn)t

通過兩種監(jiān)測(cè)成果統(tǒng)計(jì)對(duì)比，無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)成果誤差低于3%(礦石密度按2.7 g/cm3)計(jì)算。無(wú)人機(jī)測(cè)繪精度更高，且效率高于常規(guī)人工測(cè)繪。

4 結(jié) 語(yǔ)

現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)無(wú)論在空間信息的采集、存儲(chǔ)、空間分析上，還是在測(cè)繪成果圖件上，都以自動(dòng)化、智能化、多樣化、實(shí)時(shí)化為主，不僅提供有效的露天礦山監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并且更加準(zhǔn)確地為分析露天礦山開發(fā)狀況提供了技術(shù)保障。本文提出使用無(wú)人機(jī)航測(cè)法結(jié)合地理信息技術(shù)對(duì)露天礦山進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)管的方法，并結(jié)合常規(guī)測(cè)繪對(duì)監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行精度比對(duì)，最后以實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，本研究方法切實(shí)可行，不僅大大減小了外業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，縮短了監(jiān)測(cè)周期，而且獲取的成果滿足露天礦山監(jiān)測(cè)在精度方面的要求，為露天礦山的監(jiān)管提供了一種快速有效的途徑。測(cè)繪技術(shù)將與地質(zhì)學(xué)聯(lián)系更為緊密，共同發(fā)展、共同進(jìn)步，將在礦產(chǎn)資源監(jiān)管的過程中發(fā)揮更大作用。