數(shù)字?jǐn)z影測量結(jié)合GPS進(jìn)行礦山塌陷坑監(jiān)測

莊景遺

核工業(yè)二八0研究所 四川廣漢 618300

地表沉陷的傳統(tǒng)監(jiān)測方法不夠完善，監(jiān)測勞動(dòng)強(qiáng)度大、無法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測等，同時(shí)由于塌陷坑危險(xiǎn)度高，無法直接對其進(jìn)行測量。因此，為了能夠及時(shí)測量地表沉陷地質(zhì)狀況，我們提出了數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)和GPS技術(shù)的結(jié)合，對地面塌陷部位進(jìn)行實(shí)時(shí)定位測量，這種測量方法對深度大、范圍廣的礦山塌陷坑的監(jiān)測其中重要的作用，有利于預(yù)防塌陷坑的持續(xù)擴(kuò)大，降低其對周邊居民的影響，同時(shí)也能夠提高監(jiān)測效率，為預(yù)防工作提供了一定的保障。

1 數(shù)字?jǐn)z影測量與GPS技術(shù)概述

1.1 數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)概述

數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)使利用攝影技術(shù)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測，本文所使用的數(shù)字測量技術(shù)主要為近景攝影測量技術(shù)，其是通過數(shù)碼相機(jī)對礦山塌陷坑進(jìn)行攝影拍照[1]。之后由數(shù)字?jǐn)z影測量將圖片加工成為數(shù)字?jǐn)z影，形成數(shù)字化圖像，最后通過傳感器將獲取到的數(shù)字圖像傳入到計(jì)算機(jī)中，形成數(shù)字地面模型以及正攝影圖像。該模型圖像包含了相對定向、方位參數(shù)解算、自動(dòng)繪制等內(nèi)容。

1.2GPS-RTK技術(shù)概述

GPS是通過衛(wèi)星實(shí)時(shí)定位來建立監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，RTK作為GPS技術(shù)的新發(fā)展，其能夠完成實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的監(jiān)測。GPS-RTK技術(shù)同時(shí)具備兩種技術(shù)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)短時(shí)間內(nèi)的精準(zhǔn)測量，在測量的時(shí)候，其通過基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的聯(lián)通架設(shè)接受位置信息，同一時(shí)間內(nèi)的不同站的接收機(jī)能夠在接收到同一GPS所發(fā)射的信息，進(jìn)而進(jìn)行信息的處理工作[2]?；鶞?zhǔn)站則會對信息計(jì)算，得到其差分更改數(shù)值，之后通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)值傳輸?shù)搅鲃?dòng)站中，而流動(dòng)站在信息處理上也是同樣的步驟，如圖1所示，彼此不斷的是數(shù)據(jù)差分縮小，精確測量數(shù)據(jù)，明確位置，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定位。

圖1 GPS-RTK技術(shù)工作原理

2 數(shù)字?jǐn)z影測量與GPS技術(shù)結(jié)合的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用案例

四川西南部某礦業(yè)企業(yè)在我國東南部某礦山實(shí)行了持續(xù)多年的礦山開采作業(yè)，多年的開采使得該礦區(qū)的礦山出現(xiàn)了大面積的塌陷現(xiàn)象，地表形成了兩處影響較大的塌陷坑，兩處塌陷坑均呈現(xiàn)漏斗形狀，深度都超過了100米，對周邊的居民生產(chǎn)生活造成了嚴(yán)重的影響，若是繼續(xù)進(jìn)行開采會導(dǎo)致塌陷坑不斷擴(kuò)大。對此，為了降低塌陷坑的安全隱患，企業(yè)采用了新型的數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)對礦山塌陷坑進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，以便進(jìn)行控制和預(yù)防工作。

2.2 技術(shù)應(yīng)用

數(shù)字近景測量技術(shù)在對礦區(qū)塌陷坑進(jìn)行監(jiān)測的時(shí)候，首先需要進(jìn)行定位工作，利用GPS定位相機(jī)位置，選好控制點(diǎn)，同時(shí)數(shù)字相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定工作，進(jìn)而架設(shè)好塌陷部位的數(shù)字立體網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而由圖像匹配方案做好同名點(diǎn)的匹配，其次使用線性變換算法和所匹配的同名點(diǎn)計(jì)算出區(qū)域離散點(diǎn)坐標(biāo)，之后建立區(qū)域數(shù)字模型，最后利用地形數(shù)字等高線進(jìn)行分析對比，進(jìn)而計(jì)算出塌陷區(qū)的深度、體積、范圍等參數(shù)數(shù)據(jù)[3]。

2.2.1 控制點(diǎn)選取和相機(jī)標(biāo)定

控制點(diǎn)的選取要遵循易于設(shè)備安裝和信息接收、視野開闊位置，目標(biāo)周邊不要有障礙物，遠(yuǎn)離電力設(shè)施，周邊不可有大范圍水體。根據(jù)已有的礦山控制點(diǎn)，通過GPS測量技術(shù)確定測量的三維立體坐標(biāo)為，如圖2所示。在實(shí)際作業(yè)中，主要是在其中兩個(gè)原有控制點(diǎn)和后確定的控制點(diǎn)上分別設(shè)置接受設(shè)備，同步通過10-11顆觀測衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)測，每次觀測時(shí)間為45分鐘。

圖2 GPS測量點(diǎn)布局

在進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定的時(shí)候，利用二維DLT的表述坐標(biāo)

其中L為變換參數(shù)，XY為網(wǎng)格坐標(biāo)點(diǎn)，Z為坐標(biāo)原點(diǎn)，xy為對應(yīng)的像坐標(biāo)，如圖3所示。在網(wǎng)格中，X、Y周是在網(wǎng)格內(nèi)部的，其矩陣方程表達(dá)形式為

2.2.2 影像匹配

本文使用水平像片的核線影像進(jìn)行影像匹配。匹配的時(shí)候首先在低頻子圖像中選取特征進(jìn)行匹配，之后通過核線影像制作來縮小搜索范圍，同時(shí)通過分層匹配縮小左右視差，實(shí)現(xiàn)左右范圍的控制，提高匹配率。但是受到噪聲、陰影等因素的影響使得其與相關(guān)數(shù)的最大值對應(yīng)點(diǎn)有可能不是實(shí)際的對應(yīng)像點(diǎn)，彼此之間存在差距，導(dǎo)致匹配出現(xiàn)誤差，為了降低匹配誤差。本文通過雙向匹配方法確定匹配點(diǎn)，也就是在成功匹配只有再進(jìn)行反向的匹配，確定匹配結(jié)果無誤差，若是存在不能夠成功匹配的點(diǎn)就要在右片上重新選點(diǎn)，以此做基準(zhǔn)點(diǎn)，之后再左片上選擇同名的點(diǎn)后進(jìn)行匹配，成功匹配后在進(jìn)行反向匹配，若是還不成功則此點(diǎn)就被稱為可疑點(diǎn)[5]?；诖?，該區(qū)域測量的影像分為左右兩片區(qū)，左片子影響塊為510個(gè)，右片為105個(gè)，得到核線影像匹配點(diǎn)正確的有1300個(gè)，雙向匹配率的成功率達(dá)到了77．8%。

2.2.3 圖像采集

要了解礦山塌陷坑的立體狀態(tài)，需要獲取其數(shù)字高程模型，對其地形地面進(jìn)行數(shù)字化模擬，為了建立該模型，需要對坑內(nèi)及其周邊的離散點(diǎn)進(jìn)行采集，建立三維立體坐標(biāo)，這就需要進(jìn)行地形地面模型數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)信息的獲取，被測量的坐標(biāo)點(diǎn)就是參考點(diǎn)[6]。在本次測量中，首先在塌陷坑周邊選擇了7個(gè)控點(diǎn)，其是利用全站儀和三維坐標(biāo)共同得到的，之后對塌陷坑的整體形態(tài)進(jìn)行了拍攝，得到了它的整體數(shù)字圖形。

2.2.4 觀測站的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

離散點(diǎn)的采集需要觀測站作為輔助，在使用GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行觀測站設(shè)計(jì)的時(shí)候需要保證觀測線位于地形主斷面，選擇站區(qū)時(shí)考慮礦區(qū)的其他開采作業(yè)不能夠受到干擾，觀測線長度也要大于地表礦坑的移動(dòng)范圍，測點(diǎn)密度上要根據(jù)礦坑深度設(shè)定，保證觀測站控制點(diǎn)在礦坑移動(dòng)范圍外，且要深埋進(jìn)土，保證控制點(diǎn)的穩(wěn)定?；诖?，本文利用GPS-RTK電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行了礦坑地形的勘察，進(jìn)而設(shè)置里觀測站，觀測線的控制點(diǎn)有3個(gè)，每個(gè)距離為100米，塌陷坑周邊的觀測點(diǎn)每個(gè)間距在20米，共設(shè)置34個(gè)觀測點(diǎn)。同時(shí)為了更清晰的得到塌陷坑的實(shí)際狀況，在公路一邊也設(shè)置了觀測點(diǎn)，大約為21個(gè)，間距為20米。

2.2.5 離散點(diǎn)坐標(biāo)的獲取

本文通過RTK動(dòng)態(tài)測量技術(shù)對離散點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行了測量，其是在 1FJ 控制點(diǎn)上建立了觀測站中的基準(zhǔn)站點(diǎn)，進(jìn)而在礦山的塌陷坑周邊位置實(shí)行了RTK動(dòng)態(tài)測量，測量選擇的離散點(diǎn)總共有140個(gè)，通過實(shí)際的測量工作得到，在進(jìn)行動(dòng)態(tài)定位測量過程的時(shí)候，GPS-RTK測量技術(shù)觀測站中的流動(dòng)站在經(jīng)過兩分鐘的觀測后，進(jìn)行了實(shí)時(shí)的定位工作，每次觀測站所觀測的數(shù)據(jù)只需要幾秒鐘就可以獲得，這樣使得測量活動(dòng)更加的高效，同時(shí)也能夠彌補(bǔ)數(shù)碼相機(jī)在坡度和平緩地帶測量不準(zhǔn)的現(xiàn)象，使得對礦區(qū)塌陷坑的三維立體狀態(tài)測量和描述能夠更加的精準(zhǔn)。

3 結(jié)語

綜上所述，通過數(shù)字?jǐn)z影測量方法防止了傳統(tǒng)測量中出現(xiàn)的問題，提高了測量效率。首先，數(shù)字近景攝影測量技術(shù)作為非接觸形式的測量技術(shù)，在塌陷區(qū)域、變形地形等區(qū)域的測量上十分適合，對三維可視化和精度測量很方便，以滿足礦山塌陷區(qū)的精確測量要求。其次，狂三塌陷區(qū)的三維測量結(jié)果與實(shí)際情況相符，且能夠同時(shí)得到不同時(shí)間點(diǎn)的影像信息，為全面研究的動(dòng)態(tài)變形測量提供了相應(yīng)的數(shù)據(jù)。同時(shí)，通過GPS、RTK技術(shù)處理三維坐標(biāo)，所生成的數(shù)字模型對塌陷坑的監(jiān)測、計(jì)算、預(yù)防等都有著積極作用。最后，受到影像遮蔽問題的營銷，塌陷區(qū)的影視紋理、色調(diào)貧乏單一，本文進(jìn)行的影像匹配算法盡管使匹配成功了，但是沒有解決影像遮蔽現(xiàn)象，對此，我們需要進(jìn)一步改進(jìn)匹配算法，提高匹配的準(zhǔn)確性。