基于無人機(jī)智能航拍的礦山地質(zhì)精確測量探究

溫宗超

（廣西中馬園區(qū)數(shù)字城市科技有限公司，廣西壯族自治區(qū) 欽州 535008）

礦產(chǎn)資源在社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展中起到重要作用。但是，高強(qiáng)度、長時間的礦山開采造成了嚴(yán)重的地質(zhì)環(huán)境問題[1]。在各地質(zhì)種災(zāi)害中，因采礦導(dǎo)致的地面塌陷數(shù)量最多，其次是地裂縫；因采礦導(dǎo)致的地面塌陷面積在幾十萬平方米以上。對此，準(zhǔn)確地測量出礦山地質(zhì)特征，建立地形數(shù)據(jù)庫，能夠?yàn)楹罄m(xù)的礦山開采或地理信息/土地信息利用奠定良好的基礎(chǔ)[2]。研究國內(nèi)外相關(guān)研究成果和文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)礦山測量中多數(shù)使用基于GIS（地理信息系統(tǒng)）的測量方法，該測量方法過于依賴內(nèi)部的數(shù)據(jù)庫，在實(shí)際定位過程中，受到歷史數(shù)據(jù)的影響，使定位結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差，從而造成礦山地質(zhì)測量不精確。

1 基于無人機(jī)智能航拍的礦山地質(zhì)精確測量方法

1.1 檢驗(yàn)正射影像圖比例尺

以測繪礦山地形為目的，使用專業(yè)的航空攝影機(jī)，利用無人機(jī)從空中垂直拍攝地面，獲得影像資料。飛行拍攝時，必須按照實(shí)際的要求飛行和拍攝才能獲得可用于攝影測量的航拍像片。

通過無人機(jī)智能航拍獲得的影像中存在像片傾斜和地面起伏引起的像點(diǎn)位移，由于航高引起的像片間比例尺和成圖比例尺不一致的問題。航拍影像如圖1所示。此時，運(yùn)用數(shù)字?jǐn)z影測量工作站生成該相對范圍內(nèi)的數(shù)字高程模型，校正影像的傾斜誤差和投影誤差，生成各單模型的數(shù)字正射影像圖，將多個單模型的影像圖拼接在一起，經(jīng)過圖像勻光處理后，依據(jù)測量的實(shí)際需求，裁剪出一定范圍的影像就是正射影像圖。

圖1 航拍影像示意圖

圖中顯示的a'～e'點(diǎn)表示地表位置，A～E點(diǎn)表示地表上地物的位置，a～e點(diǎn)表示拍攝的入射位置，從中可以看出拍攝的位置與地表并不平行，因此通過校正處理，得到正射影像圖。

獲得的航片經(jīng)過后期處理后，在圖像上進(jìn)行簡單的比例尺檢驗(yàn)。利用已經(jīng)正式出版的地形圖檢驗(yàn)正射影像圖比例尺，已知地形圖比例尺的比例為1:x，影像圖比例尺為1:y，選取地形圖上典型地物點(diǎn)p1和p2，量取圖上距離為dx，影像圖上相同地物之間圖上距離為dy，在實(shí)際地形中地物之間的實(shí)際距離是一定的，此時可得到等式：

從等式中可知影像圖比例尺與地物點(diǎn)的關(guān)系，以等式為依據(jù)，依次選取若干個典型地物點(diǎn)，利用推導(dǎo)公式算出一系列的y值，將其作為縱軸，橫軸為次數(shù)，獲得分布曲線，若y值形成的點(diǎn)圍繞著一條固定數(shù)值線均勻分布，則這條數(shù)值線就是影像圖比例尺的分母，可從圖像上得到y(tǒng)值。若計(jì)算出的y值與影像圖的比例尺分母相符，說明檢驗(yàn)成功。

1.2 解譯正射影像

從無人機(jī)航拍影像中獲取地質(zhì)信息需要通過解譯的方式，在航拍正射影像上，拍攝的不同地物地質(zhì)具有不同的內(nèi)外特征，這些特征是識別地質(zhì)地物的主要依據(jù)，在解譯過程中，需要將目標(biāo)特征作為解譯標(biāo)志，以此來實(shí)現(xiàn)航拍影像解譯。將通過航拍影像直接觀測到的特征作為直接解譯標(biāo)志，如形狀、顏色、陰影和大小等，這些特征都是能夠直接反映地質(zhì)的真實(shí)特征。在礦山地質(zhì)測量方法中正射影像解譯標(biāo)志說明如下表所示。

表1 礦山地貌解譯標(biāo)志說明

基于表中的解譯標(biāo)志，利用人工解譯和計(jì)算機(jī)解譯方式解譯航拍圖像，人工解譯主要利用人眼直接觀測影像或利用一些輔助設(shè)備，通過人的專業(yè)知識以及對地物的理解，達(dá)到解譯圖像的目的；計(jì)算機(jī)解譯主要利用模式識別技術(shù)與人工智能技術(shù)融合的方式，加上專家知識庫中的地質(zhì)地物解釋、成像規(guī)律的分析，理解圖像達(dá)到解譯的目的。

1.3 測量地質(zhì)信息

考慮礦山地質(zhì)精確測量的實(shí)際需求，從航拍影像解譯過程中測量出地質(zhì)信息。礦山的開采剝離了表層土壤和植被，是地表從植被過度到裸露的礦石造成的礦山環(huán)境的污染。研究航拍影像，可發(fā)現(xiàn)礦山中植被被破壞的區(qū)域清楚地呈現(xiàn)在影像上。因此，采用監(jiān)督分類方法提取植被破壞的區(qū)域，選擇具有代表性的訓(xùn)練區(qū)，從中獲得樣本選擇特征參數(shù)，建立判別函數(shù)，利用該函數(shù)對位置像元分類，通過分類最小距離測量出礦山中植被被破壞區(qū)域的面積。

礦山開采會引起滑坡現(xiàn)象，具有一定的空間特征，如滑坡體和拉張裂縫等。對于地面崩塌，主要以塌陷坑、塌陷盆地或滑坡坍塌的形式存在，受到空洞效應(yīng)或陰影效應(yīng)的影響，光線被吸收，在影像上呈現(xiàn)圓形或橢圓形的黑色陷坑，一般情況下，沒有與其連接的道路。計(jì)算其面積的前提是提取地面崩塌的邊界，通過圖像融合技術(shù)使航拍影像具有高的空間分辨率和多光譜特征，利用方向?yàn)V波一階導(dǎo)數(shù)的運(yùn)算增強(qiáng)邊緣，使影像像元值均一的區(qū)域在輸出圖像中為0，對于像元值非均一的區(qū)域在輸出圖像中表現(xiàn)為亮色的邊緣，為準(zhǔn)確提取地面崩塌邊界提供了支撐。

2 礦山地質(zhì)精確測量方法實(shí)驗(yàn)研究

在礦山地質(zhì)精確測量方法的實(shí)驗(yàn)研究中，考慮以往測量方法中存在的問題，設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)，以測量的坐標(biāo)點(diǎn)平均誤差作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，驗(yàn)證傳統(tǒng)的礦山地質(zhì)測量方法與提出的礦山地質(zhì)精確測量方法的實(shí)際水平。

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

選擇某礦山的露天采場作為實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，測點(diǎn)工作直接在巖體上進(jìn)行，獲得原位測量數(shù)據(jù)。測量的原始坐標(biāo)數(shù)據(jù)如下所示。

表2 測量點(diǎn)坐標(biāo)系實(shí)際測量值

基于以上數(shù)據(jù)，使用不同的礦山地質(zhì)測量方法獲得測量點(diǎn)的坐標(biāo)位置，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比分析。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

使用不同的礦山地質(zhì)測量方法獲得的測量結(jié)果及誤差結(jié)果如下表所示。

表3 傳統(tǒng)的測量方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 提出的測量方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表中平均誤差是坐標(biāo)系測量值與實(shí)際值計(jì)算得到的結(jié)果。對比觀察表中結(jié)果，對于相同的5個實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，表3中結(jié)果顯示，測量出的坐標(biāo)系在x方向、y方向和z方向的平均誤差分別為3.207、1.923和2.024；表4中的結(jié)果顯示，測量出的坐標(biāo)系在x方向、y方向和z方向的平均誤差分別為0.049、0.014和0.036。對比各個方向上的平均誤差可知，提出的基于無人機(jī)智能航拍的礦山地質(zhì)精確測量方法在坐標(biāo)測量中平均誤差低，說明該測量方法對礦山地質(zhì)的定位十分準(zhǔn)確，地質(zhì)測量更為精準(zhǔn)。

3 結(jié)束語

本研究以無人機(jī)智能航拍手段作為獲取礦山地質(zhì)影像資料，以此為基礎(chǔ)，開展了航拍影像的處理，正射影像比例尺的檢驗(yàn)以及影像解譯、地質(zhì)測量等工作，設(shè)計(jì)的基于無人機(jī)智能航拍的礦山地質(zhì)精確測量方法。在研究過程中，通過設(shè)計(jì)的對比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的礦山地質(zhì)測量方法測量誤差更小，說明該測量方法非常適合作為礦山地質(zhì)分析與研究的數(shù)據(jù)源。