礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用研究

蔡 旭

(貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局五總隊(duì)，貴州 安順 561000)

礦產(chǎn)資源在社會(huì)生產(chǎn)中起到舉足輕重的作用，其是促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的重要基石。新時(shí)期，社會(huì)生產(chǎn)中對(duì)于礦產(chǎn)資源的需求量不斷增加，有必要進(jìn)行礦山儲(chǔ)量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)管理。無(wú)人機(jī)攝影技術(shù)是一種全新化的工程測(cè)量手段，將其用于礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)變化情況的監(jiān)測(cè)實(shí)踐，能有效提升監(jiān)測(cè)效率和精度，保證礦產(chǎn)企業(yè)高質(zhì)量生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)。本文就無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用要點(diǎn)展開(kāi)分析。

1 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用價(jià)值

礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作專業(yè)性強(qiáng)、監(jiān)測(cè)難度較大，這是因?yàn)榇蟛糠值V山所在位置較為偏僻，同時(shí)礦區(qū)地形復(fù)雜，環(huán)境惡劣，這給監(jiān)測(cè)工作的開(kāi)展帶來(lái)較大難度。在以往礦區(qū)監(jiān)測(cè)中，礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)需要消耗大量的人力、物力和財(cái)力，而且整體耗時(shí)較長(zhǎng)，這也使得實(shí)際監(jiān)測(cè)難以達(dá)到預(yù)期效果。而在無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)體系下，工作人員可以依托無(wú)人機(jī)技術(shù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)的大范圍測(cè)量。從測(cè)量過(guò)程來(lái)看，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量屬于空中作業(yè)，其大大降低了復(fù)雜地形對(duì)測(cè)量工作的影響，監(jiān)測(cè)難度較小；同時(shí)無(wú)人機(jī)機(jī)載平臺(tái)會(huì)攜帶高分辨率的數(shù)碼相機(jī)，通過(guò)這些相機(jī)，能快速、準(zhǔn)確的獲取測(cè)區(qū)的圖像信息，并且基于相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，有效地減少了礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的人為誤差，保證了監(jiān)測(cè)精度；此外，依托無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)，礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)所需要的人力、物力相對(duì)較少，只要天氣狀況良好，測(cè)量人員僅需要采空無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量設(shè)備，即可實(shí)現(xiàn)礦區(qū)大范圍的快速測(cè)量，整個(gè)測(cè)量過(guò)程資源投入少，經(jīng)濟(jì)效益突出[1]。

2 技術(shù)可行性分析

2.1 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)精度分析

傳統(tǒng)測(cè)量體系下，礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)值為真值，在實(shí)際測(cè)量中，用傳統(tǒng)測(cè)量的結(jié)果減去無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量記過(guò)，可以得到一個(gè)偏差值；此時(shí)，采用偏差量除以傳統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果，可得到礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的相對(duì)誤差。在實(shí)際測(cè)量中，一旦測(cè)量的礦坑存在堆積，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式會(huì)采用規(guī)則椎體進(jìn)行計(jì)算，就無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)而言，其可以在測(cè)量中進(jìn)行逐像素計(jì)算，該測(cè)量模式下，其會(huì)將礦坑的表面進(jìn)行完整的擬合，繼而通過(guò)0.1 m的分辨率控制，形成DEM，這種測(cè)量方式有效地保證了礦坑測(cè)量的準(zhǔn)確性。可見(jiàn)從測(cè)量精度來(lái)看，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中具有一定可行性[2]。

2.2 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)效率計(jì)算

相比于傳統(tǒng)測(cè)量手段，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)的效率性突出。譬如，在某礦區(qū)監(jiān)測(cè)中，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段實(shí)施人工監(jiān)測(cè)，經(jīng)初步計(jì)算，完成工程測(cè)量需要42 h；為提升測(cè)量效率，該礦區(qū)采用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，工作人員先設(shè)置像素點(diǎn)，確保其點(diǎn)位不少于5個(gè)，隨后利用高分辨率相機(jī)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)測(cè)量獲得礦區(qū)的原始照片，總照片數(shù)目為200多張。在經(jīng)數(shù)據(jù)處理制成DOM和DEM后，測(cè)量總耗時(shí)為16 h。即無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中具有較高效率性，其能有效適應(yīng)礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)需要，促進(jìn)礦山企業(yè)有序生產(chǎn)。

3 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用要點(diǎn)

新時(shí)期，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用不斷深入，要進(jìn)一步提升無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用水平，保證礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)效率與質(zhì)量，還應(yīng)注重以下要點(diǎn)把控。

3.1 注重礦山整體測(cè)量環(huán)境

礦山環(huán)境是影響礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)效率與質(zhì)量的重要因素。就礦山儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)，其動(dòng)態(tài)變化特性較為突出。這是因?yàn)樵诘V區(qū)，礦產(chǎn)資源被開(kāi)采運(yùn)出后，整個(gè)區(qū)域土體結(jié)構(gòu)的完整性受到了較大影響，其中礦區(qū)內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化明顯。譬如，在部分礦山開(kāi)采中，曾發(fā)生開(kāi)采區(qū)陷落等問(wèn)題，這一問(wèn)題加大了礦產(chǎn)資源開(kāi)采的難度，同時(shí)在后續(xù)監(jiān)測(cè)中，監(jiān)測(cè)環(huán)境較為復(fù)雜，工作阻力加大。對(duì)此，利用航空攝影技術(shù)進(jìn)行礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)對(duì)測(cè)量區(qū)域的環(huán)境進(jìn)行檢查和分析，然后確定無(wú)人機(jī)起飛點(diǎn)，并進(jìn)行航向設(shè)計(jì)，這樣能為礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)創(chuàng)造有利條件，滿足整體監(jiān)測(cè)需要。

3.2 獲取礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在數(shù)據(jù)獲取方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。一方面，其不僅能獲得本地區(qū)的地形地貌資料，而且能掌握礦區(qū)開(kāi)采現(xiàn)狀，在經(jīng)相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)后，可構(gòu)建礦區(qū)的三維模型，這為后期工作開(kāi)展具有積極影響。在實(shí)際測(cè)量中，先應(yīng)進(jìn)行像控點(diǎn)的布設(shè)，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量像控點(diǎn)布設(shè)應(yīng)關(guān)注平高點(diǎn)和平面點(diǎn)的設(shè)置，在實(shí)際布點(diǎn)中，應(yīng)注重CORS或RTK技術(shù)的應(yīng)用，為后期數(shù)據(jù)捕獲、數(shù)據(jù)導(dǎo)入和云計(jì)算處理提供便利[3](見(jiàn)圖1)。

確定礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)像控點(diǎn)后，為保證整體測(cè)量質(zhì)量，首先應(yīng)注重航攝方案的有效規(guī)劃。就目前而言，DB-2型無(wú)人機(jī)在礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用較多，在其應(yīng)用中應(yīng)保證航帶內(nèi)具有80%的重疊，不同航帶之間應(yīng)存在60%的重疊；DB-2無(wú)人機(jī)整體作業(yè)狀態(tài)控制如表1所示[4]。其次，在實(shí)際測(cè)量中，如果控制地點(diǎn)的直徑為1 m，則應(yīng)以測(cè)量中心位置和四周為基礎(chǔ)，設(shè)置控制點(diǎn)位，控制點(diǎn)位應(yīng)保持在5個(gè)。同時(shí)注重光束法的有效應(yīng)用，在該技術(shù)支撐下，應(yīng)進(jìn)行礦山儲(chǔ)量的三角測(cè)量，完成測(cè)量后，應(yīng)結(jié)合空三加密結(jié)果，生成DEM和DOM，最后在內(nèi)業(yè)處理中，實(shí)現(xiàn)礦山定向點(diǎn)中高程值、平面坐標(biāo)的有效結(jié)算。

表1 DB-2型無(wú)人機(jī)型號(hào)規(guī)格

3.3 礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理

作為無(wú)人機(jī)低空航攝測(cè)量技術(shù)應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)，航攝數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處能有效提升無(wú)人機(jī)低空航攝測(cè)量數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值。在實(shí)際處理中，針對(duì)航攝儀的應(yīng)用，測(cè)繪人員先要捕獲該設(shè)備曝光攝影瞬間的三維坐標(biāo)；通常給坐標(biāo)通過(guò)GPS技術(shù)獲得；隨后參考無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)參數(shù)，并在計(jì)算機(jī)云計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行空三解算處理。完成數(shù)據(jù)空三解算后，還應(yīng)通過(guò)規(guī)范化的處理圖形色彩，在處理過(guò)程中，利用矢量化自動(dòng)成圖軟件，可在圖像有效銜接的基礎(chǔ)上，確保圖像的色彩具有較高的統(tǒng)一性，最后對(duì)這些圖形進(jìn)行成立，可獲得測(cè)區(qū)地形圖。值得注意的是，無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)對(duì)于部分?jǐn)z影圖形具有一定影響，該影響會(huì)降低成圖精度；對(duì)此，測(cè)繪人員還應(yīng)進(jìn)行畸變數(shù)據(jù)的糾正處理，通常，采用正射糾正法能糾正的圖像點(diǎn)位的位移偏差。所獲得圖形部分點(diǎn)位的位移差計(jì)算公式為：

其中，δh指的是像點(diǎn)位移差；而kn代表了像底點(diǎn)到達(dá)像點(diǎn)基線長(zhǎng)；就h而言，其研究的是地面點(diǎn)的情況，代表了該區(qū)域的起幅高層；H代表航攝儀器的飛行高度。正確計(jì)算該指標(biāo)，能指導(dǎo)航攝設(shè)備運(yùn)作，確保礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果處置的準(zhǔn)確性。

3.4 礦坑上、下底面監(jiān)測(cè)

礦坑上底面、礦坑下底面是礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的兩個(gè)重要環(huán)節(jié)。就上底面監(jiān)測(cè)而言，應(yīng)關(guān)注礦區(qū)的原始地貌，通常該地貌保持在自然狀態(tài)，對(duì)此，可將其看做是一個(gè)平面進(jìn)行監(jiān)測(cè)處理。在這一監(jiān)測(cè)模式下，通過(guò)計(jì)算礦坑邊緣測(cè)量高程點(diǎn)的均值，即可實(shí)現(xiàn)礦坑上面的表示。而就礦坑下底面而言，在生成DEM的基礎(chǔ)上，還應(yīng)通過(guò)專業(yè)計(jì)算設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行儲(chǔ)量計(jì)算，這樣通過(guò)上底面減去下底面，即可獲得相應(yīng)差值的有效計(jì)算。此外還應(yīng)針對(duì)礦山的地質(zhì)進(jìn)行測(cè)量，在實(shí)際測(cè)量中，資源儲(chǔ)備評(píng)估方法、資源儲(chǔ)量估算參數(shù)確定是兩個(gè)極為重要的環(huán)節(jié)。就資源儲(chǔ)備量評(píng)估而言，工作人員不僅需考慮采坑面積，而且需考慮采深等因素，這樣可實(shí)現(xiàn)資源儲(chǔ)量的有效分析。而在資源儲(chǔ)量估算中，應(yīng)結(jié)合具體面積，按照1∶1 000的資源儲(chǔ)量對(duì)圖中獲得的內(nèi)容進(jìn)行評(píng)估。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用能有效提升礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)效率及質(zhì)量。在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，礦山工作人員只有充分認(rèn)識(shí)到無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用的必要性，然后結(jié)合其工作原理，做好礦山整體測(cè)量環(huán)境、礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取、礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理和礦坑上、下底面監(jiān)測(cè)的右下處理，才能有效地提升無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用水平，繼而在保證礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，促進(jìn)采礦行業(yè)的有序發(fā)展。