無人機(jī)傾斜攝影測量在礦山監(jiān)測中的應(yīng)用
——以龍山建筑石料用灰?guī)r礦為例

朱正華 （安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，安徽 合肥 230001）

1 背景分析

改革開放以來，我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展迅速，因各種基礎(chǔ)建設(shè)等需要，礦產(chǎn)資源的需求量日益加大，致使各種礦產(chǎn)品的價(jià)格不斷上漲，受到利益驅(qū)使，有些礦產(chǎn)企業(yè)的開采活動(dòng)失去監(jiān)管，特別是露天礦山，超層越界現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，同時(shí)，礦山周邊村民也時(shí)常出現(xiàn)偷采現(xiàn)象，因此引發(fā)了大量礦產(chǎn)資源的糾紛，在破壞有序開發(fā)礦產(chǎn)資源秩序的同時(shí)，也造成了很大的安全隱患。為了更有效地對露天礦山進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，也便于長期持續(xù)監(jiān)管。本文針對宿州市埇橋區(qū)龍山建筑石料用灰?guī)r礦開采現(xiàn)狀，采用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，獲得相關(guān)有效成果，同時(shí)對此項(xiàng)技術(shù)在露天礦山監(jiān)測中應(yīng)用前景加以分析探討。

2 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)介紹

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)是近年來在測量領(lǐng)域發(fā)展最快的一個(gè)測量手段，其基本原理是借助無人機(jī)平臺搭載多臺數(shù)碼相機(jī)，同時(shí)從垂直方向和傾斜方向等多個(gè)不同的角度對地物采集有效的高分辨率影像數(shù)據(jù)。最常用的是采用五個(gè)棱鏡頭的傾斜攝影系統(tǒng)。通過無人機(jī)上搭載的GPS/IMU獲取監(jiān)測對象的實(shí)時(shí)POS數(shù)據(jù)以及像控點(diǎn)數(shù)據(jù)，再經(jīng)過內(nèi)業(yè)相關(guān)軟件的處理，獲取數(shù)字表面模型（DSM)、數(shù)字正射影像（DOM）、三維模型和實(shí)時(shí)線劃大比例尺地形圖（DLG)等。相對于常規(guī)測量，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)所獲取的成果具有地物幾何變形低、成果多樣性、全面而直觀，且便于長期保存等優(yōu)越性。

3 礦區(qū)概況

宿州市埇橋區(qū)龍山建筑石料用灰?guī)r礦位于宿州市東北約47km，埇橋區(qū)解集鄉(xiāng)東北方向約3km處，行政區(qū)劃隸屬解集鄉(xiāng)管轄，礦區(qū)西距解集鄉(xiāng)至褚蘭鎮(zhèn)村村通公路約1km，南側(cè)距離S301約2km，礦山自建道路與上述道路相連，交通便利。

4 監(jiān)測方案

4.1 技術(shù)方案

通過收集礦區(qū)地質(zhì)地形圖、開采現(xiàn)狀圖、礦山資源2019年儲量核實(shí)報(bào)告、礦山開發(fā)利用方案等相關(guān)資料，以及實(shí)地測量所需的礦區(qū)控制點(diǎn)分布及坐標(biāo)、高程值等資料，了解礦山基本情況。分析測繪資料坐標(biāo)系統(tǒng)、高程系統(tǒng)及采用的投影參數(shù)，整理分析測繪、地質(zhì)資料后，統(tǒng)一制定實(shí)地測量方案。整體技術(shù)路線如下圖所示。

整體技術(shù)路線

4.2 設(shè)備投入

為了保證本項(xiàng)目的成果質(zhì)量，儀器設(shè)備的投入必須滿足要求，本次投入的設(shè)備見表1。

投入使用的設(shè)備 表1

4.3 控制測量

本次埇橋區(qū)龍山建筑石料用灰?guī)r礦超層越界動(dòng)態(tài)監(jiān)測工作，平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用2000國家大地坐標(biāo)系，中央子午線117，高斯投影3帶。高程坐標(biāo)系統(tǒng)采用1985國家高程基準(zhǔn)。

根據(jù)龍山建筑石料用灰?guī)r礦實(shí)際情況，共做了6個(gè)礦區(qū)控制點(diǎn)，15個(gè)像控點(diǎn)，完全滿足本次監(jiān)測需要。

利用千尋衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)，采用RTK方法對礦區(qū)控制點(diǎn)和像控點(diǎn)進(jìn)行獨(dú)立觀測，然后申請納入安徽省衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)(CORS)，按控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)解算出所有控制點(diǎn)和像控點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程。本次礦區(qū)新做的控制點(diǎn)和像控點(diǎn)精度均符合相應(yīng)測量規(guī)范。

4.4 無人機(jī)傾斜攝影測量

根據(jù)礦山企業(yè)提供的礦山開采現(xiàn)狀圖及實(shí)際開采情況，對礦山開采、治理等相關(guān)區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)狀測量，本次主要采用傾斜攝影測量，進(jìn)行三維建模，室內(nèi)立體采集成圖，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，繪制礦山現(xiàn)狀1：500 地形圖。

4.4.1 飛行實(shí)施

本次項(xiàng)目采用大疆M300無人機(jī)搭載5鏡頭數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行航攝。根據(jù)航高計(jì)算公式要求，結(jié)合實(shí)際地形情況，本項(xiàng)目航攝照片地面分辨率為2.04cm，設(shè)計(jì)飛行高度130m。飛行時(shí)間都選在上午10點(diǎn)至下午4點(diǎn)間，風(fēng)速較小、風(fēng)向穩(wěn)定的時(shí)段，保證具有充足的光照度，又避免過大的陰影。本項(xiàng)目共飛行6個(gè)架次，完成了整個(gè)測區(qū)所有航攝工作。航攝飛行過程中，由于受到風(fēng)向變化及云層高度的影響，為減小風(fēng)向、風(fēng)速對航攝旋片角的影響，云層對航攝照片質(zhì)量的影響，實(shí)際作業(yè)時(shí)飛行的航向及航高根據(jù)天氣情況有所調(diào)整。各架次實(shí)際航攝情況見表2。

各架次實(shí)際航攝情況 表2

4.4.2 影像數(shù)據(jù)質(zhì)量

對于航攝數(shù)據(jù)，直接在工程現(xiàn)場進(jìn)行質(zhì)檢，縮短質(zhì)檢時(shí)間，加快項(xiàng)目執(zhí)行進(jìn)度。在航攝過程中，根據(jù)電腦中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)檢查飛機(jī)的飛行質(zhì)量，在每天的航飛任務(wù)結(jié)束后，作業(yè)人員使用檢查軟件，將當(dāng)天的航飛數(shù)據(jù)進(jìn)行快速拼接，檢查是否存在航攝漏洞，同時(shí)對航攝數(shù)據(jù)的表征質(zhì)量進(jìn)行檢查。

檢查內(nèi)容及結(jié)果如下：

①平均航向重疊度為80%，旁向重疊度75%；

②最大傾斜角為10；

③像片旋偏角：像片旋偏角最大為13；

④航線彎曲度：航線彎曲度最大為3%；

⑤影像清晰、層次豐富、反差適中、色調(diào)柔和均勻；

⑥GSD值均小于10cm。

由檢查結(jié)果可知航向重疊，旁向重疊，GSD值，最大傾角，相片傾角，航線彎曲度均符合技術(shù)設(shè)計(jì)書規(guī)定的航向重疊不少于80%，旁向重疊不少于75%，和《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》（CH/Z 3005-2010）中第7節(jié)規(guī)定的航向傾角一般不得大于5，最大不得超過12，旋偏角一般不得大于15的要求，本項(xiàng)目航攝的精度指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

4.4.3 影像預(yù)處理

影像預(yù)處理包括影像解壓縮、相片畸變差校正、圖像增強(qiáng)等工序。本項(xiàng)目影像數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理的相片對比度增強(qiáng)，更加清晰，為后續(xù)的空三加密工作提供了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。

4.4.4 空三加密處理

采用contextcapture三維建模軟件進(jìn)行空三加密。利用軟件自動(dòng)提取連接點(diǎn)，選擇航向3重疊的連接點(diǎn)作為加密點(diǎn)。自由網(wǎng)平差合格后利用電子刺點(diǎn)片，準(zhǔn)確地將像控點(diǎn)刺入，然后用光束法進(jìn)行測量平差，保證收斂，檢查基本定向點(diǎn)、檢查點(diǎn)的精度。不滿足規(guī)范要求的情況下，通過交互式編輯，剔除粗差點(diǎn)，調(diào)整像控點(diǎn)位置，最終使各項(xiàng)殘差符合規(guī)范要求。

4.4.5 DOM制作

DOM是根據(jù)單張航片的內(nèi)外方位元素和數(shù)字高程模型DEM，采用微分糾正軟件對各個(gè)模型的數(shù)字化航空像片進(jìn)行影像重采樣，糾正影像因地面起伏、飛機(jī)傾斜等因素引起的失真，把中心投影轉(zhuǎn)換為垂直投影，從而得到單張像片的正射影像。單片正射影像經(jīng)調(diào)色、勻光、鑲嵌、裁切、檢查編輯等步驟，生成標(biāo)準(zhǔn)分幅的正射影像圖。

本項(xiàng)目航攝照片地面分辨率達(dá)到設(shè)計(jì)要求，影像無缺損，無云霧遮擋，圖幅內(nèi)影像反差適中，色調(diào)均勻，紋理清楚，層次豐富，無明顯失真，灰度直方圖呈正態(tài)分布。

對DOM進(jìn)行平面位置檢測，明顯地物點(diǎn)中誤差小于0.6m，最大誤差小于0.8m，符合技術(shù)設(shè)計(jì)書中平地、丘陵平面位置中誤差1.2m限差要求。

4.4.6 DLG制作

利用空三加密成果，在全數(shù)字?jǐn)z影測量contextcapture工作站中建立影像立體模型。在立體模型下根據(jù)影像定位測繪，對難以確認(rèn)的要素內(nèi)容進(jìn)行標(biāo)記；將內(nèi)業(yè)采集的整幅DLG數(shù)據(jù)及其疑問標(biāo)記做簡單編輯后輸出調(diào)繪底圖；最后結(jié)合外業(yè)調(diào)繪數(shù)據(jù)，編繪成圖。

地形圖要素的表示按技術(shù)設(shè)計(jì)書及《國家基本比例尺地圖圖式第1部分：1：500、1：1000、1：2000 地形圖圖式》（GB/T 20257.1-2017）規(guī)定執(zhí)行。

5 成果應(yīng)用分析

通過宿州市埇橋區(qū)龍山建筑石料用灰?guī)r礦本次超層越界動(dòng)態(tài)檢測過程分析，無人機(jī)傾斜攝影測量比常規(guī)檢測優(yōu)勢明顯。

①礦區(qū)通視條件差，礦區(qū)內(nèi)因長期開采坑凹不平，礦山周邊地形復(fù)雜，如用常規(guī)測量方法難度大、進(jìn)度慢、成本高、現(xiàn)實(shí)性差，而采用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)成圖則精度高、速度快、作業(yè)效率高。

②無人機(jī)傾斜攝影測量建立了三維模型，直觀體現(xiàn)礦區(qū)現(xiàn)狀，可以對不同時(shí)期三維模型隨時(shí)比對監(jiān)管，方便快捷無死角。

③無人機(jī)傾斜攝影測量外業(yè)采集大量數(shù)據(jù)，便于長期保存，隨時(shí)調(diào)用，對礦區(qū)后期持續(xù)管理提供有力依據(jù)。

6 結(jié)論

綜上所述，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，在露天礦山監(jiān)測中的應(yīng)用能夠較好地滿足礦山監(jiān)管各方面的要求，多方面展現(xiàn)礦區(qū)現(xiàn)實(shí)狀況，獲得大量有效數(shù)據(jù)，各種測量成果可以建庫長期保存，為后續(xù)監(jiān)管中判斷超層越界、盜采等提供有力數(shù)據(jù)支撐，充分體現(xiàn)此項(xiàng)技術(shù)在露天礦山監(jiān)測中的優(yōu)越性。