無人機在礦山地質(zhì)環(huán)境治理監(jiān)測中的應用及精度評價
——以淮北市三五山為例

韓麗蘋，黃 榮

安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局325 地質(zhì)隊，安徽 淮北 235000

目前，礦山治理監(jiān)測最常使用的是衛(wèi)星遙感技術(shù)，它的優(yōu)勢在于覆蓋面積大，成本低，但時效性、靈活性、分辨率偏低，主要適用于調(diào)查全域礦產(chǎn)開采秩序問題[1]。無人機傾斜攝影測量技術(shù)是一項近年來不斷發(fā)展的高新技術(shù)，它通過無人機空中作業(yè)來獲得高分辨率、高重疊的影像數(shù)據(jù)，快速地建立帶有高精度坐標的三維模型，并以模型為基礎(chǔ)矢量化輸出DSM、DOM、TDOM、DLG 等多種測繪數(shù)字產(chǎn)品[2]。無人機傾斜攝影技術(shù)機動性強，分辨率高，面積小，經(jīng)費投入低，能夠彌補衛(wèi)星遙感技術(shù)的不足，直觀地展現(xiàn)整個礦山治理區(qū)的范圍和治理狀況。露天礦山地形復雜多變，無人機傾斜攝影技術(shù)可以實時動態(tài)對礦山治理進行監(jiān)測，提供真實的三維模型，直觀反映礦山開發(fā)利用現(xiàn)狀和周邊地貌環(huán)境。將無人機傾斜攝影技術(shù)應用于露天礦山資源開發(fā)的全生命周期中，有利于進一步推動礦山生態(tài)修復工作的開展。研究小組以淮北市三五山土地綜合整治項目為例，對其精度進行評價，淺析無人機技術(shù)在礦山生態(tài)治理監(jiān)測中的應用。

1 無人機傾斜攝影測量技術(shù)

無人機傾斜攝影測量技術(shù)以無人機為航攝平臺，搭載多種航攝傳感器，獲取地面垂直和傾斜角度多個方向的影像二維相片或掃描的點云數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)獲取后，工作人員通過多光譜影像分析、正射影像制作、DSM 和DLG 數(shù)據(jù)制作等方法，結(jié)合機載POS 數(shù)據(jù)、像控測量成果及其他矢量數(shù)據(jù)，構(gòu)建地物與地貌的真實三維模型[3]。

主要操作流程包括：航線飛行設(shè)計、像控點布設(shè)與測量、無人機航攝、空三解算（約束網(wǎng)平差、刺點、影像接邊處理平差）和三維建模。

2 研究區(qū)及實驗數(shù)據(jù)獲取

2.1 研究區(qū)概況

淮北市烈山區(qū)三五山土地綜合整治項目位于淮北市東南約9.0 km，總面積約63.14 hm2，分為三五山東部和三五山西部，其中東部面積約26.47 hm2，西部面積約36.67 hm2。研究區(qū)為廢棄采石宕口，區(qū)內(nèi)植被已被破壞，基礎(chǔ)條件較差，地形錯綜復雜，垂直高差不一，坡度較大，最大垂直高差達82 m，選取該區(qū)域進行實驗具有一定的代表性。

2.2 數(shù)據(jù)來源

研究小組利用飛馬D2000 無人機搭載傾斜正射模塊，在研究區(qū)分別航飛3 個架次，每個架次間隔1 個月，3 次航飛分別在2022 年3月23 日、4 月24 日和5 月21 日。如圖1 所示，根據(jù)研究區(qū)地形，研究小組在縱向航線上按照研究區(qū)走向直線布設(shè)，平行于研究區(qū)邊界線的首末航線必須確保側(cè)視鏡頭能獲得研究區(qū)的有效影像；橫向上，選擇從東到西布設(shè)航線。行高109 m，航向重疊度67%，旁向重疊度47%，時速10.8 m/s，航向間距50 m。

圖1 測區(qū)航線布設(shè)圖

通過航飛，研究小組獲得影像照片1 671張（第1 期544 張，第2 期541 張，第3 期586 張）、3 期的POS 數(shù)據(jù)和RTK 采集的像控點坐標。相機型號SONY ILCE-6000，影像大小6 000×4 000。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)處理包括空三解算和三維建模。無人機數(shù)據(jù)采集與地面數(shù)據(jù)采集同步進行，研究小組采用Context Capture 軟件，結(jié)合影像的外方位元素，進行全自動空三解算，采用人工智能交互技術(shù)將數(shù)據(jù)進行融合，生成一體化的三維模型[4]。三維模型生產(chǎn)完成后應保證模型的完整性、位置精度、表現(xiàn)精度、屬性精度、現(xiàn)勢性等要求[5]，測繪航空攝影處理流程圖如圖2所示。

圖2 測繪航空攝影處理流程圖

3 實驗結(jié)論和精度討論

3.1 三維模型成果

此次三維模型生成使用ArcGIS 軟件，將Context Capture 軟件生產(chǎn)的DSM 作為地形數(shù)據(jù)，DOM 作為影像數(shù)據(jù)，通過紋理映射技術(shù)將DOM 數(shù)據(jù)貼合在DSM 上，形成三維影像[6]。3 期模型對比如圖3 所示，模型與現(xiàn)場對比如圖4 所示。

圖3 3 期模型對比圖

圖4 模型與現(xiàn)場對比圖

整體上看，三維模型整體上較好地還原了礦山地物形態(tài)，礦山開挖狀況與現(xiàn)場表現(xiàn)一致。治理區(qū)域原有的房屋建筑、植被樹木都能較完整地體現(xiàn)出來；局部上，模型色彩相對厚重，尤其是高低變化較大的區(qū)域，色調(diào)過度起伏較大，突出了礦山開采的變化情況；空間形變上，區(qū)域內(nèi)的植被與礦山高低起伏一致，礦區(qū)廠房、礦坑、覆蓋痕跡等均在模型上有所體現(xiàn)。研究小組認為，基于無人機傾斜攝影測量構(gòu)建的研究區(qū)三維模型可以直觀形象地表達礦區(qū)的地物特征，構(gòu)建的三維模型完整全面，細節(jié)層次清晰。

3.2 數(shù)據(jù)評價

研究小組以徠卡GS18 采集的檢查點數(shù)據(jù)為真實值，與ArcGIS 軟件提取的對應影像高程值進行對比，對生成的影像數(shù)據(jù)進行檢驗，精度統(tǒng)計原理如下。

式（1）至式（4）中，Δx、Δy、Δh分別為每個檢查點在X、Y、H 方向上的殘差值；n為檢查數(shù)量；mx為X 方向的中誤差；my為Y 方向的中誤差；ms為平面中誤差；mh為高程中誤差。

項目檢查點共計27 個，研究小組將3 期檢查數(shù)據(jù)對比分析。1 期27 個點平面誤差主要分布在0.033～0.241 m 之間，其中平面誤差在0.033～0.137 m 之間的點共有24 個，占比89%；0.137～0.241 m 之間的點共有3 個，占比11%；高程誤差分布在0.054～0.123 m之間，其中高程誤差在0.054～0.09 m 之間的點共有13 個，占比48%；其中高程誤差在0.09～0.123 m 之間的點共有14 個，占比52%。平面誤差最大為0.241 m，中誤差為±0.118 m；高程誤差最大為0.123 m，中誤差為±0.089 m。

2 期27 個點平面誤差主要分布在0.07～0.134 m 之間，其中平面誤差在0.07～0.102 m之間的點共有16 個，占 比59%；0.102～0.134 m 之間的點共有11 個，占比41%；高程誤差分布在0.01～0.2 m 之間，其中高程誤差在0.01～0.11 m 之間的點共有20 個，占比74%；其中高程誤差在0.11～0.2 m之間的點共有7 個，占比26%。平面誤差最大為0.134 m，中誤差為±0.102 m，高程誤差最大為 0.2 m，中誤差為±0.093 m。

3 期27 個點平面誤差主要分布在0.059～0.135 m之間，其中平面誤差在0.059～0.097 m 之間的點共有11 個，占比41%；0.097～0.135 m 之間的點共有16 個，占比59%；高程誤差分布在0.05～0.128 m之間，其中高程誤差在0.05～0.089 m 之間的點共有21 個，占比78%；其中高程誤差在0.89～0.128 m 之間的點共有6 個，占比22%。平面誤差最大為0.135 m，中誤差為±0.101 m，高程誤差最大為 0.128 m，中誤差為±0.084 m。

根據(jù)《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》（CH/T9015-2012），比例尺為1 ∶500 的平面精度應控制在0.3 m 以內(nèi)，高程精度應控制在0.5 m 內(nèi)。根據(jù)實驗結(jié)果，研究區(qū)平面中誤差最大為0.118 m，最大誤差0.241 m，數(shù)據(jù)＜0.3 m 的標準；高程中誤差最大為0.093 m，最大誤差0.2 m，數(shù)據(jù)＜0.5 m 的標準。由此可見，此次實驗結(jié)果符合《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》精度Ⅰ級要求。

4 礦山地質(zhì)環(huán)境治理監(jiān)測實例應用分析

研究小組通過無人機傾斜攝影技術(shù)，按流程操作獲得3 期實際數(shù)據(jù)，利用ArcGIS 軟件和南方CASS 軟件，對符合要求的DSM 和DOM 影像進行處理，將標準范圍線套合在新生成的DOM 影像中。通過3 期數(shù)據(jù)對比分析、數(shù)據(jù)平面量測，研究小組獲得需要重點監(jiān)測、治理的露天礦山的開采范圍、開采面積、開采標高、回填信息、礦山地質(zhì)環(huán)境情況等基礎(chǔ)信息，并判斷研究區(qū)開采東南方向局部擴張，西部擴大，在研究區(qū)范圍界線內(nèi)，不存在越界開采情況。

通過生成高程DEM 數(shù)據(jù)，研究小組建立了研究區(qū)前后開挖對比影像圖（見圖5），形象直觀地展布了整個礦山環(huán)境治理區(qū)的范圍與地形概況，提升了監(jiān)測與評價礦山地質(zhì)環(huán)境治理的效果。如圖5 所示，研究區(qū)中心存在超挖現(xiàn)象（黃色圖斑），研究區(qū)南北方向存在漏挖、少挖的情形（藍色圖斑）。

圖5 研究區(qū)前后開挖對比影像圖

5 技術(shù)難點

攝影測量過程中，由于地物遮擋、空間位置起伏變化、分辨率的差異，獲得的數(shù)據(jù)當中含有非常多的粗差，從而生成大量冗余信息，單獨利用一種匹配方式無法獲得建模所需數(shù)據(jù)。

因此，研究小組通過實地勘驗，按照平均150 m 的間隔布設(shè)像控點，并保證其均勻分布在測區(qū)范圍內(nèi)。對于地形起伏異常較大、大面積植被及面狀水域特征點非常少的區(qū)域，應酌情增加像控點布設(shè)密度；單個攝影測量區(qū)域像控點的布設(shè)，其外圍的像控點連線要覆蓋整個區(qū)域。調(diào)整后的布設(shè)方式可以有效辨析地物特性，多層次獲取影像信息，分析多視影像特征，將影像上不同視角的二維特征轉(zhuǎn)化為三維特征，實現(xiàn)三維模型的影像匹配。

6 結(jié)語

研究小組利用無人機傾斜攝影測量技術(shù)對淮北市烈山區(qū)三五山土地綜合整治項目進行監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，得到以下結(jié)論。

（1）無人機傾斜攝影測量平面中誤差最大為0.118 m，最大誤差0.241 m；高程中誤差最大為0.93 m，最大誤差0.2 m。平面中誤差均小于0.3 m，高程中誤差均小于0.5 m，滿足《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》（CH/T9015-2012）中規(guī)定的Ⅰ級精度誤差標準。

（2）在礦山治理環(huán)境監(jiān)測應用中，研究小組通過建立實景三維模型對比，認為研究區(qū)開采東南方向局部擴張，西部擴大；在研究區(qū)范圍界線內(nèi)，不存在越界開采情況；研究區(qū)中心存在超挖現(xiàn)象，研究區(qū)南北方向存在漏挖少挖的情形。

（3）該項目的生產(chǎn)實踐證明，無人機傾斜攝影測量技術(shù)能夠在保證精度滿足要求的前提下真實完整地再現(xiàn)研究區(qū)治理現(xiàn)狀。下一步應綜合考慮設(shè)備、環(huán)境、算法等影響因素，選取更加精準、高效、復雜的精度評價因子，建立更嚴謹?shù)木仍u價體系，讓自動生成的三維模型更加直觀全面地反映實際生產(chǎn)情況。