無人機(jī)航測技術(shù)在礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

游昆鵬 涂旭東

（陜西鳳縣四方金礦有限責(zé)任公司）

我國礦產(chǎn)資源的需求量很大，礦山生態(tài)系統(tǒng)由于資源過度開采產(chǎn)生了較大破壞，導(dǎo)致了日益嚴(yán)重的資源、環(huán)境和地質(zhì)災(zāi)害問題。在對礦山地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行治理及監(jiān)測的工程中，以點為測量對象的傳統(tǒng)測量方法很難獲取到待監(jiān)測區(qū)域的全要素地形信息，從而制約地質(zhì)環(huán)境治理的規(guī)劃和決策。

近年來，小型無人機(jī)航測技術(shù)的發(fā)展使得無人機(jī)航測技術(shù)在各行各業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用。馮雅秀［1］通過對無人機(jī)實景三維建模和數(shù)據(jù)精度的研究，認(rèn)為當(dāng)前無人機(jī)航測所取得的DSM、TDOM等成果精度可用于高精度三維建模。張崇軍等［2］利用無人機(jī)傾斜攝影測量方法獲取監(jiān)測滑坡體的真三維模型，認(rèn)為可以用于降雨后形變在3 cm以上的監(jiān)測。張兵兵等［3］將無人機(jī)航測用于大寶山礦露天礦山采空區(qū)的精細(xì)化驗收，認(rèn)為其成果精度完全滿足1∶500地形圖精度要求，可用于露天礦山采空區(qū)的精細(xì)化驗收。

以上研究成果為礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測提供了新的思路。本研究以四方金礦地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測為背景，論述了無人機(jī)PPK免像控航測技術(shù)在礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測方面的應(yīng)用成果，并結(jié)合GIS軟件對監(jiān)測成果進(jìn)行多樣化表達(dá)。

1 項目背景

該項目以四方金礦采區(qū)地表為監(jiān)測對象。該區(qū)大地構(gòu)造位置處于秦嶺褶皺系南秦嶺印支褶皺帶，屬秦嶺中山區(qū)地貌類型。經(jīng)過多年地下開采，山體表層邊坡破碎滑塌，形成一個寬約422 m、斜長約450 m、高差約350 m的碎塊石堆積邊坡，面積約14萬m2。礦山于2018年開始對采區(qū)地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行恢復(fù)治理，為鞏固治理成效并減少地下采礦活動對地表的影響，近2 a采礦方法由崩落法轉(zhuǎn)為充填法。為監(jiān)測治理成果并對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警，需要對該區(qū)實施采空（塌陷）監(jiān)測、不穩(wěn)定邊坡監(jiān)測、地貌景觀損毀（恢復(fù)）監(jiān)測。根據(jù)《礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測規(guī)程》（DZ T0287—2015）規(guī)定的監(jiān)測等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)域監(jiān)測等級為三級。

該區(qū)域周邊植被茂盛，山勢陡峭且無道路通行。無論是利用傳統(tǒng)的全站儀極坐標(biāo)法還是GNSS靜態(tài)測量或者實時差分動態(tài)測量（RTK）均難以施測，采用無人機(jī)低空攝影測量又無法在測區(qū)四周布設(shè)地面控制點控制整個測區(qū)。經(jīng)過多次試驗，僅在測區(qū)單邊方向（山腳）布設(shè)地面控制點時，當(dāng)?shù)匦纹鸱卟钕鄬Φ孛婵刂泣c高度超過80 m后，所測成果平面和高程精度都急劇下降。通過查找研究資料和試驗驗證，最終選擇使用有架構(gòu)航線的PPK免像控航測技術(shù)，地面控制點僅做檢查點使用，不參與空三平差計算。

2 主流免像控航測技術(shù)的對比

免像控航測技術(shù)的實現(xiàn)主要依靠高精度的POS數(shù)據(jù)獲取外方位元素，提高空三解算精度。目前獲取高精度POS數(shù)據(jù)的手段主要是在無人機(jī)上安裝傳感器和RTK模塊，然后通過實時差分或者后差分的方式求解拍照瞬間的相機(jī)空間位置。當(dāng)前主流的免像控航測技術(shù)主要有傳統(tǒng)機(jī)載GNSS/IMU技術(shù)、RTK實時差分技術(shù)、PPK后差分技術(shù)。研究資料表明［4］，當(dāng)前技術(shù)下RTK實時差分技術(shù)和PPK后差分技術(shù)獲取的POS數(shù)據(jù)位置精度可以達(dá)到2 cm以內(nèi)。

傳統(tǒng)機(jī)載GNSS/IMU技術(shù)利用單點定位技術(shù)與慣導(dǎo)結(jié)合，通過內(nèi)插方法估算相機(jī)的曝光點位置和姿態(tài)，獲取POS數(shù)據(jù)，精度較低。RTK技術(shù)與PPK技術(shù)獲取的POS數(shù)據(jù)精度相當(dāng)，但由于RTK技術(shù)需要在基站和無人機(jī)之間建立通信連接，在山區(qū)和具有高大障礙物存在的區(qū)域飛行時，有可能出現(xiàn)通信中斷信號失鎖的情況。因此，RTK技術(shù)更適合于在平坦地區(qū)使用，PPK技術(shù)適合于地形復(fù)雜的山區(qū)。但無論是RTK或者PPK技術(shù)支持下的無人機(jī)免像控航測，都需少量的能夠控制整個測區(qū)的地面控制點進(jìn)行聯(lián)合平差以提高成果精度和可靠性，在無法布設(shè)足夠控制點的情況下很難獲取到所需精度的成果數(shù)據(jù)。由于構(gòu)架航線攝站坐標(biāo)可以起到地面控制點的作用［5］，因而采用構(gòu)架航線的免像控航測技術(shù)可以在更少或者沒有地面控制點的情況下獲取較高的成果數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)［5］研究了高差130 m內(nèi)，構(gòu)架航線對無人機(jī)影像精度的影像，本研究驗證了在高差350 m時的構(gòu)架航線無人機(jī)免像控航測精度。

3 試驗方案

本項目采用的飛行平臺為飛馬E2000航測系統(tǒng)，利用到的數(shù)據(jù)處理軟件主要包括飛馬無人機(jī)管家、瞰景Smart3d、Arcgis10.8等。主要技術(shù)流程：首先通過計算、設(shè)置合理的航線參數(shù)，利用無人機(jī)周期性對監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行航測，通過飛馬無人機(jī)管家和瞰景Smart3d生產(chǎn)真三維模型和DSM、TDOM正射影像；然后利用Arcgis10.8軟件對不同期成果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，最后形成多樣化的可視化監(jiān)測成果。技術(shù)流程如圖1所示。

監(jiān)測區(qū)域高差較大，采用變高航線飛行，航線方向和等高線平行。并垂直于航線方向規(guī)劃若干條構(gòu)架航線，加強(qiáng)航線約束，提高成果精度。攝影方式采用垂直攝影。

飛馬E2000所搭載Sony ILCE-6000微單相機(jī)，GSD為30 mm時，由式（1）計算相對航高H為195.7 m。

式中，H為相對航高，m；f為相機(jī)物鏡焦距，mm；a為CCD像元尺寸，μm；GSD為地面分辨率，mm。

式（2）為航空攝影測量高程精度計算公式：

式中，mh為地面點高程坐標(biāo)精度，mm；k為常數(shù)；B為攝影基線長度，m。

由式（2）可以看出，在地面分辨率GSD和航高H確定的情況下，攝影基線長度B越大點位高程精度越好，但影像重疊度越低。影像重疊度低會影響照片特征點密集匹配效果，進(jìn)而影響空三成果可靠性。如何平衡高程精度和影像重疊度也是無人機(jī)攝影測量的一個難點。申二華等［6-7］通過對不同基高比的對比試驗，認(rèn)為在地物特征明顯地區(qū)較高的重疊度可以在一定程度上彌補(bǔ)小基高比的高程精度缺失，但在地貌復(fù)雜特征不明顯地區(qū)仍需進(jìn)一步研究影像匹配算法。本項目對高程精度要求較高，結(jié)合前人研究成果，選取航向重疊度80%，旁向重疊度60%。多次航測數(shù)據(jù)表明，該重疊率下影像密集匹配通過率高于96%，影像連接強(qiáng)度良好。

由于地形條件限制，無法按常規(guī)方式布置控制點。在監(jiān)測區(qū)山腳下沿路布設(shè)單邊控制點10個（圖2），用于檢驗航測成果的精度。

為了確保地面控制點精度，剔除地面控制點誤差對精度分析的影響，采用RTK多次平滑采集坐標(biāo)，部分控制點點位精度見表1。

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4 精度分析

為了驗證構(gòu)架航線免像控精度以及地面控制點對構(gòu)架航線精度的影響，設(shè)計了2種平差方案進(jìn)行對比。第一種方案是僅采用高精度POS數(shù)據(jù)進(jìn)行空三計算，無地面控制點參與平差計算；第二種方案是同時采用高精度POS數(shù)據(jù)和4個地面控制點聯(lián)合空三計算。采用飛馬無人機(jī)管家分別對2種方案進(jìn)行空三計算，生產(chǎn)TDOM和DSM，在TDOM和DSM讀取檢查點平面坐標(biāo)和高程值。通過對比檢查點圖測值和RTK所測三維坐標(biāo)值，計算檢查點點位中誤差評估成果精度。所得精度檢驗結(jié)果分別見表2和表3。

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由表2可以看出，利用PPK獲得的高精度POS數(shù)據(jù)在無地面控制點參與空三解算的情況下，得到的檢查點坐標(biāo)與RTK實地所測坐標(biāo)X方向最大值-0.102 m，Y方向最大值-0.116 m，Z方向最大值-0.198 m，坐標(biāo)平面中誤差0.087 m，高程中誤差0.103 m，符合預(yù)期精度。

由表3可以看出，利用高精度POS數(shù)據(jù)和4個地面控制點參與空三解算的情況下，檢查點X方向最大值0.079 m，Y方向最大值0.084 m，Z方向最大值-0.140 m，坐標(biāo)平面中誤差0.082 m，高程中誤差0.105 m。與表2數(shù)據(jù)對比可知，除參與計算的控制點本身點位精度有明顯提高外，檢查點平均點位精度并沒有得到明顯提升，只是在X、Y、Z方向差值最大值上有所減小。

從精度分析結(jié)果可知，當(dāng)有構(gòu)架航線時，無論有無地面控制點參與計算，無人機(jī)PPK免像控航測技術(shù)都可滿足礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測要求和1∶500大比例尺地形圖精度要求，可以用于高陡復(fù)雜邊坡的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集。

5 成果應(yīng)用

礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測的目的是及時掌握災(zāi)害體變形動態(tài)，分析其穩(wěn)定性并預(yù)測變化規(guī)律；為地質(zhì)環(huán)境治理提供可靠資料和科學(xué)依據(jù)。因此，對采集到的三維模型和正射影像數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化表達(dá)，對礦山安全、高效、綠色和集約開采具有重要意義。

對地貌景觀破壞和地貌景觀恢復(fù)監(jiān)測的可視化表達(dá)可以在TDOM上提取邊界或者矢量化邊界。利用Arcgis10.8軟件對提取到的邊界賦日期屬性值，通過啟用時間圖層制作時態(tài)變化圖，動態(tài)展示不同時間節(jié)點地貌景觀破壞或者恢復(fù)情況。本研究重點討論靜態(tài)圖的制作。

DSM本質(zhì)是在每個柵格像元內(nèi)存儲不同的像素值，這個像素值就代表了這個像元對應(yīng)實地位置的高程值。如圖3所示，方格代表像元，方格內(nèi)的數(shù)字分子部分代表該像元的像方坐標(biāo)，分母代表該像元存儲的像素值。像元的像方坐標(biāo)可以通過數(shù)學(xué)計算映射至物方坐標(biāo)。

像元是柵格圖像的最小量測單位。如圖3所示，在柵格圖像上畫一條剖面線，就可以通過數(shù)線條經(jīng)過的像元數(shù)確定剖面線不同距離處的像素值?；诖嗽?，可以在一幅DSM上得到任意線條的剖面圖；也可以在2幅或者多幅DSM上得到剖面圖變化值。圖4為監(jiān)測區(qū)2期DSM在某勘探線上的剖面圖。

通過剖面圖可以直觀看出在距邊界150～200 m處采礦活動引起了漏斗深度加深。

基于DSM的實現(xiàn)原理，可以對2幅像元大小相等的柵格圖像執(zhí)行數(shù)學(xué)運算。圖5為2期DSM相減得到的地表變化等值區(qū)間圖。

圖5采用灰度值表示地表2期地形高差變化值，顏色越淺表示地面下沉量越大。等值區(qū)間圖會在某些小區(qū)域內(nèi)造成很多難以分辨的小多邊形，同時一部分不感興趣的區(qū)域可能占據(jù)較大面積干擾視覺認(rèn)知，因此等值區(qū)間圖適用于表達(dá)整個監(jiān)測區(qū)的宏觀變化情況。

6 結(jié) 論

（1）采用構(gòu)架航線無人機(jī)PPK免像控航測技術(shù)可以應(yīng)用于地面特征點不明顯且地形高差起伏超過350 m的高陡邊坡地形的礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測。

（2）除DSM剖面圖、等值區(qū)間圖外，利用航測獲取的數(shù)據(jù)通過與GIS技術(shù)結(jié)合可以獲得坡度坡向圖、變化風(fēng)向圖等更豐富的表達(dá)形式，擁有著廣闊的應(yīng)用前景。

（3）航測最終監(jiān)測成果精度雖不及傳統(tǒng)接觸式測量，但相比傳統(tǒng)測量航測能夠獲得監(jiān)測區(qū)域的全要素信息，對地質(zhì)環(huán)境治理規(guī)劃和決策更有意義。