無人機攝影測量在尾礦堆場庫容測定中的應(yīng)用

黎 亮

（1.中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計集團有限公司，江西 南昌 330029）

精確計算尾礦堆場庫容量（填方量），既可為礦業(yè)生產(chǎn)中合理編制開采計劃、妥善安排開采進度提供準確的數(shù)據(jù)依據(jù)，也符合礦山儲量動態(tài)監(jiān)督管理機制的需要。尾礦堆場中一般為漿體液態(tài)或高流動性物質(zhì)，針對這種地形條件，傳統(tǒng)全站儀或RTK[1]技術(shù)外業(yè)數(shù)據(jù)采集的難度大，得到的信息量少、精度不高、效率較低。隨著不接觸測量技術(shù)的發(fā)展，基于三維激光掃描技術(shù)[2-3]、地基雷達[4-5]、InSAR[6]技術(shù)的方量計算方法逐漸被廣泛應(yīng)用，其通過獲取點云數(shù)據(jù)構(gòu)建DEM計算庫容量，效率高，但成本也相對較高。消費級無人機攝影測量技術(shù)[7-8]逐漸發(fā)展成熟，能快速進行外業(yè)采集與內(nèi)業(yè)處理，成本低、效率高，在尾礦堆場庫容測量方法中是經(jīng)濟、效率的優(yōu)選。首先通過高清影像與地形數(shù)據(jù)得到的DEM、DOM計算堆場堆填方量，再與設(shè)計庫容總量進行對比，得到當前堆場庫容數(shù)據(jù)。在工程實際中，根據(jù)地形條件與工程精度需求選擇合適的挖填方量計算方法[9-10]，能提高作業(yè)效率與計算的準確率。本文結(jié)合工程實例研究了無人機攝影測量技術(shù)在礦山庫容測定中的應(yīng)用，介紹了無人機攝影測量的技術(shù)實現(xiàn)，對比分析了方格網(wǎng)法和DTM法兩種方量計算方法，為更好開展方量測量工作累積了經(jīng)驗。

1 無人機攝影測量作業(yè)

1.1 測區(qū)概況

本文以某礦區(qū)尾礦堆場的庫容測定為工程實例，尾礦堆場的衛(wèi)星影像如圖1所示。測區(qū)面積約為0.6 km2，由于礦業(yè)經(jīng)營持續(xù)不斷，堆場地形起伏變化較大，區(qū)域內(nèi)基本無植被、信號好，有利于無人機飛行。

圖1 測區(qū)范圍衛(wèi)星影像

1.2 外業(yè)采集與內(nèi)業(yè)處理

1.2.1 無人機平臺

由于測區(qū)面積不大，本文選用大疆精靈4無人機進行數(shù)據(jù)采集。該無人機配備2 000萬像素的云臺相機、配套軟件以及高效穩(wěn)定的高清圖像傳輸系統(tǒng)，機身預(yù)搭載DJI D-RTK TM 2天空端，可實現(xiàn)高精度準確定位；機身裝配的紅外感知系統(tǒng)和視覺定位系統(tǒng)能實現(xiàn)全方位的視覺定位和障礙物感知，從而更加智能高效地進行外業(yè)測量。無人機主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 大疆精靈4無人機性能參數(shù)

1.2.2 像控點布設(shè)與航線規(guī)劃

大疆精靈4無人機搭載的RTK模塊可獲得影像厘米級的定位精度，實現(xiàn)免像控技術(shù)。為提高外業(yè)數(shù)據(jù)采集的精度，本文仍在地面布設(shè)部分像控點進行校正和檢核。由于測區(qū)范圍較規(guī)則且視野開闊，在測區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)9個像控點，采用千尋知寸CORS賬號對各像控點進行數(shù)據(jù)采集，每個點獨立采集3次，數(shù)據(jù)平滑10次。根據(jù)測區(qū)范圍與像控點的分布規(guī)劃航線，實際航線規(guī)劃范圍應(yīng)略大于測區(qū)范圍，以便更好地記錄區(qū)域邊界外側(cè)紋理。

1.2.3 內(nèi)業(yè)處理

本文采用瑞士的Pix4D Mapper軟件處理無人機采集的數(shù)據(jù)和航空影像。該軟件可自動生成影像，并快速生成專業(yè)精確的二維地圖或三維模型，操作便捷、處理快速、精度高，可自動獲取相機參數(shù)、自動生成帶紋理的三維模型以及正射校正鑲嵌結(jié)果。Pix4D數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。利用Pix4D軟件對外業(yè)采集數(shù)據(jù)進行處理后的測區(qū)正射影像如圖3所示。

圖2 Pix4D軟件處理流程圖

圖3 測區(qū)數(shù)字正射影像

1.2.4 精度分析

從航測處理數(shù)據(jù)中提取布設(shè)的檢核點點位，并與實測檢核點位進行對比分析，以驗證航測的精度。檢核點為測區(qū)范圍內(nèi)均勻分布的20個明顯的地物特征點，野外坐標采用GPS RTK采集。根據(jù)GB/T 14912-2005《1∶500、1∶1 000、1∶2 000外業(yè)數(shù)字測圖技術(shù)規(guī)程》，以檢查點野外量測為基準，立體量測相對于野外量測的平面位置中誤差為0.18 m且高程中誤差為0.23 m，則符合要求，即

2 方量計算方法

根據(jù)無人機內(nèi)外業(yè)處理的結(jié)果，將生成的點云導(dǎo)入南方CASS軟件中，采用方量計算方法對填方量進行計算。CASS軟件中土石方量的計算方法包括方格網(wǎng)法、斷面法、等高線法和DTM法，各方法的適用性不同，即在不同地形地貌條件下不同方法計算的結(jié)果與精度都有區(qū)別。斷面法適用于地形復(fù)雜且起伏較大，挖填深度較大且不規(guī)則的地形；等高線法的計算精度相對較低，且需要相應(yīng)的地形圖資料；方格網(wǎng)法適用于地形地貌變化不大的測區(qū)，細分不同的設(shè)計標準，其精度主要與方格網(wǎng)的寬度有關(guān)；DTM法精度高，能很好地適應(yīng)復(fù)雜、不規(guī)則的地形。通過分析無人機航測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該測區(qū)地形分布較規(guī)則，地勢起伏不大，宜采用DTM法和方格網(wǎng)法進行挖填方量計算。在本工程實例中主要探討DTM法與方格網(wǎng)法在挖填方量計算中的應(yīng)用性能。

2.1 DTM法

DTM法以野外測量的高程點數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，一般采用構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）的方法，先計算每個TIN內(nèi)的填方量，再累加各TIN內(nèi)的填方量得到區(qū)域的總填方量。計算當前庫容或當次填方量時，需設(shè)計標準或上次測量的TIN模型，兩個TIN模型疊加，兩個表面之間的三角形單元體積即為填方量。在CASS軟件中，先展開野外測量的高程點，確定量方范圍的邊界；再選擇DTM生成方式，建立TIN；然后結(jié)合兩次TIN，點擊DTM法土方計算，可直接借助計算機輸出方量信息。具體實現(xiàn)步驟為：計算兩期間土方量→導(dǎo)入第一期TIN→導(dǎo)入第二期TIN→計算結(jié)果輸出，如圖4所示。

圖4 兩期間土方量計算過程

2.2 方格網(wǎng)法

與DTM法相同，方格網(wǎng)法也需要以野外測量的高程數(shù)據(jù)生成TIN，然后通過在TIN中內(nèi)插方格網(wǎng)計算每個方格內(nèi)的填方量總和，即為當前區(qū)域內(nèi)的總填方量。具體操作步驟為：繪圖處理→展高程點→確定區(qū)域范圍的邊界點并連接閉合→工程應(yīng)用→方格網(wǎng)法土方量計算→選擇計算方式→選擇設(shè)計面→設(shè)置網(wǎng)格寬度→結(jié)果輸出。方格網(wǎng)法計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 方格網(wǎng)法計算結(jié)果

3 計算分析

3.1 基準數(shù)據(jù)獲取

為對比方格網(wǎng)法與DTM法計算測區(qū)挖填方量的準確性，在挖填方量連續(xù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)中選取一期監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合堆場的相關(guān)設(shè)計資料，將測區(qū)劃分為16個子分區(qū)，細分后的子分區(qū)地形適用正、斜方格網(wǎng)法進行計算，將網(wǎng)格寬度設(shè)置為1 m×1 m，多次計算得到挖填方量結(jié)果，將其作為參考的真實挖填方值，來對比DTM法與方格網(wǎng)法的計算結(jié)果。測區(qū)劃分示意圖如圖6所示。本文通過每個子分區(qū)的挖填方量計算結(jié)果來估計堆場的總挖填方量，如表2所示。

表2 子分區(qū)挖填方量計算結(jié)果統(tǒng)計表

圖6 測區(qū)劃分示意圖

3.2 對比分析

為探究兩種土石方量計算方法的精度，本文分別采用DTM法和方格網(wǎng)法對當期的挖填方量進行計算。DTM法選取連續(xù)兩期的TIN數(shù)據(jù)對測區(qū)的挖填方量進行計算，方格網(wǎng)法則分別設(shè)置了5 m、10 m、20 m 3個網(wǎng)格寬度，輸入標高與坡度值進行計算。按項目設(shè)計的許可誤差＜3%來限定計算結(jié)果的準確性，兩種方法的計算結(jié)果與參考真實值之間的對比誤差如表3所示，可以看出，當網(wǎng)格寬度為5 m、10 m時，方格網(wǎng)法的計算誤差滿足小于3%的要求，表明方格網(wǎng)法中網(wǎng)格寬度的設(shè)置是計算土方量準確度的關(guān)鍵，網(wǎng)格寬度越大，計算偏差越大，其原因在于該測區(qū)雖然地形變化不大，但堆場各個小區(qū)域的設(shè)計標準不一，為使計算結(jié)果具有更高的精度，需根據(jù)地形條件，合理減小方格網(wǎng)的邊長；DTM法的挖填方量計算與參考值之間的誤差＜0.5%，差異較小，表明DTM法的計算精確度基本不受地形的限制，始終具有較高的精確性；綜合來看，DTM法在精度、適用范圍上比方格網(wǎng)法更具優(yōu)勢，可滿足不同地形地貌的測算要求。

表3 兩種算法與參考真實值的對比誤差統(tǒng)計

4 結(jié)語

針對大型礦區(qū)尾礦堆場的庫容測定，可利用無人機航測技術(shù)獲取測區(qū)的精密點云，再利用CASS軟件的土方量計算方法得到實際的挖填方量。本文在工程實例中，充分考慮了不同方法的適用范圍，對DTM法與方格網(wǎng)法在挖填方量計算中的精確度和性能進行了對比分析。結(jié)果表明，對于方格網(wǎng)法，當區(qū)域地形設(shè)計標準不同時，應(yīng)采取細化區(qū)域的測量方式，調(diào)整算法參數(shù)以提高計算的準確度；DTM法的測量精度較高，在精度和適用性上均優(yōu)于方格網(wǎng)法，可滿足不同地形地貌的測算要求，為生產(chǎn)經(jīng)營管理調(diào)度提供準確的參考依據(jù)。