航空攝影測(cè)量技術(shù)在綠色礦山建設(shè)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

饒興元

（梅州市測(cè)繪與地理信息中心，廣東 梅州 514071）

1 引言

礦山作為我國(guó)自然資源的重要組成部分，對(duì)資源生態(tài)服務(wù)、地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)與管理具有較大影響[1]。在礦產(chǎn)資源開發(fā)工程高速發(fā)展的背景下，綠色礦山建設(shè)理念逐漸興起[2]?；趶V義角度分析，綠色礦山建設(shè)是指采用科學(xué)有序的開采方法，在礦山資源開采過程中，控制礦山周邊生態(tài)環(huán)境的擾動(dòng)，全面實(shí)現(xiàn)科學(xué)化開采礦產(chǎn)資源、高效化利用礦山資源、和諧化管理礦山的目標(biāo)[3]。現(xiàn)階段，我國(guó)在綠色礦山建設(shè)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方面的研究日益成熟，能夠有效監(jiān)測(cè)礦山開采過程中的異常情況。文獻(xiàn)[4]提出基于BDS-3 衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法，通過分析雷達(dá)遙感、無(wú)人機(jī)遙感、遠(yuǎn)距離三維激光掃描、無(wú)人機(jī)傾斜攝影、激光雷達(dá)等現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，以及將這些技術(shù)應(yīng)用于礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的可行性與局限性，實(shí)現(xiàn)礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)[5]提出基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的礦產(chǎn)資源監(jiān)測(cè)方法，通過構(gòu)建礦山監(jiān)測(cè)區(qū)域的DEM、DOM、實(shí)景三維模型等傾斜攝影測(cè)量產(chǎn)品，分析露天礦山企業(yè)在該時(shí)間段內(nèi)的開采量、儲(chǔ)量、變化區(qū)域，以及是否存在越界違法開采現(xiàn)象等。但上述方法對(duì)無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)高度計(jì)算的精度較低，導(dǎo)致航線路徑規(guī)劃存在較大偏差，降低了礦山建設(shè)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確率。

航空攝影測(cè)量技術(shù)可以根據(jù)被監(jiān)測(cè)礦山的實(shí)際情況，采用高精度無(wú)人機(jī)，設(shè)計(jì)指定的監(jiān)測(cè)飛行路線，監(jiān)測(cè)中心根據(jù)礦區(qū)地物分布情況，實(shí)時(shí)調(diào)整無(wú)人機(jī)的監(jiān)測(cè)航線，具有較高的靈活性與監(jiān)測(cè)精度?；诖?，本文引入航空攝影測(cè)量技術(shù)，提出了一種全新的綠色礦山建設(shè)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法，有助于促進(jìn)我國(guó)綠色礦山建設(shè)的信息化、智能化發(fā)展。

2 綠色礦山建設(shè)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)

2.1 布設(shè)綠色礦山地面監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)

本文設(shè)計(jì)的綠色礦山建設(shè)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法，是采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)，全方位分析被監(jiān)測(cè)礦區(qū)的相關(guān)情況[6]。依據(jù)被監(jiān)測(cè)礦區(qū)的三維坐標(biāo)，布設(shè)地面監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)，為后續(xù)無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供基礎(chǔ)保障[7]。首先選取綠色礦山中基準(zhǔn)站與流動(dòng)站的布設(shè)位置，通過GPS 衛(wèi)星定位與無(wú)線電通訊系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取礦山內(nèi)的載波觀測(cè)信號(hào)，提取礦山地面監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)的有效坐標(biāo)值[8]。其次，采用彩帶十字絲方法，布設(shè)地面監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)。需注意，由于礦區(qū)地形變化顯著，且存在一定的不確定性，在礦山采坑區(qū)域周圍布設(shè)地面監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)時(shí)，盡量布設(shè)密集一些 ；在地形平緩區(qū)域，可以相對(duì)稀疏一些，保證地面監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)覆蓋綠色礦山所有區(qū)域。

2.2 基于航空攝影測(cè)量技術(shù)規(guī)劃無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)任務(wù)

地面監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)布設(shè)完成后，采用航空攝影測(cè)量技術(shù)規(guī)劃設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)飛行任務(wù)。首先，根據(jù)礦山監(jiān)測(cè)區(qū)域的地形、氣候、地質(zhì)條件等情況，選取分辨率與精度較高的無(wú)人機(jī)。本文選取MAVIC PRO 四旋翼無(wú)人機(jī)，機(jī)身尺寸為214mm×91mm×84mm，重量約為905g，具有2000 萬(wàn)有效像素，最大信號(hào)有效距離分別為：FCC：10000m；CE：6000m；SRRC：6000m；MIC：6000m。其次，基于航空攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)礦山監(jiān)測(cè)區(qū)域的地形進(jìn)行考察，結(jié)合考察結(jié)果布設(shè)礦區(qū)地面控制點(diǎn)。無(wú)人機(jī)飛行任務(wù)規(guī)劃流程如圖1 所示。

圖1 無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)飛行任務(wù)規(guī)劃流程

開展無(wú)人機(jī)飛行任務(wù)首先要根據(jù)多傳感器采集的監(jiān)測(cè)礦區(qū)氣象數(shù)據(jù)，確定無(wú)人機(jī)飛行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)任務(wù)時(shí)間，依據(jù)導(dǎo)航地圖軟件，獲取無(wú)人機(jī)禁飛空域，進(jìn)而確定動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)作業(yè)范圍。然后設(shè)定不同比例尺下綠色礦山建設(shè)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)影像的地面分辨率。根據(jù)地面分辨率、無(wú)人機(jī)相機(jī)焦距以及航空攝影像元尺寸之間的關(guān)系，規(guī)劃無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的飛行高度，計(jì)算公式為：

公式（1）中，qx表示綠色礦山建設(shè)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)影像的地面分辨率；f表示無(wú)人機(jī)相機(jī)焦距；p表示航空攝影像元尺寸。無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)作業(yè)飛行高度確定后，為提高航空攝影測(cè)量的準(zhǔn)確度，應(yīng)實(shí)時(shí)調(diào)整相同航線上礦山監(jiān)測(cè)影像的重疊度，避免相鄰影像重疊度超出范圍。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)飛行作業(yè)基線的長(zhǎng)度，確定無(wú)人機(jī)飛行航線路徑，計(jì)算公式為 ：

公式（2）中，L表示無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)飛行作業(yè)基線長(zhǎng)度；hx表示無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)航線間的間隔寬度；rx表示無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)航向重疊度。

通過計(jì)算，獲取無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)飛行作業(yè)的基線長(zhǎng)度，確定無(wú)人機(jī)的航線路徑，然后檢查與調(diào)試無(wú)人機(jī)設(shè)備的運(yùn)行狀況，檢查無(wú)誤后開始無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量，實(shí)時(shí)將無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量數(shù)據(jù)上傳至飛控系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，監(jiān)測(cè)中心的工作人員要及時(shí)查看礦山中是否存在漏拍區(qū)域，若出現(xiàn)異常，則對(duì)異常部分進(jìn)行補(bǔ)拍。

3 實(shí)例分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法的有效性與應(yīng)用效果，以S 綠色礦山建設(shè)工程為例，進(jìn)行了實(shí)例應(yīng)用分析。

3.1 礦山概況

選取某地區(qū)S 綠色礦山工程為研究對(duì)象，該礦山整體呈現(xiàn)ES 走向，為斜坡地形，屬巖溶槽坡地貌。礦區(qū)最高點(diǎn)高程為+425.82m，最低點(diǎn)高程為+332.45m，礦區(qū)地形坡角在25°～40°范圍，地表水排放情況良好，較難形成礦區(qū)地表水匯集。S 綠色礦山所在區(qū)域?qū)儆趤啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候，降雨量充沛，最大年降雨量約為1468.25mm，降雨主要集中在每年的5～8 月份，礦區(qū)平均相對(duì)濕度為78.2%。全面掌握該礦山工程情況后，將本文設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法應(yīng)用到S 綠色礦山建設(shè)中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦山的動(dòng)態(tài)變化。

3.2 結(jié)果分析

為了更加直觀地驗(yàn)證本文方法的可行性，將上述基于航空攝影測(cè)量技術(shù)的綠色礦山建設(shè)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法，分別與文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]方法進(jìn)行對(duì)比分析。采用精度較高的多旋翼無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量系統(tǒng)與內(nèi)業(yè)影像解譯系統(tǒng)作為試驗(yàn)工具，檢查航空攝影影像質(zhì)量，查看有無(wú)明顯云霧遮擋、影像清晰度是否符合要求等。利用Context Capture 軟件，對(duì)航空攝影影像進(jìn)行三維建模，基于S 綠色礦山簡(jiǎn)單的重疊影像，構(gòu)建模擬出真實(shí)的監(jiān)測(cè)礦區(qū)三維場(chǎng)景。

在S 礦山監(jiān)測(cè)區(qū)域，隨機(jī)布設(shè)6 組礦區(qū)地面控制標(biāo)靶監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，分別標(biāo)號(hào)為L(zhǎng)SKS01、LSKS02、LSKS03、LSKS04、LSKS05、LSKS06。掌握S 礦山像控點(diǎn)的變化，采用空三加密點(diǎn)，計(jì)算出礦區(qū)地面控制標(biāo)靶監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的不規(guī)則三角網(wǎng)TIN。應(yīng)用三種礦山建設(shè)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法，實(shí)時(shí)獲取礦山成果數(shù)據(jù)，得出監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)高程值，如表1 所示。

表1 三種方法礦山監(jiān)測(cè)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)高程值

從表1 可以看出，三種方法獲取的監(jiān)測(cè)高程值差異明顯。為了驗(yàn)證監(jiān)測(cè)高程值的精度，利用有限元分析軟件，測(cè)定S 礦山監(jiān)測(cè)區(qū)域地面控制標(biāo)靶監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的實(shí)際高程值，并與三種方法監(jiān)測(cè)到的高程值進(jìn)行對(duì)比，獲取三種監(jiān)測(cè)方法的高程誤差率，如圖2 所示。

圖2 三種監(jiān)測(cè)方法高程誤差率對(duì)比

從圖2 可知，采用本文提出的基于航空攝影測(cè)量技術(shù)的綠色礦山建設(shè)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法，各地面控制標(biāo)靶監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的高程誤差率均在1.2%以下，低于另外兩種監(jiān)測(cè)方法，且監(jiān)測(cè)結(jié)果精度更高，偏差更小，優(yōu)勢(shì)顯著。

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的實(shí)用性，以礦山監(jiān)測(cè)時(shí)間為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，采用本文方法、文獻(xiàn)[4]方法與文獻(xiàn)[5]方法進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖3 所示。

由圖3 可以看出，本文方法的監(jiān)測(cè)時(shí)間最高為28s，文獻(xiàn)[4]方法的監(jiān)測(cè)時(shí)間最高為50s，文獻(xiàn)[5]方法的監(jiān)測(cè)時(shí)間最高為69s，本文方法的監(jiān)測(cè)時(shí)間明顯低于其他兩種方法，效率較高，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

圖3 三種方法監(jiān)測(cè)時(shí)間對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

綠色礦山是我國(guó)重要的自然資源之一，對(duì)其環(huán)境、地質(zhì)與資源的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)要求較高。綠色礦山建設(shè)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法能有效監(jiān)測(cè)開采區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害、生態(tài)平衡的動(dòng)態(tài)變化，為礦山安全高效開采、礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)治理提供依據(jù)。為改善傳統(tǒng)礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法精度較低的問題，本文引入航空攝影測(cè)量技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種全新的無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法，可有效提高礦山監(jiān)測(cè)結(jié)果的精度，降低礦山地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生與環(huán)境破壞的可能性，對(duì)促進(jìn)我國(guó)綠色礦山生態(tài)管理發(fā)展具有重要意義。