傾斜攝影測量技術(shù)在礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測中的運(yùn)用

*基金項(xiàng)目：江西省高等學(xué)校教學(xué)改革研究課題（編號(hào) JXJG-22-17-16）；九江學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào) X202311843072）的研究成果之一。

收稿日期：2024-4-28

第一作者簡介：張光祖（1995-），安徽合肥人，碩士，助理工程師。研究方向：礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測、實(shí)景三維模型構(gòu)建。Email：848460975@qq.com。

摘要：礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測是對(duì)礦產(chǎn)資源管理，實(shí)現(xiàn)采礦權(quán)精細(xì)化管理，嚴(yán)防礦山超層越界開采的重要措施。文章以某市A礦為實(shí)驗(yàn)區(qū)，探究傾斜攝影測量技術(shù)在礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用，結(jié)果表明：在像控點(diǎn)參與解算的情況下礦區(qū)實(shí)景三維模型平面精度為3.7cm，高程精度為5.0cm，成果滿足1∶500比例尺測圖精度要求；基于構(gòu)建的模型可對(duì)礦山超層越界、礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與土地復(fù)墾情況做出定性結(jié)論；對(duì)礦山資源開采量、剩余量做出定量分析；可在模型上可提取礦區(qū)內(nèi)碎部點(diǎn)坐標(biāo)信息，做到外業(yè)一次數(shù)據(jù)采集，內(nèi)業(yè)按需測繪制作多種成果的目標(biāo)，大大提高了礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測的工作效率。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影測量，礦山，動(dòng)態(tài)監(jiān)測，實(shí)景三維模型

中圖分類號(hào)：P208

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9545（2024）02-0000-（06）

DOI：10.19717/j.cnki.jjun.2024.02.008

習(xí)總書記指出，“礦產(chǎn)資源是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，礦產(chǎn)資源勘查開發(fā)事關(guān)國計(jì)民生和國家安全”，礦產(chǎn)資源的開發(fā)保護(hù)日益重要。同時(shí)為落實(shí)貫徹《礦產(chǎn)資源開采登記管理辦法》（國務(wù)院令第653號(hào)）和《安徽省自然資源廳關(guān)于下達(dá)采礦權(quán)實(shí)地勘測定界和超層越界開采動(dòng)態(tài)監(jiān)測任務(wù)的通知》（皖自然資礦權(quán)函〔2023〕26號(hào)）文件要求，加強(qiáng)對(duì)礦產(chǎn)資源管理，通過對(duì)礦山進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對(duì)采礦權(quán)精細(xì)化管理，嚴(yán)防礦山超層越界開采，為礦山實(shí)行動(dòng)態(tài)科學(xué)管理提供必要數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測主要依靠全站儀、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分（RTK）接收機(jī)、水準(zhǔn)儀等設(shè)備采集碎部點(diǎn)［1-2］，外業(yè)工作量大且效率較低，外業(yè)人員在密林、高陡邊坡等處測量也存在較大安全隱患，逐漸無法滿足現(xiàn)代礦山監(jiān)測需要。代晶晶［3］將遙感數(shù)據(jù)用于稀有金屬礦山開發(fā)現(xiàn)狀、環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查等方面取得了初步成果；于博文［4］利用高分一號(hào)衛(wèi)星影像建立礦山解譯圖斑，最終用于礦山資源開發(fā)監(jiān)測和環(huán)境恢復(fù)治理工作；李雙迎［5］將高光譜遙感用于礦山環(huán)境污染監(jiān)測，認(rèn)為提升高光譜機(jī)理性研究很有必要，建議融合多源感知數(shù)據(jù)提升監(jiān)測效果；帥爽［6］將哨兵2號(hào)數(shù)據(jù)用于礦山恢復(fù)區(qū)植被健康遙感監(jiān)測，為礦山恢復(fù)治理評(píng)價(jià)提供了新的技術(shù)思路；總的來說遙感影像在宏觀層面上對(duì)礦山做定性監(jiān)測效果良好，但在精確定量以及礦山細(xì)部監(jiān)測方面存在欠缺。王果［7］利用傾斜攝影測量技術(shù)重建露天礦山邊坡模型，為滑坡監(jiān)測預(yù)警提供數(shù)據(jù)支持；白洋［8］將傾斜攝影測量成果用于礦山可視化研究，為礦山監(jiān)管提供參考和借鑒；楊青山［9］將無人機(jī)攝影測量技術(shù)用于礦山儲(chǔ)量計(jì)算中，減少了8/9的外業(yè)工作時(shí)間和2/3監(jiān)測時(shí)間，顯著提高了工作效率；目前，將無人機(jī)攝影測量技術(shù)引入礦山監(jiān)測已取得一定成果，但監(jiān)測成果還較為單一，傾斜攝影測量成果數(shù)據(jù)成果資源有待進(jìn)一步挖掘。

因此，文章將傾斜攝影測量技術(shù)運(yùn)用于礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測中，構(gòu)建礦山高精度實(shí)景三維模型并以此為本底數(shù)據(jù)完成礦山超層越界、生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理、礦山資源量估算等任務(wù)，完善傾斜攝影測量技術(shù)在礦山監(jiān)測過程中的應(yīng)用，為礦山監(jiān)管提供技術(shù)支撐。

1傾斜攝影測量技術(shù)

1.1無人機(jī)傾斜攝影測量

傾斜攝影測量是運(yùn)用飛行器搭載多視角相機(jī)，配合導(dǎo)航與慣導(dǎo)系統(tǒng)獲取影像曝光時(shí)的空間位置和姿態(tài)信息，用以采集地物紋理信息的技術(shù)。相較于傳統(tǒng)攝影測量技術(shù)，傾斜攝影測量獲得的影像具有傾角大（傾斜角一般大于30°）、尺度不均一、地物相互遮擋明顯的特點(diǎn)。目前主流的傾斜攝影測量系統(tǒng)主要包括飛行器、多視角光學(xué)相機(jī)、導(dǎo)航（GNSS）與慣導(dǎo)（IMU）系統(tǒng)，隨著技術(shù)的發(fā)展，也有使用云臺(tái)搭載單鏡頭相機(jī)，通過控制云臺(tái)來調(diào)整單鏡頭相機(jī)角度模擬多視角相機(jī)進(jìn)行影像采集的工作模式。

1.2傾斜攝影測量關(guān)鍵技術(shù)

將野外采集到的高分辨率多視角影像通過數(shù)據(jù)預(yù)處理、空中三角測量、影像密集匹配、三維格網(wǎng)構(gòu)建、白模生成、紋理映射等步驟［10］，可以生產(chǎn)出實(shí)景三維模型、數(shù)字表面模型、正射影像等成果，成功應(yīng)用于數(shù)字孿生城市［11］、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查［12］、地籍測繪［13］等方面。相較于傳統(tǒng)建模時(shí)間長、精度差、成本高的缺點(diǎn)，傾斜攝影測量建?？梢钥焖?、高精度、低成本的完成目標(biāo)區(qū)域的實(shí)景三維模型構(gòu)建。傾斜攝影測量關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾項(xiàng)：

（1）空中三角測量?？罩腥菧y量即區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差，根據(jù)少量外業(yè)像控點(diǎn)，在室內(nèi)利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算出測量所需的加密點(diǎn)位坐標(biāo)和每張影像精確的外方位元素。隨著機(jī)載定位精度的提升，運(yùn)用高精度位置與姿態(tài)測量數(shù)據(jù)（POS）輔助區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算逐漸成為了主流。

（2）影像密集匹配。影像匹配一般分為基于灰度信息匹配、基于變化域匹配、基于特征信息匹配三種。由于傾斜影像傾角大、尺度不均一、地物相互遮擋明顯的特點(diǎn)，傳統(tǒng)影像匹配算法穩(wěn)健性較差，基于特征信息的影像匹配在該過程中得到了廣泛應(yīng)用。

（3）自動(dòng)紋理映射。將三維實(shí)體進(jìn)行二維參數(shù)化是紋理映射的本質(zhì)，通過建立像素紋理坐標(biāo)與模型上各空間點(diǎn)坐標(biāo)之間的映射關(guān)系，賦予白模色彩信息，以還原地物在真實(shí)世界中的形態(tài)。

2工程應(yīng)用

2.1項(xiàng)目概況

2023年9月20日，某市自然資源和規(guī)劃局委托安徽省地質(zhì)測繪技術(shù)院對(duì)其轄區(qū)內(nèi)A礦進(jìn)行實(shí)地核查，了解A礦采礦權(quán)開采現(xiàn)狀，掌握該采礦權(quán)有無超層越界開采行為，并對(duì)礦山資源量進(jìn)行估算。

2.2數(shù)據(jù)采集與處理

已有研究證明像控點(diǎn)應(yīng)該優(yōu)先考慮邊緣加少量中心的方式布設(shè)，可在保證精度的情況下可達(dá)到更經(jīng)濟(jì)更高效的效果［14-15］。該次共布設(shè)5個(gè)像控點(diǎn)，分別位于礦區(qū)四周和礦區(qū)中部，另測區(qū)均勻布設(shè)3個(gè)檢核點(diǎn)用于最終模型的精度驗(yàn)證。使用華測I90接收機(jī)進(jìn)行點(diǎn)位坐標(biāo)采集，儀器平面精度±8mm+1×作業(yè)距離×10-6mm，高程精度±15mm+1×作業(yè)距離×10-6mm，坐標(biāo)測量時(shí)采用重復(fù)觀測的方法對(duì)點(diǎn)位坐標(biāo)采集精度進(jìn)行自檢。

利用大疆精靈4 RTK無人機(jī)進(jìn)行傾斜影像采集，該多旋翼無人機(jī)可通過調(diào)節(jié)云臺(tái)自由控制單鏡頭相機(jī)傾角，集成的RTK與IMU模塊可為影像提供高精度的POS信息，滿足數(shù)據(jù)采集的需要。本次共采集影像729張，傾斜影像采集信息如表1所示。

該試驗(yàn)利用ContextCapture軟件進(jìn)行實(shí)景三維模型構(gòu)建，模型構(gòu)建成果如圖3和圖4所示，模型效果好，真實(shí)準(zhǔn)確的反映了實(shí)驗(yàn)區(qū)在現(xiàn)實(shí)世界中的形態(tài)特征。

2.3精度驗(yàn)證

為了提高模型的精度，需在空三測量解算中導(dǎo)入像控點(diǎn)并進(jìn)行點(diǎn)位的刺選，點(diǎn)位刺選的精準(zhǔn)度直接影響最終實(shí)景三維模型成果的精度，因此先驗(yàn)證空三解算中像控點(diǎn)刺選精度以避免刺點(diǎn)粗差對(duì)模型精度的影響?？杖郎y量中像控點(diǎn)精度如表2所示。

由表2可知，每個(gè)像控點(diǎn)的重投影中誤差均小于1個(gè)像素點(diǎn)，平面誤差小于0.1m，高程誤差小于0.1m，像控點(diǎn)刺點(diǎn)精度滿足高精度建模要求。

對(duì)礦區(qū)模型做點(diǎn)位精度分析，以外業(yè)RTK測量的檢核點(diǎn)坐標(biāo)為真值，模型上對(duì)應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)3次量測平均數(shù)為測量值，檢核模型精度。中誤差計(jì)算公式：

x=±1n∑ni=1Δ2xi，（1）

y=±1n∑ni=1Δ2yi，（2）

z=±1n∑ni=1Δ2zi，（3）

xy=x2+y2.（4）

式中，n表示檢核點(diǎn)數(shù)量；Δxi，Δyi，vzi表示各點(diǎn)位真誤差；x，y，z表示各軸向中誤差；xy表示平面中誤差。

計(jì)算得到模型各檢核點(diǎn)誤差如表3所示，由表可知模型精度平面精度和和高程精度均優(yōu)于5厘米，滿足1∶500比例尺測圖精度要求，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》中Ⅰ級(jí)精度的要求。模型成果質(zhì)量可靠，滿足基于模型進(jìn)一步研究應(yīng)用的需求。

3礦山監(jiān)測成果與分析

由精度驗(yàn)證結(jié)果可知，構(gòu)建出的礦區(qū)實(shí)景三維模型平面和高程精度均滿足大比例尺測圖需要，將礦區(qū)模型導(dǎo)入Cass成圖系統(tǒng)中繪制出1∶1000礦區(qū)第三季度開采現(xiàn)狀圖，成果如圖5所示。

3.1采礦權(quán)超層越界情況

將礦權(quán)線與礦區(qū)實(shí)景三維模型進(jìn)行套和比對(duì)，成果如圖6所示。

由圖6可知，整個(gè)開采區(qū)在礦權(quán)線內(nèi)，無越界現(xiàn)象。通過平移、旋轉(zhuǎn)、縮放，精確繪制出礦區(qū)底板范圍線，并以5m為采樣間隔提取出516個(gè)礦區(qū)底板高程點(diǎn)信息，經(jīng)統(tǒng)計(jì)開采最低高程為62.89m，小于規(guī)定開采深度，無超層現(xiàn)象。

3.2礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與土地復(fù)墾方案執(zhí)行情況

根據(jù)《礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與土地復(fù)墾方案》工作部署，在模型上對(duì)礦區(qū)生態(tài)修復(fù)工作進(jìn)行測繪調(diào)查，結(jié)論如下：

（1）采礦權(quán)范圍外東、西兩側(cè)已治理并覆綠，并按要求修建好排水溝。

（2）采礦權(quán)范圍外北側(cè)部分區(qū)域已恢復(fù)治理并修建排水溝。

（3）采礦權(quán)范圍外堆場未見治理，采礦權(quán)范圍內(nèi)對(duì)已開采完畢的靠幫邊坡治理不夠完善，效果不佳。建議礦山企業(yè)嚴(yán)格按照《礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與土地復(fù)墾方案》執(zhí)行，加大恢復(fù)治理力度。

3.3礦山資源量估算

礦山資源量估算公式為：

Q=V×d（5）

式（1）中，Q：塊段資源量（t）；V：塊段體積（m3）；d：礦石小體重（t/m3），依據(jù)礦山已有資料數(shù)據(jù)，礦石小體重平均值為2.62t/m3。

對(duì)比該礦2021年四季度開采現(xiàn)狀圖，本次共有兩個(gè)開采區(qū)域K1、K2，在礦區(qū)模型中分別繪制開采面上下平臺(tái)范圍，如圖15所示。上開采面Sk1上面積為9128.25m2，下開采面Sk1下面積為7834.91m2，（Sk1上-Sk1下）/Sk1上＜40%，選用梯形臺(tái)體計(jì)算公式，即：

V=（Sk1上+Sk1上）×L/2（6）

式（6）中，V：塊段體積（m3）；S：塊段面積（m2）；L：塊段平均垂直高度（m）。

K2開采區(qū)域，上開采面Sk2上面積為3066.89平方米，下開采面Sk2下面積為1687.38m2，（Sk1上-Sk1下）/Sk1上＞40%，采用截錐體積公式，即：

V=Sk2上+Sk2下+" Sk2上×Sk2下×L/3（7）

式（7）中，V：塊段體積（m3）；S：塊段面積（m2）；L：塊段平均垂直高度（m）。

在各開采平臺(tái)上分別取本次實(shí)測高程值和上次估算時(shí)測得高程值中選擇3個(gè)點(diǎn)作為高程計(jì)算基準(zhǔn)，以此計(jì)算出塊段平均垂直高度，K1、K2兩塊段平均垂直高度計(jì)算如表4所示。

計(jì)算出K1開采區(qū)域礦產(chǎn)資源消耗總量為10.27萬立方米，26.91萬噸；K2開采區(qū)域礦產(chǎn)資源消耗總量為2.89萬立方米，7.57萬噸。結(jié)合累計(jì)資源查明量，截止2022年7月20日，某市A礦保有控制資源量148.13萬立方米，392.81萬噸。

4結(jié)論

文章以某市A礦區(qū)為實(shí)驗(yàn)區(qū)，驗(yàn)證傾斜攝影測量技術(shù)在礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測過程中的應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）基于傾斜攝影測量技術(shù)的礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)快速構(gòu)建地理坐標(biāo)系下的高精度礦區(qū)實(shí)景三維模型，能全面、直觀、準(zhǔn)確地獲取礦區(qū)開采現(xiàn)況?？蓪?duì)礦山超層越界、礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與土地復(fù)墾情況做出定性結(jié)論；對(duì)礦山資源開采量、剩余量做出定量分析。技術(shù)流程可行、監(jiān)測結(jié)論可信、測繪成果可用，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

（2）在實(shí)景三維模型上可提取礦區(qū)內(nèi)任意點(diǎn)的坐標(biāo)信息，在大幅度減少外業(yè)工作量的情況下信息采集密度有了顯著提高，做到外業(yè)一次數(shù)據(jù)采集，內(nèi)業(yè)按需測繪制作多種成果的目標(biāo)，大大提高了工作效率。

第2期""""""""""" """張光祖，等：傾斜攝影測量技術(shù)在礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測中的運(yùn)用

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（責(zé)任編輯" 羅江龍）